CN201937353U - 高速电机 - Google Patents

Abstract

一种高速电机，包括：放置在真空机壳中定子和转子，转子设置在定子的外面，所述转子包括：一圆筒、一套装在圆筒内的轮毂、多根与轮毂连接的轴条以及转轴，轮毂由多段圆弧板拼合而成，在各圆弧板的内壁上分别设置一轴条套，各轴条的自由端分别插装在各圆弧板的轴条套内并与轴条套在轮毂的径向过盈配合。该高速电机转速高，且不存在轮毂强度不够以及圆筒与轮毂松脱的问题，同时，轮毂本身还可以压迫圆筒内层，使其向外膨胀，从而使圆筒的外层和内层的膨胀量趋于一致，削弱了圆筒在高速下的内外层开裂现象。

Description

高速电机

技术领域

本实用新型涉及高速电机，尤其与高速电机的转子部分的结构有关。

背景技术

转动物体所受的离心力与转动物质的重量、转动角速度的平方及转动半径均成正比关系，由于材料强度的限制，高速电机要想达到较高的转动角速度，就只好缩小转动半径，从而降低离心力。但是转动半径缩小，必然导致电机转子和定子的空间缩小，因而无法布置更多的磁体和导线，这样就导致高速电机的功率很难做大。

电机既要高转速，又要大功率，一般有两个不太好的解决办法。

一、把高速电机沿轴向方向做成细长形状，但这样在使用时会遇到空间的限制以及转子动力学方面的限制，如：细长轴的摆动及振动问题。

二、用低速的大功率电机附带一个高速的大功率变速箱，但是高速的大功率变速箱技术要求很高，成本很高，而且既降低传动效率，又带来噪音、振动、维修等方面的一系列问题。

为了系统性地解决这个问题，不少人都想到用高强度的材料来箍住电机转子，帮助电机转子承受离心力，那么就可以一步到位做成短轴大半径的高速电机，同时也增大了定子半径，从而就有足够的空间在转子上布置更多的磁体，在定子上布置更多的导线，从而提高电机功率。

目前高强度的材料主要是纤维复合材料，例如玻璃纤维或碳纤维的复合材料，不仅强度高，而且技术成熟，价格适中。在内转子外定子的情况下，由于转子和定子之间的气隙不能过大，所以复合材料的厚度也不能太大，所承受的离心力也不会太大，所以转子半径增大是有限的。而在外转子内定子的情况下，复合材料箍子箍在最外面，有足够的空间来增加厚度，从而能够承受更大的离心力，因而能够显著增大转子半径。

但这种做法，也会出现两个大的问题。

一、箍子和转子的松脱问题。

由于金属的弹性模量比复合材料的弹性模量大一些，所以导致在高速旋转时，复合材料箍子的膨胀量经常比金属转子的膨胀量大，从而导致复合材料箍子与金属转子松脱，无法起到保护金属转子的作用。常见的解决办法有两个：第一，预先使箍子跟转子箍得更紧以使转子承受更高一点的转速，但是，过盈配合在装配时比较麻烦，而且效果不太明显，即转速并不能因此而增加更多，因为相比于高速旋转时的松脱量，在装配过程中所施加的过盈量总是有限的；第二，把金属转子从一个整体圆环形或整体圆盘形变成伞形，众所周知，伞的外沿半径会灵活地增大或缩小。随着圆筒转子在高速旋转下的膨胀，伞形轮毂也会在自身离心力的作用下撑开，半径增大，从而始终保持轮毂外沿跟圆筒转子内壁的紧密配合。这种结构下，伞形轮毂不再是一整块金属圆盘，而是用活动的金属板/片连接在一起，金属板/片之间的连接是柔性的（否则不能撑开），互相之间不提供拉力，所以每一块金属板/片所受的离心力，主要由轮毂中心的小小轴条套来承受。而轴条套的强度有限，不能承受太大的离心力，所以转子的转速也不可能太高。所以，要想制造高速飞轮电池，必须另想办法解决转子与箍子在高速旋转下的松脱问题。

