一种碟式外转子无铁芯电机的制作方法

本发明涉及电机技术领域，具体地说，是涉及一种碟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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种碟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：

一种碟式外转子无铁芯电机，包括外转子组件和内定子组件，所述外转子组件包括壳体、位于所述壳体内的碟形磁轭和安装于碟形磁轭上的若干永磁体；所述内定子组件包括电机轴和位于所述电机轴上的碟形无铁芯线圈，所述碟形无铁芯线圈与所述永磁体相对；所述电机包括真空超导模块，所述真空超导模块与所述碟形无铁芯线圈接触，用于将所述碟形无铁芯线圈产生的热量导出。

如上所述的碟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。

如上所述的碟式外转子无铁芯电机，所述电机包括用于对所述真空超导模块进行冷却的冷却器，所述冷却器内设置有水流通道。

如上所述的碟式外转子无铁芯电机，所述电机轴包括中空腔体，所述冷却器位于所述中空腔体内，所述真空超导模块的热量通过所述电机轴传递至所述冷却器。

如上所述的碟式外转子无铁芯电机，所述冷却器为圆筒形，所述冷却器贴覆在所述电机轴的内壁上，所述冷却器内具有水流通道，所述冷却器上连接有与所述水流通道连通的进水管和出水管，所述进水管和出水管通过所述中空腔体引出。

如上所述的碟式外转子无铁芯电机，所述冷却器为圆筒形，套装于所述电机轴上，所述真空超导模块的热量传递至所述冷却器。

如上所述的碟式外转子无铁芯电机，所述电机轴具有中空腔体，所述电机轴上设置有通孔，所述冷却器内具有水流通道，所述冷却器上连接有与所述水流通道连通的进水管和出水管，所述进水管和出水管通过所述通孔后从所述中空腔体中引出。

如上所述的碟式外转子无铁芯电机，所述冷却器包括位于聚热包和所述电机轴之间的与所述聚热包接触的第一碟形冷却部和与所述无铁芯线圈贴合的第二碟形冷却部。

如上所述的碟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。

如上所述的碟式外转子无铁芯电机，所述碟形磁轭上均设置有若干与所述电机轴同轴的转子导磁环，所述导磁环的径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碟形磁轭的网格内，且所述永磁体的磁极在同一径向上相同在同一周向上交替分布；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，真空超导模块与碟形无铁芯线圈接触，将碟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1电机的剖视图。

图2为本发明具体实施例1电机的分解图。

图3为本发明具体实施例1、2无铁芯线圈与真空超导模块的示意图。

图4为本发明具体实施例1、2无铁芯线圈与真空超导模块的分解图。

图5为本发明具体实施例1永磁体与转子导磁环的示意图。

图6为本发明具体实施例1冷却器的剖视图。

图7为本发明具体实施例1、2水流通道内的水流方向示意图。

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2电机的剖视图。

图10为本发明具体实施例2电机的分解图。

图11为本发明具体实施例2永磁体与转子导磁环的示意图。

图12为本发明具体实施例2冷却器的示意图。

图13为本发明具体实施例3电机的剖视图。

图14为本发明具体实施例3电机的分解图。

图15为本发明具体实施例3电机的外形图。

图16为本发明具体实施例3冷却器的示意图。

图17为本发明具体实施例3无铁芯线圈的分解图。

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1

如图1-2所示，本实施例提出了一种碟式双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。所谓的外转子，是指内定子组件的电机轴是固定位置，整个内定子组件处于固定位置，外转子组件的壳体是可以转动的，整个外转子组件是可以转动的。

外转子组件包括壳体101、位于壳体101内的至少一对碟形磁轭102和安装于成对碟形磁轭相对面上的若干永磁体103。本实施例包括位于壳体101内的4个碟形磁轭102，相邻两个碟形磁轭102形成一对，4个碟形磁轭102形成3对，每对碟形磁轭102的相对面上均安装有若干永磁体103，且每对碟形磁轭102的相对面上永磁体103中，n极与s极相对，s极与n极相对。并且，同一磁轭102上的永磁体103的磁极在同一径向上相同，即在同一径向上均为n极或均为s极，在同一周向上n极和s极交替分布。

内定子组件包括电机轴201和位于电机轴201上至少一个的碟形无铁芯线圈202。碟形无铁芯线圈202的个数与碟形磁轭102的对数相同。其中，碟形无铁芯线圈202安装于电机轴201上，一对磁轭102相对面的永磁体103之间设置有一个碟形无铁芯线圈202。

一个碟形无铁芯线圈202与两个碟形磁轭102上的永磁体103相对，一个碟形无铁芯线圈202与两个碟形磁轭102和其上的永磁体103组成一组结构的发电或电动模块，一个电机可包括多组发电或电动模块。

电机轴201与壳体101之间通过轴承3连接，电机轴201和壳体101之间通过轴承3实现相对转动。电机轴201和无铁芯线圈202同步与壳体101发生相对转动，也即永磁体103与无铁芯线圈202相对转动时，无铁芯线圈202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202通电时，定子组件产生的电磁场与转子组件的永磁体103发生相互作用力，驱动壳体101与电机轴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的转轴固定连接在壳体101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。

