CN107134889A - 一种筒式外转子无铁芯电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种筒式外转子无铁芯电机，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、位于电机壳体内的筒形磁轭和安装于磁轭上的若干永磁体；内定子组件包括电机轴和筒形无铁芯线圈；电机包括真空超导模块，真空超导模块与筒形无铁芯线圈接触，用于将筒形无铁芯线圈产生的热量导出。真空超导模块与筒形无铁芯线圈接触，将筒形无铁芯线圈产生的热量导出，无铁芯线圈的热量瞬间传递给真空超导模块,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。

Description

一种筒式外转子无铁芯电机

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种筒式外转子无铁芯电机，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筒形磁轭和安装于所述磁轭上的若干永磁体；所述内定子组件包括电机轴和筒形无铁芯线圈；所述电机包括真空超导模块，所述真空超导模块与所述筒形无铁芯线圈接触，用于将所述筒形无铁芯线圈产生的热量导出。

如上所述的筒式外转子无铁芯电机，所述真空超导模块包括超导管和位于所述超导管端部的聚热包，所述超导管和聚热包内灌注有超导液。

如上所述的筒式外转子无铁芯电机，所述电机包括套装于所述电机轴上的冷却水道，所述真空超导模块与所述冷却水道进行热交换。

如上所述的筒式外转子无铁芯电机，所述冷却水道为筒形，所述冷却水道内有水流通道，所述冷却水道上连接有与所述水流通道连通的进水管和出水管。

如上所述的筒式外转子无铁芯电机，所述电机轴具有中空腔体，所述冷却水道套装于所述电机轴的外壁上，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。

如上所述的筒式外转子无铁芯电机，所述电机包括导热盘，所述导热盘与所述真空超导模块和所述冷却水道接触。

如上所述的筒式外转子无铁芯电机，所述导热盘包覆所述聚热包。

如上所述的筒式外转子无铁芯电机，所述电机包括液冷系统，所述液冷系统包括水流通道、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。

如上所述的筒式外转子无铁芯电机，所述磁轭上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，所述永磁体位于所述网格内，且所述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无铁芯线圈和与所述磁轭上的转子导磁环对应的定子导磁环，所述无铁芯线圈绕制在所述定子导磁环上。

如上所述的筒式外转子无铁芯电机，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。

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，真空超导模块与筒形无铁芯线圈接触，将筒形无铁芯线圈产生的热量导出，无铁芯线圈的热量瞬间传递给真空超导模块,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冷却水道部分剖视图。

图4为本发明具体实施例永磁体与磁轭部分的示意图。

图5为本发明具体实施例绕组与导热盘分解示意图。

图6为本发明具体实施例线圈与真空超导模块的示意图。

图7为本发明具体实施例线圈与真空超导模块的分解图。

图8为本发明具体实施例液冷系统的原理图。

图9为本发明具体实施例水流通道内水流方向的示意图。

图10为本发明另一具体实施例电机的剖视图。

图11为本发明另一具体实施例水流通道内水流方向的示意图。

图12为本发明另一具体是实施例定子绕组的示意图。

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。

实施例一

如图1-2所示，本实施例提出了一种筒式单气隙外转子无铁芯电机，本实施例以电机为轮毂电机为例进行说明，电机包括内定子组件和外转子组件。

内定子组件包括电机轴101和依次套装于电机轴101上的筒形冷却水道102、筒形非铁导磁件103、筒形真空超导模块108和筒形无铁芯线圈104。真空超导模块108与筒形无铁芯线圈104接触，将筒形无铁芯线圈104产生的热量导出。

外转子组件包括电机壳体201、位于电机壳体201两端的端盖8、位于电机壳体201内的筒形磁轭202和安装于磁轭202上的若干永磁体203。

电机壳体201与端盖8固定连接，端盖8和电机轴101之间通过轴承3连接，电机壳体201和电机轴101之间通过轴承3实现相对转动。电机壳体201、筒形磁轭202和永磁体203同步绕电机轴101转动，也即永磁体203绕无铁芯线圈104转动时，无铁芯线圈104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104通电时，无铁芯线圈104产生的电磁场与永磁体203发生相互作用力，驱动电机轴101与电机壳体201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8上，用于检测转子组件和定子组件相对应的角度。

电机壳体201为金属材质，有屏蔽磁场的作用，防止磁场外漏。

本实施例的电机轴101安装于汽车悬挂系统上，电机壳体201安装于汽车轮毂上41上，轮毂41上安装有轮胎42。电机包括刹车装置10和安装连接板11，电机通过安装连接板11安装至汽车悬挂系统上。

本实施例的无铁芯线圈104由实心导线绕制而成，实心导线可以为现有的普通导线。为了实现电机的冷却，如图6、7所示，本实施例的真空超导模块108形成筒形并与无铁芯线圈104接触，以吸收无铁芯线圈104产生的热量并导出。

