專利名稱：高效高功率密度內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及稀土永磁電機(jī)，特別的，涉及一種高效高功率密度的空芯 電機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的有鐵芯電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、機(jī)電時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)都較大，齒槽結(jié) 構(gòu)又成為散熱的瓶頸。而且，由于鐵芯結(jié)構(gòu)的存在，使銅損和鐵損成為電機(jī)的 主要損耗。
而傳統(tǒng)的無鐵芯電機(jī)，如空芯杯電機(jī)、磁碟式無鐵芯電機(jī)等，雖然消除了 齒槽效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩，有較高的功率密度，但是其制造工藝復(fù)雜，散熱條件差， 功率很難做大。而且由于其大氣隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致漏磁較大，磁場的利用率較低。 正是由于傳統(tǒng)電機(jī)的這些不足，限制了這些電機(jī)的應(yīng)用場合。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的無鐵芯電機(jī)的功率 密度低、功率小等缺陷，提供一種功率密度高、功率大、效率高的內(nèi)轉(zhuǎn)子或外 轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種高效高功率密 度內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，包括電機(jī)外殼、固定設(shè)置在電機(jī)外殼內(nèi)的磁碟式雙定子繞 組、設(shè)置在所述兩個(gè)定子繞組之間的雙面永磁陣列轉(zhuǎn)子、以及通過軸承安裝在 所述電機(jī)外殼上并與所述轉(zhuǎn)子固定連接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸；每一所述定子繞組包括至 少兩個(gè)分別由導(dǎo)電材料繞制成型的多邊形線圈；并且所述多邊形線圈相錯(cuò)一定 角度疊置并整形后固化成盤狀。
在本實(shí)用新型的內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)中，所述導(dǎo)電材料為一根或多根具有一定長寬比的扁形導(dǎo)電條。
在本實(shí)用新型的內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)中，所述兩個(gè)定子繞組的截面形狀分別為 "["形和"]"形，其相對固定安裝在所述電機(jī)外殼內(nèi)側(cè)。
在本實(shí)用新型的內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)中，所述轉(zhuǎn)子為隔磁材料做成的圓盤；所 述圓盤上開設(shè)有貫通的凹槽，在所述凹槽內(nèi)鑲嵌有永磁體，并且所述永磁體與 所述圓盤共面。
在本實(shí)用新型的內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)中，所述永磁體的南極和北極交替分布， 并且其數(shù)量為四的倍數(shù)，每個(gè)所述永磁體的形狀為扇環(huán)形。
或者，提供一種高效高功率密度外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，包括電機(jī)外殼、分別固 定設(shè)置在所述電機(jī)外殼相對兩側(cè)內(nèi)壁上的永磁陣列轉(zhuǎn)子、設(shè)置在所述兩個(gè)轉(zhuǎn)子 之間的磁碟式定子繞組、以及通過軸承安裝在所述電機(jī)外殼上并與所述定子繞 組固定連接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸；所述定子繞組包括至少兩個(gè)分別由導(dǎo)電材料繞制成型 的多邊形線圈；并且所述多邊形線圈相錯(cuò)一定角度疊置并整形后固化成盤狀。
在本實(shí)用新型的外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)中，所述導(dǎo)電材料為一根或多根具有一定 長寬比的扁形導(dǎo)電條。
在本實(shí)用新型的外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)中，所述定子繞組的截面形狀分別為"工" 形，其相對固定安裝在所述電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。
在本實(shí)用新型的外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)中，所述轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁材料做成的圓盤；所 述圓盤上開設(shè)有未貫通的凹槽，在所述凹槽內(nèi)鑲嵌有永磁體。
在本實(shí)用新型的外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)中，所述永磁體的南極和北極交替分布， 并且其數(shù)量為四的倍數(shù)，每個(gè)所述永磁體的形狀為扇環(huán)形。