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，轮毂上安装有轮胎。电机包括刹车装置和安装连接板，电机通过安装连接板安装至汽车悬挂系统上。

本实施例的碟形无铁芯线圈202是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3、4所示，本实施例的电机包括真空超导模块5，真空超导模块5形成圆环形并与无铁芯线圈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5包括超导管51和位于超导管51端部的聚热包52，超导管51和聚热包52内灌注有超导液。超导管51和聚热包52经模具压型抽出真空并灌注超导液。聚热包52位于超导管51的一端或两端，超导管51s形弯折并呈圆环形，聚热包52位于圆环形超导管51的内缘。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5的超导管51，超导管51的超导液瞬间膨胀反应，热量导给聚热包52。本实施例中，一个真空超导模块5夹持在两个无铁芯线圈104之间。

为了对真空超导模块5的热量进行快速散热，如图1、2、6所示，本实施例包括用于对真空超导模块5进行冷却的冷却器4。具体的，本实施例中，电机轴201包括中空腔体2011，电机包括位于中空腔体2011内的冷却器4，真空超导模块5的热量通过电机轴201传递至冷却器4。优选的，冷却器4为圆筒形，冷却器4贴覆在电机轴201的内壁上，也即，冷却器4的外壁与电机轴201的内壁接触，在冷却器4内具有水流通道。冷却器4上连接有与水流通道连通的进水管61和出水管62，进水管61和出水管62通过中空腔体2011引出，并与外部液冷系统连接。

优选的，水流通道为s型。如图7所示，为水流通道内水流方向示意图。

本实施例的无铁芯线圈202为圆环形，聚热包52位于无铁芯线圈202的内缘，靠近或接触电机轴201。在电机轴201上设置有用于安装无铁芯线圈202和聚热包52的聚热包室2012。

如图8所示，本实施例的电机包括液冷系统，液冷系统包括位于冷却器4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；冷媒循环管路与水流通道的进水管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103的安装方式和无铁芯线圈202的安装方式进行了改进：

如图1、2、5所示，碟形磁轭102呈碟形，采用高导磁金属材料加工而成，碟形磁轭102的表面设置有多个转子导磁环定位槽，在碟形磁轭102上设置有若干与壳体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的径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，永磁体103位于网格内，且永磁体103的磁极在同一径向上相同，即在同一径向上均为n极或均为s极，在同一周向上n极和s极交替分布。

转子导磁环104、导磁条105和永磁体103贴装于磁轭102上，具体的，转子导磁环104、导磁条105和永磁体103可通过高分子材料粘贴于磁轭102上，导磁条105压装在永磁体103和转子导磁环104上，导磁条105通过螺钉固定在磁轭102上。转子导磁环104、导磁条105和永磁体103的安装方式为：先在磁轭102上安装一圈永磁体103，再贴装一个与永磁体103邻接的转子导磁环104，再安装导磁条105，将永磁体103和转子导磁环104压装在磁轭102上；再继续贴装永磁体103、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。

外转子组件由磁轭102、转子导磁环104、永磁体103、导磁条105和高分子材料组成。相邻永磁体103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轴向磁通量。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，使一对磁轭相对面上的永磁体n极和永磁体的s极形成磁回路，永磁体s极和永磁体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。使每对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、铝镍钴永磁体或铁氧永磁体，永磁体103可以为长方体或长瓦形形状或梯形。

如图3、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203，定子导磁环203的数量与磁轭102的转子导磁环104的数量相同，定子导磁环203的位置和磁轭102的转子导磁环104的位置相对应。定子导磁环203为非铁合金材料。具体的，实心导线绕制在定子导磁环203上并浇铸高分子材料后形成无铁芯线圈202，无铁芯线圈202与真空超导模块5结合。真空超导模块5的若干超导管51形成圆环形，散热包52位于圆环形的内缘。

内定子组件是由无铁芯线圈202、定子导磁环203、真空超导模块5、高分子材料等组成。每个磁极由定子导磁环203、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轴向上相对应的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，只有双转子相对应的n极和s极吸合，穿透夹在双转子中间的定子导磁网格，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。

当然，多个本实施例无铁芯电机的电机轴依次连接，可形成组合式无铁芯电机，可以提高输出动力或者发电量。

实施例2

如图3、9-11所示，本实施例提出了一种碟式单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。

外转子组件包括壳体101、位于壳体101内的至少一个碟形磁轭102和安装于碟形磁轭上的若干永磁体103。本实施例包括位于壳体101内的1个碟形磁轭102，碟形磁轭102与无铁芯线圈202的相对面上均安装有若干永磁体103，并且，磁轭102上的永磁体103的磁极在同一径向上相同，即在同一径向上均为n极或均为s极，在同一周向上n极和s极交替分布。

内定子组件包括电机轴201和位于电机轴201上的碟形无铁芯线圈202，碟形无铁芯线圈202的数量与碟形磁轭102的数量相同且二者一一对应。本实施例中，碟形无铁芯线圈202设置有一个。其中，碟形无铁芯线圈202安装于电机轴201上，碟形无铁芯线圈202与磁轭102安装永磁体103的面相对，碟形无铁芯线圈202与碟形磁轭102上的永磁体103相对。