具体的，真空超导模块108包括超导管1081和位于超导管1081端部的聚热包1082，超导管1081和聚热包1082内灌注有超导液。超导管1081和聚热包1082经模具压型抽出真空并灌注超导液。聚热包1082位于超导管1081的一端或两端，当电机在运行时，无铁芯线圈104有大电流通过时，产生的热量传递给真空超导模块108的超导管1081，超导管1081的超导液瞬间膨胀反应，热量导给聚热包1082。

为了对聚热包1082的热量进行快速散热，本实施例的电机包括安装于电机轴上的筒形冷却水道102，真空超导模块与冷却水道102进行热交换。具体的，如图3所示，冷却水道102为筒形，冷却水道102内有S型的水流通道，冷却水道102上连接有与水流通道连通的进水管61和出水管62。如图9所示，为冷却水道102内的水流方向示意图。

如图1所示，本实施例的电机轴101具有中空腔体105，冷却水道102套装于电机轴101的外壁上，电机轴101上开设有通孔106，进水管61和出水管62穿过通孔106后通过中空腔体105引出。

为了进一步加快热量传递，电机包括导热盘7，导热盘7套装在电机轴101上，导热盘7与真空超导模块和冷却水道102接触。优选的，如图5所示，导热盘7包覆聚热包1082，以加快与聚热包1082的热量传递。因而，聚热包1082的热量通过导热盘7迅速传递至冷却水道102上，由冷却水道102内的冷却液循环导出。当电机在运行时，无铁芯线圈104有大电流通过时，产生的热量会传导至真空超导模块108上，真空超导模块108的超导管1081立即膨胀反应，热量导给聚热包1082，包覆在聚热包1082上的导热盘7将热量传递到冷却水道102的S型水流通道，经冷却液循环导岀。

如图8所示，本实施例的电机包括液冷系统，液冷系统包括位于电机壳体201内的水流通道、控制器、温度传感器、冷媒循环泵，冷媒循环管路和散热器；冷媒循环管路与电机壳体201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，本实施例对永磁体203的安装方式和无铁芯线圈104的安装方式进行了改进：

如图4所示，磁轭202呈筒状，采用高导磁金属材料加工而成，磁轭202的内表面设置有多个转子导磁环定位槽，在磁轭202上设置有若干与电机轴101同轴的转子导磁环204，转子导磁环204安装于导磁环定位槽，转子导磁环204的材质为金属。转子导磁环204的轴向上设置有若干导磁条205，转子导磁环204和导磁条205形成若干网格，磁铁永磁体203位于网格内，且永磁体203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204、导磁条205和永磁体203贴装于磁轭202上，具体的，转子导磁环204、导磁条205和永磁体203可通过高分子材料粘贴于磁轭202上，导磁条205压装在永磁体203和转子导磁环204上，导磁条205通过螺钉固定在磁轭202上。转子导磁环204、导磁条205和永磁体203的安装方式为：先在磁轭202上安装一个转子导磁环204，再贴装一圈与转子导磁环204邻接的永磁体203，在贴装一个与永磁体203邻接的转子导磁环204，在安装导磁条205，将永磁体203和转子导磁环204压装在磁轭202上；再继续贴装永磁体203、转子导磁环204、导磁条205，依次循环，安装完成后，再用高分子材料浇铸。外转子组件由磁轭202、转子导磁环204、永磁体203、导磁条205和高分子材料组成。

相邻永磁体203之间被转子导磁环204和导磁条205隔开，具体的，N极和S极之间通过导磁条205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204隔开。相邻的同性N极和N极永磁体203之间，相邻的同性S极和S极之间都有转子导磁环204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205，导磁条205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204和导磁条205形成导磁网格。

本实施例外转子组件的导磁网格，使每组磁极的磁力线形成焦点，并对并穿透准内定子组件的导磁网格，成为组合式独立永磁高导磁转子。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204采用金属材质，导磁条205采用合金材质，永磁体203为稀土钕铁硼、钐钴永磁或铝镍钴永磁体，永磁体203可以为长方体或长瓦形形状或梯形。

如图5、6、7所示，内定子组件包括筒形非铁导磁件103，筒形非铁导磁件103上具有与磁轭202上的转子导磁环204对应的定子导磁环107，定子导磁环107的数量和位置与转子导磁环204的数量和位置相对应。定子导磁环107为非铁合金材料。具体的，在非铁导磁件上103设置有若干插条，真空超导模块108的超导管1081安装至插条之间，空心导线51绕制在插条内并浇铸高分子材料后形成无铁芯线圈104，定子导磁环107将无铁芯线圈104压装在插条内。

内定子组件是由非铁导磁件103、真空超导模块108、无铁芯线圈104、定子导磁环107，高分子材料等组成。每个磁极由定子导磁环107、绕制无铁芯线圈的导线相连形成，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。

