CN107171524A - 一种筒式双气隙外转子无铁芯电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种筒式双气隙外转子无铁芯电机，包括外转子组件和内定子组件，外转子组件包括电机壳体、位于电机壳体内的外层筒形磁轭、内层筒形磁轭和安装于外层筒形磁轭上的若干外层永磁体、安装于内层筒形磁轭上的若干内层永磁体；内定子组件包括电机轴和套装于电机轴上的筒形无铁芯线圈，筒形无铁芯线圈位于外层永磁体和内层永磁体之间；电机包括真空超导模块，真空超导模块包括绕制筒形无铁芯线圈的空心导线和空心导线连接的聚热包，空心导线和聚热包内灌注有超导液。无铁芯线圈的热量瞬间传递给聚热包,可被迅速降温，散热效率高，本发明的散热方式能够满足无铁芯线圈的散热需求。

Description

一种筒式双气隙外转子无铁芯电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体地说，是涉及一种筒式双气隙外转子无铁芯电机。

背景技术

随着世界范围内能源的日益匮乏，能源的有效利用越来越得到重视，而发电机和电动机是当代能源设备发展的重中之重，节能环保是急需解决的关键问题。异步电机、励磁同步电机是目前最通用的电机，他们都是双铁损耗，铜损耗，实际效率只有60-70%，能耗比较高。永磁同步电机比上两款电机效率和节能方面稍好一些，但还是不理想，具有铜损和铁损双损耗，还有很大的永磁磁阻，表面上看来是永磁体与铁芯结构会比较节能，但是定子和转子之间产生的永磁磁阻又将节能电力给损耗掉了，更不用说实现直驱了。无铁芯电机的发展是目前最节能的电机技术,它的结构只有铜损耗。无铁芯电机和以上其他电机相比较效率很高，但是目前应用较少，关键问题是电机的冷却问题无法解决,阻碍着无铁芯电机的应用。特别是双气隙无铁芯电机，定子绕组被双转子夹在中间，给电机散热带来非常高的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种筒式双气隙外转子无铁芯电机，解决了现有无铁芯电机冷却的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种筒式双气隙外转子无铁芯电机，所述电机包括外转子组件和内定子组件，所述外转子组件包括电机壳体、位于所述电机壳体内的外层筒形磁轭、内层筒形磁轭和安装于所述外层筒形磁轭上的若干外层永磁体、安装于内层筒形磁轭上的若干内层永磁体；所述内定子组件包括电机轴和套装于所述电机轴上的筒形无铁芯线圈，所述筒形无铁芯线圈位于所述外层永磁体和内层永磁体之间；所述电机包括真空超导模块，所述真空超导模块包括绕制所述筒形无铁芯线圈的空心导线和所述空心导线连接的聚热包，所述空心导线和聚热包内灌注有超导液。

如上所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，所述电机包括用于安装筒形无铁芯线圈的安装座，所述安装座固定安装于所述电机轴上，所述安装座内设置有水流通道，所述真空超导模块与所述安装座进行热交换。

如上所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，所述安装座内的水流通道为Ω型，所述水流通道的位置与所述筒形无铁芯线圈的位置相对。

如上所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，所述安装座包覆所述聚热包，所述聚热包的位置与所述水流通道的位置相对。

如上所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，所述安装座上连接有与水流通道连连通的进水管和出水管，所述电机轴具有中空腔体，所述电机轴上开设有通孔，所述进水管和出水管穿过所述通孔后通过所述中空腔体引出。

如上所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，所述电机包括液冷***，所述液冷***包括水流通道、控制器、温度传感器、冷媒循环泵、冷媒循环管路和散热器；所述冷媒循环管路与所述水流通道连通，所述温度传感器用于检测所述无铁芯线圈的温度并发送至所述控制器，所述控制器用于输出控制信号至所述冷媒循环泵和散热器。

