一种用石墨烯绕组的压缩机专用无轴承直联同步磁阻电机的制作方法

本发明涉及一种新型同步磁阻电机，特别涉及一种采用石墨烯绕组的压缩机专用无轴承直联同步磁阻电机，属于电机领域。

背景技术：

目前中国市场上的压缩机大部分采用常规的异步电动机，与压缩机主机机头的联接方法也以皮带传动和联轴器传动为主。其缺点明显：体积大，效率低，能耗大，故障率高，需经常维护。近两年市场上出现了变频永磁压缩机，采用永磁同步电机来驱动，由于其体积小、重量轻、效率高、功率因数高、结构简单、可靠性高等一系列优点，在工业生产、民用等方面得到了广泛应用。虽然其与常规的异步电动机优势明显，但是稀土永磁价格昂贵，且有失磁的风险和高性能稀土永磁大幅涨价和断货的风险。但是，电机离不开轴承支承，用机械轴承支承，转子运动过程中存在机械摩擦问题。机械摩擦不但增加了转子的摩擦阻力，使轴承磨损，降低轴承寿命，产生机械振动和噪音，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重时会造成电机气隙不均匀，绕阻发热，温升增大，降低电机效率，缩短电机使用寿命。无轴承电机，并不是说不需要轴承来支承,而是不需设计或使用专门的机械轴承、气浮或液浮轴承。无轴承电机是根据磁悬浮轴承结构与电机定子结构的相似性,把磁悬浮轴承中产生径向力的绕组叠压到电机的定子绕组上,使其本身就能产生大小可控的悬浮力和转矩,实现转子无机械摩擦的旋转。

新型同步磁阻电动机又称为同步反应式电动机，同步磁阻电机转子不需要励磁,而是利用转子上直轴和交轴气隙磁阻不等而产生同步磁阻转矩。因此同其它交流电机相比,同步磁阻电机具有结构简单,制造容易、成本低廉、运行可靠等诸多优点。特别是现代电力电子技术的迅速发展,现代控制理论和微处理器技术的广泛运用,克服了同步磁阻电机同步控制的困难，为其可控变频调速运行提供了良好的条件。经过优化设计后，同步磁阻电机的性能可以大大提高，无论是运行性能还是起动性能都接近于永磁电机。但其省掉了价格昂贵的稀土永磁，避免了失磁风险和高性能稀土永磁大幅涨价和断货的风险，又结构简单，运行可靠，耐高温，成本低。这就为取代结构较复杂，成本较高的永磁电机创造了条件。

技术实现要素：

本发明用石墨烯绕组的压缩机专用无轴承直联同步磁阻电机公开了新的方案，采用石墨烯材料制作的电机定子绕组，解决了现有同步磁阻电机效率有待提高的问题。

本发明用石墨烯绕组的压缩机专用无轴承直联同步磁阻电机包括机壳、设在机壳内的定子线圈、设在定子线圈内的无永磁转子、设在机壳与定子线圈间的冷却装置，机壳与压缩机通过法兰固定连接，无永磁转子的无轴承主轴与压缩机的传动轴传动连接，机壳包括机壳本体和机壳基座，机壳本体焊接在机壳基座上，定子线圈包括石墨烯复合材料定子绕组，无永磁转子包括曲线栅栏排状转子冲片。