实施例二

如图10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201、位于电机壳体201两端的端盖8、位于电机壳体201内的外层筒形磁轭2021和安装于外层筒形磁轭2021上的若干外层永磁体2031、位于电机壳体201内的内层筒形磁轭2022和安装于内层筒形磁轭2022上的若干内层永磁体2032。端盖8与电机壳体201固定安装，外层筒形磁轭2021与内层筒形磁轭2022均安装于端盖8上，外层筒形磁轭2021与内层筒形磁轭2022同轴，外层永磁体2031位于外层筒形磁轭2021的内壁上，内层永磁体2032位于内层筒形磁轭2022的外壁上，外层永磁体2031与内层永磁体2032相对，且外层永磁体2031的N极与内层永磁体2032的S极相对，外层永磁体2031的S极与内层永磁体2032的N极相对。并且，外层永磁体2031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2032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101、套装于电机轴101上的筒形无铁芯线圈104、真空超导模块和用于安装筒形无铁芯线圈104、真空超导模块的安装座53。其中，筒形无铁芯线圈104安装于安装座53上，安装座53固定安装于电机轴101上，筒形无铁芯线圈104位于外层永磁体2031和内层永磁体2032之间。

电机壳体201与端盖8固定连接，端盖8和电机轴101之间通过轴承3连接，电机壳体201和电机轴101之间通过轴承3实现相对转动。电机壳体201、端盖8和磁轭、永磁体同步与电机轴101和无铁芯线圈203发生相对转动，也即外层永磁体2031、内层永磁体2032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2031和内层永磁体2032发生相互作用力，驱动电机轴101与电机壳体201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8上，用于检测转子组件和定子组件相对应的角度。

真空超导模块与筒形无铁芯线圈104接触，将筒形无铁芯线圈104产生的热量导出。本实施例的真空超导模块的结构与实施例一相同，此处不再赘述。

为了对聚热包1082的热量进行快速散热，如图10所示，本实施例安装座53内设置有水流通道2021，真空超导模块108与安装座53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104的位置相对。优选的，聚热包1082与安装座53接触，并且聚热包1082的位置与Ω型水流通道2021的位置相对，进一步的，安装座53包覆聚热包1082，聚热包1082的位置与水流通道2021的位置相对。真空超导模块与安装座53进行热交换。聚热包1082直接与安装座53接触，聚热包1082的热量迅速传递至安装座53的水流通道2021，热量被安装座53水流通道2021内的冷却液循环导出。

安装座53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101具有中空腔体105，电机轴101上开设有通孔106，进水管61和出水管62穿过通孔106后通过中空腔体105引出。如图11所示，为安装座5内的水流方向示意图。

本实施例外层筒形磁轭与外层永磁体、内层筒形磁轭与内层永磁体的安装方式与实施例一种磁轭与永磁体的安装方式相同，此处不再赘述。

本实施例内定子组件包括与磁轭上的转子导磁环204对应的定子导磁环107，定子导磁环107的数量与外层筒形磁轭2021、内层筒形磁轭2022的转子导磁环204的数量相同，定子导磁环107的位置和外层筒形磁轭2021、内层筒形磁轭2022位置相对应。定子导磁环107为非铁合金材料。具体的，实心导线绕制在定子导磁环107上并浇铸高分子材料后形成无铁芯线圈104。真空超导模块108的超导管1081粘附在无铁芯线圈104上，真空超导模块108和无铁芯线圈104均安装至安装座53上。真空超导模块108的聚热包1082与安装座53接触，安装座53将聚热包1082的热量导出。

本实施例液冷系统与实施例一相同，此处不再赘述。

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 (10)

1.一种筒式外转子无铁芯电机，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筒形磁轭和安装于所述磁轭上的若干永磁体；所述内定子组件包括电机轴和筒形无铁芯线圈；所述电机包括真空超导模块，所述真空超导模块与所述筒形无铁芯线圈接触，用于将所述筒形无铁芯线圈产生的热量导出。

2.根据权利要求1所述的筒式外转子无铁芯电机，其特征在于，所述真空超导模块包括超导管和位于所述超导管端部的聚热包，所述超导管和聚热包内灌注有超导液。

3.根据权利要求2所述的筒式外转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括套装于所述电机轴上的冷却水道，所述真空超导模块与所述冷却水道进行热交换。

4.根据权利要求3所述的筒式外转子无铁芯电机，其特征在于，所述冷却水道为筒形，所述冷却水道内有水流通道，所述冷却水道上连接有与所述水流通道连通的进水管和出水管。

5.根据权利要求4所述的筒式外转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机轴具有中空腔体，所述冷却水道套装于所述电机轴的外壁上，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5所述的筒式外转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括导热盘，所述导热盘与所述真空超导模块和所述冷却水道接触。

7.根据权利要求6所述的筒式外转子无铁芯电机，其特征在于，所述导热盘包覆所述聚热包。

8.根据权利要求4所述的筒式外转子无铁芯电机，其特征在于，所述电机包括液冷系统，所述液冷系统包括水流通道、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。

9.根据权利要求1所述的筒式外转子无铁芯电机，其特征在于，所述磁轭上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，所述永磁体位于所述网格内，且所述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无铁芯线圈和与所述磁轭上的转子导磁环对应的定子导磁环，所述无铁芯线圈绕制在所述定子导磁环上。

10.根据权利要求1-5、8、9任意一项所述的筒式外转子无铁芯电机，其特征在于，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。