如上所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，所述外层筒形磁轭和所述内层筒形磁轭上均设置有若干与所述电机轴同轴的转子导磁环，所述导磁环的轴向上设置有若干导磁条，所述转子导磁环和导磁条形成若干网格，所述外层永磁***于所述外层筒形磁轭的网格内，且所述外层永磁体的磁极在同一轴线上相同在周向上交替分布，所述内层永磁***于所述内层筒形磁轭的网格内，且所述内层永磁体的磁极在同一轴线上相同在周向上交替分布；所述内定子组件包括定子导磁环，所述无铁芯线圈绕制在所述定子导磁环上，所述定子导磁环与所述与转子导磁环的位置相对。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明无铁芯电机包括真空超导模块，真空超导模块包括绕制筒形无铁芯线圈的空心导线和与空心导线连通的聚热包，空心导线和聚热包内灌注有超导液，电机在工作时，线圈通过电流产生的热量直接通过超导液导给聚热包，无铁芯线圈的热量瞬间传递给聚热包,无铁芯线圈的热量只剩下很微小的热量。因而，无铁芯线圈的产生的热量可被迅速降温，散热效率高，本发明的散热方式能够满足无铁芯线圈的散热需求。

本发明电机大大缩小了体积,减少了重量,完全无磁阻、效率高、扭矩大、过载力强、体积小、重量轻。本发明与现有技术相比省去了100%的锡钢片，省去了30-40%铜材，装配无磁力干扰。在机械应用上，可以省去了齿轮箱结构，完全实现直驱。本发明大大简化了机械结构，电机的效率提高到98%以上。可用在航天、船舶、潜艇、工业设备、新能源汽车、风力发电、温差发电等领域。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明具体实施例电机的剖视图。

图2为本发明具体实施例电机的分解图。

图3为本发明具体实施例永磁体与转子导磁环的示意图。

图4为本发明具体实施例线圈的示意图。

图5为本发明具体实施例水流通道内的水流方向示意图。

图6为本发明具体实施例真空超导模块部分的示意图。

图7为本发明具体实施例液冷***的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

如图1-2所示，本实施例提出了一种筒式双气隙外转子无铁芯电机，电机包括内定子组件和外转子组件。

外转子组件包括电机壳体101、位于电机壳体101两端的端盖106、位于电机壳体101内的外层筒形磁轭1021和安装于外层筒形磁轭1021上的若干外层永磁体1031、位于电机壳体101内的内层筒形磁轭1022和安装于内层筒形磁轭1022上的若干内层永磁体1032。端盖106与电机壳体101固定安装，外层筒形磁轭1021与内层筒形磁轭1022均安装于端盖106上，外层筒形磁轭1021与内层筒形磁轭1022同轴，外层永磁体1031位于外层筒形磁轭1021的内壁上，内层永磁体1032位于内层筒形磁轭1022的外壁上，外层永磁体1031与内层永磁体1032相对，且外层永磁体1031的N极与内层永磁体1032的S极相对，外层永磁体1031的S极与内层永磁体1032的N极相对。并且，外层永磁体1031的磁极在同一轴线上相同，即在同一轴线上均为N极或均为S极，在周向上N极和S极交替分布。内层永磁体1032的磁极在同一轴线上相同，即在同一轴线上均为N极或均为S极，在周向上N极和S极交替分布。

内定子组件包括电机轴201、套装于电机轴201上的筒形无铁芯线圈203和用于安装筒形无铁芯线圈203的安装座202。其中，筒形无铁芯线圈203安装于安装座202上，安装座202固定安装于电机轴201上，筒形无铁芯线圈203位于外层永磁体1031和内层永磁体1032之间。

电机壳体101与端盖106固定连接，端盖106和电机轴201之间通过轴承3连接，电机壳体101和电机轴201之间通过轴承3实现相对转动。电机壳体101、端盖106和磁轭、永磁体同步与电机轴201和无铁芯线圈203发生相对转动，也即外层永磁体1031、内层永磁体1032与无铁芯线圈203相对转动时，无铁芯线圈203做切割磁感线运动产生电流，此时，电机为发电机。当无铁芯线圈203通电时，定子组件产生的电磁场与转子组件的外层永磁体1031和内层永磁体1032发生相互作用力，驱动电机轴201与电机壳体101发生相对转动，此时，电机为电动机。电机包括旋转变压器9，旋转变压器9的转轴固定连接在端盖106上，用于检测转子组件和定子组件相对应的角度。