實(shí)施本實(shí)用新型具有以下有益效果:本實(shí)用新型的電機(jī)采用獨(dú)特的繞組結(jié) 構(gòu)，并且繞組具有較大的表面積、很高的占空系數(shù)、內(nèi)阻小、繞組軸向尺寸短， 大大減少了軸向氣隙長度，從而可以大幅提高磁場的利用率，使得電機(jī)具有功 率密度高、功率大、效率高、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，從根本上解決了傳統(tǒng)有鐵芯 電機(jī)和無鐵芯電機(jī)的一系列不足。
進(jìn)一步的，本實(shí)用新型還具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、高動(dòng)態(tài)性能機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)性能好；2、 過載能力強(qiáng)空芯磁碟式定子結(jié)構(gòu)使電機(jī)有很高的抗過載能力和峰值 轉(zhuǎn)矩；
3、 無齒槽效應(yīng)空芯磁碟式定子結(jié)構(gòu)使電機(jī)無齒槽效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩。
4、 無刷無機(jī)械換向火花，無機(jī)械電刷磨損。
5、 可靠性高只有軸承是維護(hù)件，電機(jī)壽命長，性能穩(wěn)定可靠。
6、 寬高效率范圍電機(jī)在1/4負(fù)載和滿載之間均有較高的效率。
7、 功能可逆同一臺電機(jī)，既是高效率電動(dòng)機(jī)，又是高效率發(fā)電機(jī)。
8、 結(jié)構(gòu)靈活可以按照用戶需求設(shè)計(jì)成內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或其它特殊 結(jié)構(gòu)。
9、 堆疊式結(jié)構(gòu)功率隨著電機(jī)單體增多可以線性增長，尤其適合輪轂電 機(jī)、混合動(dòng)力和低速直驅(qū)低品位能源的應(yīng)用。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，附圖中
圖1是具有本實(shí)用新型第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的電機(jī)總體圖。
圖2是具有本實(shí)用新型第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的定子內(nèi)部線圈繞線結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本實(shí)用新型第一實(shí)施例的永磁轉(zhuǎn)子及磁軛盤的平面圖。
圖4是具有本實(shí)用新型第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的精密繞組定子結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
圖5是具有本實(shí)用新型第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的帶有轉(zhuǎn)軸的電機(jī)堆疊式結(jié)構(gòu)的
總體圖。
圖6是具有本實(shí)用新型第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的不帶轉(zhuǎn)軸的電機(jī)堆疊式結(jié)構(gòu)的
總體圖。
圖7是具有本實(shí)用新型第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)的電機(jī)總體圖。
具體實(shí)施方式
圖1至圖4是本實(shí)用新型的高效高功率轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)的第一實(shí)施例，包括 電機(jī)外殼14、相對固定在電機(jī)外殼內(nèi)側(cè)的磁碟式雙定子繞組2、軸承3、電機(jī) 轉(zhuǎn)軸4以及雙面永磁陣列轉(zhuǎn)子5。
如圖2所示，是一個(gè)定子繞組的內(nèi)部線圈繞線結(jié)構(gòu)圖。在本實(shí)施例中，該繞組為三相繞組，包括U相6、 V相7和W相8。通過電源控制器分別在不 同時(shí)刻通入交變電流，使電機(jī)通過U、 V、 W三相繞組形成旋轉(zhuǎn)磁場，帶動(dòng)永 磁轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功率。
如圖3所示，是雙面永磁陣列轉(zhuǎn)子的平面圖。通過雙面永磁陣列轉(zhuǎn)子產(chǎn)生 永恒磁場。該轉(zhuǎn)子為采用隔磁材料做成的圓盤，圓盤上開設(shè)貫通的凹槽，凹槽 內(nèi)鑲嵌永磁體，并且永磁體與圓盤共面。永磁體包括N極永磁體9和S極永 磁體10，在兩個(gè)永磁體之間形成磁軛隔墻，起到減少永磁體之間的極間漏磁， 起到磁束縛的作用。永磁體的N、 S極交替分布，并且永磁體的數(shù)目是4的倍 數(shù)，如4、 8、 12、 16、 20、 24等。永磁體的形狀是扇環(huán)形狀，從而可以均布 在圓盤上。轉(zhuǎn)子的中心與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，帶動(dòng)支持在電機(jī)外殼中心軸承上的電 機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)輸出功率或由電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。