二、箍子内外层开裂的问题。

就复合材料箍子本身而言，在同一种纤维缠绕成型的情况下，内外弹性模量一致，但由于箍子外层线速度大，离心力和应力大，箍子内层线速度小，离心力和应力小，所以导致箍子外层的膨胀量大于箍子内层的膨胀量，在速度达到一定程度时，膨胀量之间的较大差异，就会导致箍子外层与内层撕开，箍子受到破坏，从而限制了高速电机转速的提高。为此，也有两个常见的解决办法：第一，使纤维在缠绕时，越到外层缠绕的预应力越大，这种做法会有一定的改善，但不是本质上的改变，而且也比较麻烦。第二，使内层纤维的弹性模量更小，外层纤维的弹性模量更大，这样一来，即使内层纤维所受的应力小于外层纤维所受的应力，也能使内层纤维的膨胀量跟外层纤维的膨胀量一样大。但这种做法需要进行纤维的定制化生产，以形成弹性模量的梯度配置，而以目前的纤维生产水平，弹性模量的调节范围有限，尚不能大范围的按需定制弹性模量。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种高速电机，以解决现有技术中电机转速因各种原因无法提高的缺陷。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种高速电机，包括：放置在真空机壳中的定子和转子，转子设置在定子的外面，所述转子包括：一圆筒、一套装在圆筒内的轮毂、多根与轮毂连接的轴条以及转轴，轮毂由多段圆弧板拼合而成，在各圆弧板的内壁上分别设置一轴条套，各轴条的自由端分别插装在各圆弧板的轴条套内并与轴条套在轮毂的径向过盈配合。

进一步地，所述定子的数量为一个，在转子各圆弧板的内壁上设有至少一凸出于内壁的凸台，各凸台围成一连续或断续的圆环形凸台组，各凸台沿径向开设一开口向内的卡槽，所述定子的外缘收容在所述凸台组的各凸台卡槽内，且，各凸台卡槽槽壁对应定子外缘厚度方向的两外表面的位置均设置有多个呈环形分布的磁极。

进一步地，所述定子的数量为两个，所述轴条位于两定子之间，在转子各圆弧板的内壁上设有至少两凸出于内壁的凸台，所述圆弧板上的凸台围成两个连续或断续的圆环形凸台组，各凸台沿径向开设一开口向内的卡槽，两定子的外缘分别对应收容在两凸台组的各凸台卡槽内，且，每个凸台卡槽槽壁对应定子外缘厚度方向的两外表面的位置均设置有多个排布成环形的磁极。

进一步地，所述定子的数量为一个，在转子各圆弧板内壁对应定子外缘的位置上嵌设有多个磁极，所述多个磁极围成一个断续的圆环形磁极组，所述磁极组位于所述定子径向的外部。

进一步地，所述定子的数量为两个，所述轴条位于两定子之间，在转子各圆弧板内壁对应各定子外缘的位置上嵌设有两个磁极组，各磁极组均包括多个围成断续的圆环形的磁极，且各磁极组分别位于各定子径向的外部。

进一步地，各圆弧板上分别设置一凹槽，各轴条套对应设置在各圆弧板的凹槽内，且各轴条套沿圆弧板径向向内伸出圆弧板。

进一步地，所述轴条和所述圆筒都为纤维复合材质，各轴条中部向其宽度方向的两侧撑开形成一供所述转轴穿过的通孔，各轴条依次穿过转轴并重叠套装在转轴上。

进一步地，各轴条的末端在同一平面上。

进一步地，所述转轴在对应轴条厚度方向的一侧设置一卡环，所述卡环上开设多个供各轴条卡入的卡槽。

进一步地，所述转轴在对应轴条厚度方向的另一侧设置有一限位环。

本实用新型的有益技术效果在于：本实用新型的高速电机的转子通过将金属轮毂分成几个圆弧板，并在轮毂外面套一个复合材料圆筒，然后在金属圆弧板上加工一个沿径向方向的小套筒，套住从轴心伸出来的轴条，整个转子组件由转轴带动轴条旋转，由轴条通过圆弧板上的小套筒带动圆弧段旋转，在高速旋转时，这些圆弧板互相没有力的联系，它们的离心力全部压在紧贴着的圆筒的内壁，而这些压力将转化为这些圆弧板跟圆筒内壁的摩擦力，从而带动圆筒旋转，使转子承受更高的转速，而不存在轮毂强度不够以及轮毂与圆筒松脱的问题，同时，轮毂本身还可以压迫圆筒内层，使其向外膨胀，从而使圆筒的外层和内层的膨胀量趋于一致，削弱了圆筒在高速下的内外层开裂现象。

附图说明

图1为本实用新型高速电机转子的轴向剖视示意图。

图2为本实用新型高速电机转子的径向剖视示意图。

图3为最底层的轴条的剖视图。

图4为本实用新型高速电机第一实施例的轴向剖视示意图。

图5为本实用新型高速电机第二实施例的轴向剖视示意图。

图6为本实用新型高速电机第三实施例的轴向剖视示意图。

图7为本实用新型高速电机第四实施例的轴向剖视示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2，本实用新型高速电机的转子包括：一圆筒1、一套装在圆筒1内的轮毂2、与轮毂2连接的轴条4以及转轴3。圆筒1为高强度的纤维复合材质，轮毂2为金属材质，圆筒1套设在轮毂2的外壁以帮助轮毂2承受离心力。轮毂2由多段圆弧板21拼合而成，在各圆弧板21的内壁上设置一轴条套22，轴条4与转轴3相连并沿轮毂2的径向分布，各轴条4的自由端分别插装在各圆弧板21的轴条套22内并与轴条套22在轮毂2的径向过盈配合。