本发明用石墨烯绕组的压缩机专用无轴承直联同步磁阻电机采用石墨烯材料制作的电机定子绕组，大幅提高了定子绕组的导电性、耐温性，具有体积小、效率高的特点。

附图说明

图1是本方案电机的主视示意图。

图2是图1中电机的左视示意图。

图3是转子冲片的示意图。

图4是图3中转子冲片轴孔的局部放大示意图。

图5是冷却装置实施例之一的内部构造示意图。

图6是图5中冷却装置A-A剖面示意图。

图7是图5中冷却装置的原理示意图。

图8是冷却装置实施例之二的内部构造示意图。

图9是图8中冷却装置A-A剖面示意图。

图10是图8中冷却装置的原理示意图。

其中，1是机壳，2是定子线圈，3是无永磁转子，4是曲线栅栏排状转子冲片，511是进水集水器，512是出水集水器，513是冷却水曲管，521是流道隔板，522是冷却水流道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1～2所示，本发明用石墨烯绕组的压缩机专用无轴承直联同步磁阻电机的示意图。用石墨烯绕组的压缩机专用无轴承直联同步磁阻电机包括机壳、设在机壳内的定子线圈、设在定子线圈内的无永磁转子、设在机壳与定子线圈间的冷却装置，机壳与压缩机通过法兰固定连接，无永磁转子的无轴承主轴与压缩机的传动轴传动连接，机壳包括机壳本体和机壳基座，机壳本体焊接在机壳基座上，定子线圈包括石墨烯复合材料定子绕组，无永磁转子包括曲线栅栏排状转子冲片。石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍，同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％，是目前自然界最薄、强度最高的材料。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，这赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10～6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72％～81％的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。

更令人感兴趣的是它那许多“极端”性质的物理性质。因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性，加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。现有的电机的定子绕组大都是由漆包铜线绕制而成，如果在漆包铜线里渗入一定比例的石墨烯将大大提高漆包铜线的导电性和耐温性，将使铜线本身的电损耗降到最低甚至没有，使电机的效率有大幅的提高，电机的体积大幅的缩小，特别是对大功率电机意义非凡，这对目前国家关注的节能减排降耗将有革命性的意义。因此，本方案的定子绕组吸收了石墨烯材料的优良特性，即石墨烯复合材料定子绕组包括漆包铜线，漆包铜线内含有石墨烯材料。

本方案的电机转子是由转子冲片叠压而成，为了提高转子的性能，本方案采用了新型的转子冲片，即带有栅栏散热结构的冲片，如图3所示，具体是曲线栅栏排状转子冲片是圆环状冲片，曲线栅栏排状转子冲片的中心圆孔内设有“十”字形轴架梁，轴架梁的中央部设有轴孔，轴架梁的四端与圆环状冲片的环体的内圈固定连接形成四个散热扇区，散热扇区内设有曲线栅栏排，曲线栅栏排包括一组呈连续波纹分布的曲线栅栏，圆环状冲片的环体上沿环体的外圈周向设有等距排列的椭圆形嵌线槽，椭圆形嵌线槽的长轴或短轴的向心端延长线通过环体的圆心。上述方案的曲线栅栏排散热结构兼顾了冲片结构强度和散热性能，减轻了冲片的重量，提高了效率。为了进一步改善转子的散热性能，减轻重量，同时保证结构不易变形，本方案的转子冲片还增设了散热孔，具体是嵌线槽与内圈间的环体上设有沿内圈的周向等距排列的散热通孔。本方案的嵌线槽采用沿径向布置的椭圆形通孔，有效抑制了起动电流，增大了起动转矩，使得伴随电机转速的提高，转子电流和转矩同时相应调整，在转子进入工作转速后，转子阻抗明显减小，转子在额定工作转速下达到了较为理想的性能指标。与此同时，椭圆形的轮廓也避免了棱角结构带来的加工、装配难度，降低了转子齿部涡流损耗，增大了转子的集肤效应，电机转矩更加平滑，降低了电机的振动和噪音，使电动机转子齿部磁密分布更加合理，提高了电机效率。进一步，为了改善冲片的结构和性能，本方案在圆环状冲片的环体上沿环体的外圈周向设有等距排列的36个椭圆形嵌线槽，椭圆形嵌线槽与外圈间设有开口通槽。开口通槽可以使槽口处的应力得到释放，不会使冲片产生变形，从而解决了由于转子冲片变形而产生的不平衡量和一些附加的损耗问题，也对嵌线槽内的铸铜或铸铝起到一定的散热作用，以及改善装配误差容忍度。同时，优选的36个沿周向等距分布的嵌线槽有效改善了铸铜或铸铝的分布状况，使电机运行更加稳定，效率更高。上述提及的铸铜或铸铝中也可以掺入石墨烯材料来提高转子的性能。