如圖4所示，是繞組的剖視示意圖，圖中的12是線圈端線的壓接部分， 即相鄰的兩個(gè)不同相的繞組重疊部分。圖中的13是線圈的有效邊，是電磁能 量轉(zhuǎn)換的主體。由若干個(gè)用一根或多根具有一定長寬比的扁形導(dǎo)電材料繞制形 成的多邊形線圈疊置并相錯(cuò)若干角度構(gòu)成該繞組，經(jīng)過整形后通過熱固材料固 化成型，制成圖4形狀的定子結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，兩個(gè)定子繞組的截面形狀 分別為"["形和"]"形，直接相對貼合固定安裝在電機(jī)外殼內(nèi)側(cè)，從而大大 增加了定子繞組的熱容，通過外殼將繞組的熱量散發(fā)出去。另外，定子繞組的 截面形狀也可以根據(jù)需要做成其他的形狀，例如"工"形。
可以理解的，兩側(cè)線圈端線的壓接部分同時(shí)也起到雙定子的支撐作用，從 而可以省略電機(jī)外殼，使得電機(jī)可以做成無殼結(jié)構(gòu)，這樣大大節(jié)省了電機(jī)軸向 的長度，使電機(jī)能夠滿足及其苛刻的薄型安裝場合。
本實(shí)用新型的工作原理是由本實(shí)用新型構(gòu)成的電機(jī)組裝完成后，用變頻 電源或電機(jī)專用的無感無刷驅(qū)動(dòng)器通過電源引出線給有此結(jié)構(gòu)的雙定子繞組 供電，形成旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場作用于轉(zhuǎn)子的永磁陣列上，使其帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)動(dòng)，并輸出功率；或直接由外部機(jī)械力驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 動(dòng)，由定子繞組切割磁力線，產(chǎn)生電流，然后經(jīng)過寬范圍的高效AC-DC開關(guān) 模塊進(jìn)行整流穩(wěn)壓并將電能儲存在蓄電池中，再由蓄電池直接輸出或由DC-AC逆變器轉(zhuǎn)換成220V的正弦交流電輸出。
該結(jié)構(gòu)電機(jī)效率高、結(jié)構(gòu)簡單，散熱條件好。繞組有較大的表面積，很 高的占空系數(shù)，內(nèi)阻極小，發(fā)熱量極低，加上獨(dú)特的繞組技術(shù)，使磁場的利用 率大幅度提高。由本實(shí)用新型繞組制成的電機(jī)功率密度高、功率大、效率高、 結(jié)構(gòu)簡單、材料利用率高、控制性能好，從根本上解決了傳統(tǒng)有鐵芯電機(jī)和無 鐵芯電機(jī)的一系列不足。因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、無人機(jī)、空間飛 行器、電動(dòng)汽車、雷達(dá)、尖端醫(yī)療器械、高速雕刻機(jī)和研磨機(jī)等需要超高性能 的場合。
如圖5、 6所示，多個(gè)電機(jī)單體15可以堆疊，每個(gè)電機(jī)單體15可以采用 上述的結(jié)構(gòu)從而功率可以隨著電機(jī)單體增多可以線性增長，而適用于輪轂電 機(jī)、混合動(dòng)力和低速直驅(qū)低品位能源等場合的應(yīng)用。
如圖7所示，是本實(shí)用新型的高效高功率密度外轉(zhuǎn)子25空芯電機(jī)的一個(gè) 實(shí)施例，其包括電機(jī)外殼、分別固定設(shè)置在電機(jī)外殼相對兩側(cè)內(nèi)壁上的永磁陣 列轉(zhuǎn)子25、設(shè)置在兩個(gè)轉(zhuǎn)子25之間的磁碟式定子22繞組、以及通過軸承安 裝在電機(jī)外殼上并與定子22繞組固定連接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸24。其中，定子22繞 組的結(jié)構(gòu)與上一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同，故不贅述。而轉(zhuǎn)子25為導(dǎo)磁材料做成的 圓盤，在圓盤上開設(shè)有未貫通的凹槽，在凹槽內(nèi)鑲嵌有永磁體。永磁體的南極 和北極交替分布，并且其數(shù)量為四的倍數(shù)，每個(gè)永磁體的形狀為扇環(huán)形。
工作時(shí)，變頻電源或電機(jī)專用的無感無刷驅(qū)動(dòng)器通過電源弓I出線給有此結(jié) 構(gòu)的轉(zhuǎn)子25繞組供電，形成旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場作用于定子22的永磁陣列上， 使定子22以及外殼繞電機(jī)轉(zhuǎn)軸24轉(zhuǎn)動(dòng)，并輸出功率；或直接由外部機(jī)械力驅(qū) 動(dòng)外殼繞電機(jī)轉(zhuǎn)軸24轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子25轉(zhuǎn)動(dòng)，由定子22繞組切割磁力 線，產(chǎn)生電流，然后經(jīng)過寬范圍的高效AC-DC開關(guān)模塊進(jìn)行整流穩(wěn)壓并將電 能儲存在蓄電池中，再由蓄電池直接輸出或由DC-AC逆變器轉(zhuǎn)換成220V的 正弦交流電輸出。
以上，盡管為了描述的需要，公開了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指 出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，依據(jù)本實(shí)用新型的同樣的實(shí)用新型制造 原理，還可以作出若干變形和改進(jìn)，但是這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種高效高功率密度內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，包括電機(jī)外殼、固定設(shè)置在電機(jī)外殼內(nèi)的磁碟式雙定子繞組、設(shè)置在所述兩個(gè)定子繞組之間的雙面永磁陣列轉(zhuǎn)子、以及通過軸承安裝在所述電機(jī)外殼上并與所述轉(zhuǎn)子固定連接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸；其特征在于每一所述定子繞組包括至少兩個(gè)分別由導(dǎo)電材料繞制成型的多邊形線圈；并且所述多邊形線圈相錯(cuò)一定角度疊置并整形后固化成盤狀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效高功率密度內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，其特征在于 所述導(dǎo)電材料為一根或多根具有一定長寬比的扁形導(dǎo)電條。