轴条套22可凸出设置在圆弧板21内壁上，也可嵌设在圆弧板21上。本实施例种采用嵌设的方式，即：在轮毂2的各圆弧板21上分别设置一凹槽，各轴条套对应设置在各圆弧板21的凹槽内，且各轴条套22沿圆弧板21径向向内伸出圆弧板21。

各轴条4的中部交叉贯穿轮毂2的直径方向，使得每根轴条4的两端分别对应压紧一个圆弧板21。各轴条4中部分别具有一与轮毂2同轴的穿轴孔41，转轴3依次穿过各轴条4的穿轴孔并将各轴条22层叠套装在其上。为了避免轴条4材质在穿轴孔41处断裂而影响其强度，此处穿轴孔41由各轴条4中部向其宽度方向的两侧撑开形成。

各轴条4层叠在一起时，应使除最底层轴条4之外的其他各轴条的中部均沿轴向拱起，且拱起的幅度由内到外依次变大，最底层轴条的一侧保持水平，另一侧中部沿轴向向外凸出（参阅图3），使最底层轴条4的凸出部分重叠在次底层轴条4的拱起背面位置，从而保证各轴条4的末端都处于同一平面上。

转轴3在对应轴条4厚度方向的一侧设置一卡环5，卡环5可一体成型在转轴3上，也可套设在转轴3上，然后通过在转轴3上设置凸台31来限制卡环5轴向移动。该卡环5上开设多个供各轴条4卡入的卡槽（未图示），转轴3在对应轴条4厚度方向的另一侧设置有一限位环9，卡环5与限位环9一起限制轴条4的轴向移动，并通过卡环5的卡槽传递扭矩使轴条4和转轴3一起转动。

由于轴条4与轮毂2之间通过轴条套22连接，轴条套22与轴条4之间是活动套接，在这种情况下，轴条4本身的离心力需要轴条4自身来承受，与圆筒1和分割圆弧形轮毂2都无关。在高转速下，轴条4的圆心处应力最大，等于(1/2)*(密度)*（外端线速度的平方）。当转速相当高时，例如轴条4外端线速度达到1000米/秒，此时如果使用钢，应力约为3900兆帕，会将轴条撕裂，如果使用铝合金，应力约为1350兆帕，也会将轴条断裂，使用玻璃纤维，应力约为1200兆帕，则轴条比较安全，如果使用碳纤维复合材料，应力为800兆帕，非常安全。所以，本实用新型的轴条4采用高强度纤维复合材料，纤维要贯穿轴条4的整个长度方向，轴条两端的离心力均由高强度复合材料轴条内部承受，与外界无关，而纤维复合材料轴条的强度非常高，足够承受轴条两端的离心力。

在制作纤维复合材料轴条时，需要把纤维顺序层叠。例如每根轴条要铺20层纤维，那么应该先铺A轴条的第1层，即A1，再铺B1、C1……，然后铺A2、B2、C2……这样顺序层叠以后，每根轴条的末端都在同一水平面上，厚度相等，而轴心处的复合材料的总厚度就等于轴条厚度乘以轴条数（因为每一层纤维都要过轴心）。

装配时，轴条4末端以一定的过盈量沿径向顶住轴条套22底部，从而使圆弧板21紧贴圆筒1，形成初始摩擦力，保证轮毂2的稳定性。轴条4尽量选用弹性模量较低的纤维，使其在高速旋转下的膨胀量较大，再加上装配时的过盈量，这样就可以保证轴条4末端永远顶住圆弧板21的轴条套22，从而不让圆筒1在径向晃动，进一步确保整个转子的稳定性。

图4-图7为上述转子组件（包括圆筒1、轮毂2、转轴3以及轴条4等）应用在具有四种不同定子结构的高速电机上的示意图，下面结合附图详细介绍各实施例中的定子结构，各实施例中的转子组件的结构与上述结构相同，此处不再赘述。

图4为单定子盘式电机的轴向剖视图，该盘式电机包括一组定子6，定子6被包围在转子2里面，在转子2的外面具有一机壳7，机壳7同时起到真空隔离作用（以减少空气阻力）和保护作用（防止高速转子伤及人员和物体），该定子6通过一定子支架61与机壳7固定在一起。转轴3通过轴承安装在机壳7上并伸出机壳7，为了保证轴承位置的密封性，通常需要用磁流体密封方式进行真空动密封。在转子各圆弧板21的内壁上设有一凸出于圆弧板21内壁的凸台23，各圆弧板21上的凸台23围成一连续的圆环形凸台组，各凸台23沿径向设置一开口向内的卡槽231，定子6的外缘收容在该凸台组的各凸台23卡槽231中。磁极8设置在卡槽231槽壁对应定子6外缘厚度方向的两外表面位置。