电机壳体101为金属材质，有屏蔽磁场的作用，防止磁场外漏。

为了实现电机的冷却，本实施例的电机包括真空超导模块，如图6所示，真空超导模块包括绕制筒形无铁芯线圈203的空心导线51和与空心导线51连接的聚热包52，空心导线51包括金属芯体和包裹金属芯体的绝缘层，金属芯体为空心结构，空心导线51的空心结构和聚热包52内灌注有超导液。具体的，空心导线51的金属芯体采用空心结构，金属芯体的空心结构连接有聚热包52，金属芯体经模具压型，抽出真空，注入超导液后把聚热口封好，再经绝缘工艺处理形成绝缘层后装入筒形非铁导磁件204，然后浇铸高分子材料，高分子材料优选纳米材料，聚热包52位于筒形无铁芯线圈203的一端或两端。当电机在运行时，空心导线51有大电流通过时，产生的热量就会瞬间膨胀反应，热量导给聚热包52。

为了对聚热包52的热量进行快速散热，如图1所示，本实施例安装座202内设置有水流通道2021，真空超导模块与安装座202进行热交换。优选的，水流通道2021为Ω型，水流通道2021的位置与筒形无铁芯线圈203的位置相对。优选的，聚热包52与安装座202接触，并且聚热包52的位置与Ω型水流通道2021的位置相对，进一步的，安装座202包覆聚热包52，聚热包52的位置与水流通道2021的位置相对。真空超导模块与安装座202进行热交换。聚热包52直接与安装座202接触，聚热包52的热量迅速传递至安装座202的水流通道2021，热量被安装座202水流通道2021内的冷却液循环导出。

安装座202上连接有与水流通道2021连通的进水管61和出水管62。电机轴201具有中空腔体2011，电机轴201上开设有通孔2012，进水管61和出水管62穿过通孔2012后通过中空腔体2011引出。如图5所示，为安装座202内的水流方向示意图。

如图7所示，本实施例的电机包括液冷***，液冷***包括位于安装座202内的水流通道2021、控制器、温度传感器、冷媒循环泵，冷媒循环管路和散热器；冷媒循环管路与安装座202的进水管61和出水管62相接，冷媒循环泵和散热器位于冷媒循环管路上。温度传感器用于检测无铁芯线圈的温度并发送至控制器，控制器用于输出控制信号至冷媒循环泵和散热器。在温度传感器检测无铁芯线圈的温度高于设定温度时，控制器控制冷媒循环泵和散热器工作，以快速降低无铁芯线圈的温度，在温度传感器检测无铁芯线圈的温度低于设定温度时，说明无铁芯线圈产生的热量不多，此时，控制器控制冷媒循环泵和散热器停止工作。优选在冷媒循环管路上连接有用于储藏冷媒的储液罐。

为了提高电机效率，本实施例对外层永磁体1031、内层永磁体1032的安装方式和无铁芯线圈203的安装方式进行了改进：

如图1、2、3所示，外层筒形磁轭1021呈筒状，采用高导磁金属材料加工而成，外层筒形磁轭1021的内表面设置有多个转子导磁环定位槽，在外层筒形磁轭1021上设置有若干与电机轴101同轴的转子导磁环104，转子导磁环104安装于导磁环定位槽，转子导磁环104的材质为金属。转子导磁环104的轴向上设置有若干导磁条105，转子导磁环104和导磁条105形成若干网格，外层永磁体1031位于网格内，且外层永磁体1031的磁极在同一轴线上相同，即在同一轴线上均为N极或均为S极，在周向上N极和S极交替分布。