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高效高功率密度內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，其特征在于 所述兩個(gè)定子繞組的截面形狀分別為"["形和"]"形，其相對固定安裝在所 述電機(jī)外殼內(nèi)側(cè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的高效高功率密度內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)， 其特征在于，所述轉(zhuǎn)子為隔磁材料做成的圓盤;所述圓盤上開設(shè)有貫通的凹槽， 在所述凹槽內(nèi)鑲嵌有永磁體，并且所述永磁體與所述圓盤共面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高效高功率密度內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，其特征在于， 所述永磁體的南極和北極交替分布，并且其數(shù)量為四的倍數(shù)，每個(gè)所述永磁體 的形狀為扇環(huán)形。
6. —種高效高功率密度外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，包括電機(jī)外殼、分別固定設(shè)置在 所述電機(jī)外殼相對兩側(cè)內(nèi)壁上的永磁陣列轉(zhuǎn)子、設(shè)置在所述兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的磁 碟式定子繞組、以及通過軸承安裝在所述電機(jī)外殼上并與所述定子繞組固定連 接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸；其特征在于所述定子繞組包括至少兩個(gè)分別由導(dǎo)電材料繞制成型的多邊形線圈；并且 所述多邊形線圈相錯(cuò)一定角度疊置并整形后固化成盤狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高效高功率密度外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，其特征在于.-所述導(dǎo)電材料為一根或多根具有一定長寬比的扁形導(dǎo)電條。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高效高功率密度外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，其特征在于所述定子繞組的截面形狀分別為"工"形，其相對固定安裝在所述電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的高效高功率密度外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī), 其特征在于，所述轉(zhuǎn)子為導(dǎo)磁材料做成的圓盤；所述圓盤上開設(shè)有未貫通的凹 槽，在所述凹槽內(nèi)鑲嵌有永磁體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的高效高功率密度外轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，其特征在 于，所述永磁體的南極和北極交替分布，并且其數(shù)量為四的倍數(shù)，每個(gè)所述永 磁體的形狀為扇環(huán)形。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高效高功率密度內(nèi)轉(zhuǎn)子空芯電機(jī)，包括電機(jī)外殼、固定設(shè)置在電機(jī)外殼內(nèi)的磁碟式雙定子繞組、設(shè)置在兩個(gè)定子繞組之間的雙面永磁陣列轉(zhuǎn)子、以及通過軸承安裝在電機(jī)外殼上并與轉(zhuǎn)子固定連接的電機(jī)轉(zhuǎn)軸；每一定子繞組包括至少兩個(gè)分別由導(dǎo)電材料繞制成型的多邊形線圈；并且多邊形線圈相錯(cuò)一定角度疊置并整形后固化成盤狀。也可以根據(jù)需要做成外轉(zhuǎn)子電機(jī)，其結(jié)構(gòu)對應(yīng)修改即可。由本實(shí)用新型繞組制成的空芯電機(jī)功率密度高、功率大、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、材料利用率高、控制性能好，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、無人機(jī)、空間飛行器、電動(dòng)汽車、雷達(dá)、尖端醫(yī)療器械、高速雕刻機(jī)和研磨機(jī)等需要超高性能的場合。
文檔編號H02K16/02GK201146437SQ200720196419
公開日2008年11月5日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)明者巍 李 申請人:深圳市世盈電通科技有限公司