图5为双定子盘式电机的轴向剖视图，该盘式电机包括两组定子6，轴条4位于两组定子6之间，在转子各圆弧板21的内壁上设有两个凸出于圆弧板21内壁的凸台23，所有圆弧板21上的凸台围成两个连续的圆环形凸台组，各凸台23沿径向均开设一开口向内的卡槽231，两定子6的外缘分别收容在两凸台组的各凸台23卡槽231内。磁极8分别设置在各凸台23卡槽231槽壁对应定子6外缘厚度方向两外表面的位置。

显然，上述图4中的单定子盘式电机也可在各圆弧板21的内壁上设置两个或两个以上凸台23，使多个凸台23围成一断续的圆环形，其同样能达到上述图4所示单定子盘式电机的效果。同理，上述图5中的双定子盘式电机也可在各圆弧板21的内壁上设置多个凸台，使所有圆弧板21上的凸台23围成一两个断续的圆环形，其同样能达到上述图5所示双定子盘式电机的效果。

图6为单定子环式电机的轴向剖视图，其具有一组定子6，与上述单定子盘式电机不同的是，本实施例中的各磁极8嵌设在圆弧板21内壁对应定子6外缘的位置，所有圆弧板2上的磁极8围成一断续的环形，且各磁极8均位于定子6径向的外部。

图7为双定子环式电机的轴向剖视图，其具有两组定子6，轴条4位于两组定子6之间，在圆弧板21内壁对应各定子6外缘的位置上嵌设有两个磁极组，各磁极组均包括多个围成断续环形的磁极8，且各磁极组分别位于各定子6径向的外部。

以上所述仅为本实用新型的较佳可行实施例，并非限制本实用新型的保护范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高速电机，包括：放置在真空机壳中定子和转子，转子设置在定子的外面，其特征在于，所述转子包括：一圆筒、一套装在圆筒内的轮毂、多根与轮毂连接的轴条以及转轴，轮毂由多段圆弧板拼合而成，在各圆弧板的内壁上分别设置一轴条套，各轴条的自由端分别插装在各圆弧板的轴条套内并与轴条套在轮毂的径向过盈配合。

2.如权利要求1所述的高速电机，其特征在于，所述定子的数量为一个，在转子各圆弧板的内壁上设有至少一凸出于内壁的凸台，各凸台围成一连续或断续的圆环形凸台组，各凸台沿径向开设一开口向内的卡槽，所述定子的外缘收容在所述凸台组的各凸台卡槽内，且，各凸台卡槽槽壁对应定子外缘厚度方向的两外表面的位置均设置有多个呈环形分布的磁极。

3.如权利要求1所述的高速电机，其特征在于，所述定子的数量为两个，所述轴条位于两定子之间，在转子各圆弧板的内壁上设有至少两凸出于内壁的凸台，所有圆弧板上的凸台围成两个连续或断续的圆环形凸台组，各凸台沿径向开设一开口向内的卡槽，两定子的外缘分别对应收容在两凸台组的各凸台卡槽内，且，每个凸台卡槽槽壁对应定子外缘厚度方向的两外表面的位置均设置有多个排布成环形的磁极。

4.如权利要求1所述的高速电机，其特征在于，所述定子的数量为一个，在转子各圆弧板内壁对应定子外缘的位置上嵌设有多个磁极，所述多个磁极围成一个断续的圆环形磁极组，所述磁极组位于所述定子径向的外部。

5.如权利要求1所述的高速电机，其特征在于，所述定子的数量为两个，所述轴条位于两定子之间，在转子各圆弧板内壁对应各定子外缘的位置上嵌设有两个磁极组，各磁极组均包括多个围成断续的圆环形的磁极，且各磁极组分别位于各定子径向的外部。

6.如权利要求1所述的高速电机，其特征在于，各圆弧板上分别设置一凹槽，各轴条套对应设置在各圆弧板的凹槽内，且各轴条套沿圆弧板径向向内伸出圆弧板。

7.如权利要求1所述的高速电机，其特征在于，所述轴条和所述圆筒都为纤维复合材质，各轴条中部向其宽度方向的两侧撑开形成一供所述转轴穿过的通孔，各轴条依次穿过转轴并重叠套装在转轴上。

8.如权利要求1所述的高速电机，其特征在于，各轴条的末端在同一平面上。

9.如权利要求1所述的高速电机，其特征在于，所述转轴在对应轴条厚度方向的一侧设置一卡环，所述卡环上开设多个供各轴条卡入的卡槽。

10.如权利要求9所述的高速电机，其特征在于，所述转轴在对应轴条厚度方向的另一侧设置有一限位环。

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