转子导磁环104、导磁条105和外层永磁体1031贴装于外层筒形磁轭1021上，具体的，转子导磁环104、导磁条105和外层永磁体1031可通过高分子材料粘贴于外层筒形磁轭1021上，导磁条105压装在外层永磁体1031和转子导磁环104上，导磁条105通过螺钉固定在外层筒形磁轭1021上。转子导磁环104、导磁条105和外层永磁体1031的安装方式为：先在外层筒形磁轭1021上安装一个转子导磁环104，再贴装一圈与转子导磁环104邻接的外层永磁体1031，在贴装一个与外层永磁体1031邻接的转子导磁环104，在安装导磁条105，将外层永磁体1031和转子导磁环104压装在外层筒形磁轭1021上；再继续贴装外层永磁体1031、转子导磁环104、导磁条105，依次循环，安装完成后，再用高分子材料浇铸。

内层筒形磁轭1022呈筒状，采用高导磁金属材料加工而成，内层筒形磁轭1022的外表面设置有多个转子导磁环定位槽，在内层筒形磁轭1022上设置有若干与电机轴101同轴的转子导磁环104，转子导磁环104安装于导磁环定位槽，转子导磁环104的材质为金属。转子导磁环104的轴向上设置有若干导磁条105，转子导磁环104和导磁条105形成若干网格，内层永磁体1032位于网格内，且内层永磁体1032的磁极在同一轴线上相同，即在同一轴线上均为N极或均为S极，在周向上N极和S极交替分布。

转子导磁环104、导磁条105和内层永磁体1032贴装于内层筒形磁轭1022上，具体的，转子导磁环104、导磁条105和内层永磁体1032可通过高分子材料粘贴于内层筒形磁轭1022上，导磁条105压装在内层永磁体1032和转子导磁环104上，导磁条105通过螺钉固定在内层筒形磁轭1022上。转子导磁环104、导磁条105和内层永磁体1032的安装方式为：先在内层筒形磁轭1022上安装一个转子导磁环104，再贴装一圈与转子导磁环104邻接的内层永磁体1032，在贴装一个与内层永磁体1032邻接的转子导磁环104，在安装导磁条105，将内层永磁体1032和转子导磁环104压装在内层筒形磁轭1022上；再继续贴装内层永磁体1032、转子导磁环104、导磁条105，依次循环，安装完成后，再用高分子材料浇铸。

外转子组件由外层筒形磁轭1021、内层筒形磁轭1022、转子导磁环104、外层永磁体1031、内层永磁体1032、导磁条105和高分子材料组成。相邻永磁体之间被转子导磁环104和导磁条105隔开，具体的，N极和S极之间通过导磁条105隔开，N极和N极之间或者S极和S极之间通过转子导磁环104隔开。相邻的同性N极和N极永磁体103之间，相邻的同性S极和S极之间都有转子导磁环104相隔，这样，既能使N极和N极，S极和S极之间的排斥变为吸合，又能够将排斥的磁场导岀，导出后提高了永磁体204径向磁通量。相邻的异性N极和S极之间，设有导磁条105，导磁条105使N极和S极之间的极性清楚分隔又起到固定作用，转子导磁环104和导磁条105形成导磁网格。

本实施例外转子组件是双层永磁体结构，由于采用导磁网格，使每对磁极的磁力线形成焦点，对准并穿透内定子组件的导磁网格，使内层永磁体N极和外层永磁体的S极形成磁回路，使内层永磁体S极和外层永磁体的N极形成磁回路，成为永磁体独立的组合式导磁网结构高导磁转子。使每组磁极的磁通量比其他永磁电机的转子磁通量提高很多，极大降低了材料成本。

转子导磁环104采用金属材质，导磁条105采用合金材质，永磁体103为稀土钕铁硼、钐钴永磁或铝镍钴永磁体，永磁体103可以为长方体或长瓦形形状或梯形。

如图4所示，内定子组件包括与磁轭上的转子导磁环104对应的定子导磁环205，定子导磁环205的数量与外层筒形磁轭1021或内层筒形磁轭1022的转子导磁环104的数量相同，定子导磁环205的位置和外层筒形磁轭1021或内层筒形磁轭1022位置相对应。定子导磁环205为非铁合金材料。具体的，空心导线51绕制在定子导磁环205上并浇铸高分子材料后形成无铁芯线圈203。