一个碟形无铁芯线圈202与一个碟形磁轭102上的永磁体103相对，一个碟形无铁芯线圈202与一个碟形磁轭102和其上的永磁体103组成一组结构的发电或电动模块，一个电机可包括多组发电或电动模块。

电机轴201与壳体101之间通过轴承3连接，电机轴201和壳体101之间通过轴承3实现相对转动。电机轴201和无铁芯线圈202同步与壳体101发生相对转动，也即永磁体103与无铁芯线圈202相对转动时，无铁芯线圈202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202通电时，定子组件产生的电磁场与转子组件的永磁体103发生相互作用力，驱动壳体101与电机轴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的转轴固定连接在壳体101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，本实施例的真空超导模块与实施例1相同，此处不再赘述。

为了对真空超导模块的热量进行快速散热，如图9、10、12所示，本实施例包括用于对真空超导模块进行冷却的冷却器4。具体的，本实施例中，电机轴201包括中空腔体2011，电机包括位于中空腔体2011内的冷却器4，真空超导模块的热量通过电机轴201传递至冷却器4。优选的，冷却器4为圆筒形，冷却器4贴覆在电机轴201的内壁上，也即，冷却器4的外壁与电机轴201的内壁接触，在冷却器4内具有水流通道。冷却器4上连接有与水流通道连通的进水管61和出水管62，进水管61和出水管62通过中空腔体2011引出，并与外部液冷系统连接。

优选的，水流通道为s型。如图7所示，为冷却器4内的水流方向。

如图8所示，本实施例的液冷系统与实施例1相同，此处不再赘述。

为了提高电机效率，本实施例对永磁体103的安装方式和无铁芯线圈202的安装方式进行了改进：

如图9、10、11所示，碟形磁轭102呈碟形，采用高导磁金属材料加工而成，碟形磁轭102的表面设置有多个转子导磁环定位槽，在碟形磁轭102上设置有若干与壳体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的径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，永磁体103位于网格内，且永磁体103的磁极在同一径向上相同，即在同一径向上均为n极或均为s极，在同一周向上n极和s极交替分布。

转子导磁环104、导磁条105和永磁体103贴装于磁轭102上，具体的，转子导磁环104、导磁条105和永磁体103可通过高分子材料粘贴于磁轭102上，导磁条105压装在永磁体103和转子导磁环104上，导磁条105通过螺钉固定在磁轭102上。转子导磁环104、导磁条105和永磁体103的安装方式为：先在磁轭102上安装一圈永磁体103，再贴装一个与永磁体103邻接的转子导磁环104，再安装导磁条105，将永磁体103和转子导磁环104压装在磁轭102上；再继续贴装永磁体103、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。

外转子组件由磁轭102、转子导磁环104、永磁体103、导磁条105和高分子材料组成。相邻永磁体103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轴向磁通量。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的导磁网格，使每组磁极的磁力线形成焦点，对准并穿透外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、铝镍钴永磁体或铁氧永磁体，永磁体103可以为长方体或长瓦形形状或梯形。

如图3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203，定子导磁环203的数量与磁轭102的转子导磁环104的数量相同，定子导磁环203的位置和磁轭102的转子导磁环104的位置相对应。定子导磁环203为非铁合金材料。具体的，导线绕制在定子导磁环203上并浇铸高分子材料后形成无铁芯线圈202。

内定子组件是由无铁芯线圈202、定子导磁环203、真空超导模块5、高分子材料等组成。每个磁极由定子导磁环203、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轴向上相对应的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。

当然，多个本实施例无铁芯电机的电机轴依次连接，可形成组合式无铁芯电机，可以提高输出动力或者发电量。

实施例3

如图13-17所示，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的电机包括两个磁轭102和两个无铁芯线圈202，一个磁轭102和一个无铁芯线圈202为一组，每个磁轭102上均设置有与无铁芯线圈202相对的永磁体103。

本实施例的冷却器4套装在电机轴201的外壁上，真空超导模块的热量直接传递至冷却器4，更加有利于真空超导模块的散热。

电机轴201具有中空腔体2011，电机轴201上设置有通孔，冷却器4上连接有与水流通道连通的进水管61和出水管62，进水管61和出水管62通过通孔后从中空腔体2011中引出。

无铁芯线圈202为圆环形，真空超导模块5也为圆环形，聚热包52位于无铁芯线圈202的内缘，冷却器4包括位于聚热包52和电机轴201之间的与聚热包52接触的第一筒形冷却部41和与无铁芯线圈202贴合的第二碟形冷却部42。本实施例的第一筒形冷却部41和第二碟形冷却部42的截面呈“t”型。冷却器4内具有水流通道。如图16、17所示，本实施例冷却器4的两侧分别设置有一个无铁芯线圈202和一个真空超导模块5，其中，真空超导模块5位于无铁芯线圈202和冷却器4之间，用于将无铁芯线圈202的热量传递至冷却器4。

本实施例的其它部件的实现方式与实施例2类似，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。