内定子组件是由真空超导空心导线51、定子导磁环205，高分子材料等组成。每个磁极由定子导磁环205、空心导线51相连形成，称为导磁网格。外转子组件的导磁网格的每格与内定子组件导磁网格的每格具有准确的定位。外转子组件的每组导磁网格的磁极N、S极之间与内定子组件导磁网格在径向上相对应的S、N极的关系是很准确的。发电时，转子转动与定子切割磁力线，定子绕组产生感应电动势输出感应电流。电动时，通过旋转变压器感应到转子导磁网格与定子导磁网格中的每对磁极的准确位置发给指令给电机控制器，从而控制转子旋转。

本实施例的导磁网格，进一步优化了磁场结构，用永磁体重量可大大减少，在同功率下与其他永磁体结构的无铁芯电机相比，永磁体用量只有一半，极大的降低了电机的制造成本。

本实施例定子组件没有采用铁质材料，在定子组件上没有永磁体103可以直接吸合的位置，磁力线穿透定子导磁网格，使通过定子上的导磁网格产生更大的磁场，磁阻为零，没有多余的损耗，只有定子绕组本身的铜损而已，能够发挥更大的做功效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种筒式双气隙外转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括外转子组件和内定子组件，所述外转子组件包括电机壳体、位于所述电机壳体内的外层筒形磁轭、内层筒形磁轭和安装于所述外层筒形磁轭上的若干外层永磁体、安装于内层筒形磁轭上的若干内层永磁体；所述内定子组件包括电机轴和套装于所述电机轴上的筒形无铁芯线圈，所述筒形无铁芯线圈位于所述外层永磁体和内层永磁体之间；所述电机包括真空超导模块，所述真空超导模块包括绕制所述筒形无铁芯线圈的空心导线和所述空心导线连接的聚热包，所述空心导线和聚热包内灌注有超导液。

2.根据权利要求1所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括用于安装筒形无铁芯线圈的安装座，所述安装座固定安装于所述电机轴上，所述安装座内设置有水流通道，所述真空超导模块与所述安装座进行热交换。

3.根据权利要求2所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，其特征在于，所述安装座内的水流通道为Ω型，所述水流通道的位置与所述筒形无铁芯线圈的位置相对。

4.根据权利要求3所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，其特征在于，所述安装座包覆所述聚热包，所述聚热包的位置与所述水流通道的位置相对。

5.根据权利要求2所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，其特征在于，所述安装座上连接有与水流通道连连通的进水管和出水管，所述电机轴具有中空腔体，所述电机轴上开设有通孔，所述进水管和出水管穿过所述通孔后通过所述中空腔体引出。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括液冷***，所述液冷***包括水流通道、控制器、温度传感器、冷媒循环泵、冷媒循环管路和散热器；所述冷媒循环管路与所述水流通道连通，所述温度传感器用于检测所述无铁芯线圈的温度并发送至所述控制器，所述控制器用于输出控制信号至所述冷媒循环泵和散热器。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的筒式双气隙外转子无铁芯电机，其特征在于，所述外层筒形磁轭和所述内层筒形磁轭上均设置有若干与所述电机轴同轴的转子导磁环，所述导磁环的轴向上设置有若干导磁条，所述转子导磁环和导磁条形成若干网格，所述外层永磁***于所述外层筒形磁轭的网格内，且所述外层永磁体的磁极在同一轴线上相同在周向上交替分布，所述内层永磁***于所述内层筒形磁轭的网格内，且所述内层永磁体的磁极在同一轴线上相同在周向上交替分布；所述内定子组件包括定子导磁环，所述无铁芯线圈绕制在所述定子导磁环上，所述定子导磁环与所述与转子导磁环的位置相对。