本方案的转子冲片还具有其它适应性改进内容，具体是，为了使叠压的冲片在周向上对齐排列，在轴架梁的四个梁臂上设有冲片定位长圆孔，相邻的转子冲片通过冲片定位长圆孔固定周向相对位置，如图4所示，为了改进转子轴与冲片的装配性能，降低工件的加工难度，本方案在内圈上设有1～4个键齿，键齿的一侧齿高大于键齿的另一侧齿高，键齿的齿端呈弧形，转子轴只需要沿轴向加工相应配合形状的键槽即可，降低了加工难度。与此同时，上述方案的弧形齿面配合也使得无论轴正反转，上述配合都会实现一定的阻尼作用，减低突然改变转动方向的冲击力，减少磨损，同时在装配时起到对中的作用，使配合更加精确，而且弧形结构还可以避免棱角结构带来的磨损以及滑动产生的噪音问题。

为了改善电机的散热性能，本方案公开了一种采用水冷与气冷相结合的冷却方案，利用水冷结构环设在机壳内部，利用气冷装置吸收机壳内部定子、转子的热量。具体是冷却装置包括气冷装置、设在机壳与定子线圈间的复合冷却层，复合冷却层包括水冷内层、风冷外层，水冷内层与风冷外层构成双层冷却机壳，水冷内层的一端设有进水管，水冷内层的另一端设有出水管，冷却水从进水管进入水冷内层吸收热量后从出水管排出，气冷装置包括通风机、进气三通管、出气三通管，进气三通管的直管的一端与通风机通风连接，进气三通管的直管的另一端通入双层冷却机壳的一端内部，进气三通管的支管与风冷外层连通，出气三通管的直管的一端设在双层冷却机壳的另一端内部，出气三通管的直管的另一端通出双层冷却机壳的另一端，出气三通管的支管与风冷外层连通，冷风从进气三通管的直管进入双层冷却机壳的内部吸收热量后从出气三通管的直管排出，冷风从进气三通管的支管进入风冷外层吸收水冷内层的热量后经出气三通管的支管排出。上述水冷与风冷结合的方案弥补了采用单一方式冷却带来的不足，有效提高了冷却效率。在上述方案的基础上，本方案还公开了两种具体的水冷内层结构，具体如下。

实施例一

如图5、6所示，水冷内层包括进水集水器、出水集水器、一组冷却水曲管，冷却水曲管是弯折延伸的金属管，冷却水曲管的进口与进水集水器连通，冷却水曲管的出口与出水集水器连通，冷却水依次进入进水集水器、一组冷却水曲管、出水集水器后排出。如图7所示，冷却介质分水路和气路，冷却水进入进水集水器后分别注入排列在机壳内层的一组冷却水曲管中，曲管环布在定子的外围，冷却水经过曲管的延长冷却路径充分吸热后流入出水集水器排出。冷却气体从进气三通管同时进入电机内部和水冷内层外侧的风冷外层对机壳内的定子和转子进行冷却，同时与水冷内层形成双层组合冷却结构辅助水冷内层散热降温。

实施例二

如图8、9所示，水冷内层包括筒状冷却空间，筒状冷却空间内设有沿轴向布置的一组流道隔板，上述一组流道隔板中的相邻两个流道隔板的首尾错开布置形成曲折延伸的冷却水流道，冷却水经冷却水流道换热后排出。如图10所示，冷却介质分水路和气路，冷却水进入冷却水通道后流经往复曲折的换热通道后排出。冷却气体从进气三通管同时进入电机内部和水冷内层外侧的风冷外层对机壳内的定子和转子进行冷却，同时与水冷内层形成双层组合冷却结构辅助水冷内层散热降温。

本方案的同步磁阻电机的定子绕组采用新型石墨烯复合材料制成，利用石墨烯超高的导电、导热、耐高温等性能，使电机的效率有大幅的提高，电机的体积大幅的缩小，转子不需要激磁，利用直轴和交轴气隙磁阻不等而产生同步转矩。经过优化设计后，其性能可以大大提高，无论是运行性能还是起动性能都接近于永磁电机，但其省掉了价格昂贵的稀土永磁，避免了失磁风险和高性能稀土永磁大幅涨价和断货的风险，结构简单，运行可靠，耐高温，成本低。本发明克服了现有技术的不足，更是填补了现有技术的空白。本方案的电机包括机座1、定子线圈2、转子3。其中，机座1的法兰与压缩机主机的法兰直接联接，转子3的无轴承主轴直接与压缩机主机的伸出轴联接，定子线圈2采用新型石墨烯复合材料制成，转子3采用无永磁体，转子冲片为独特设计的同步磁阻电机用转子冲片，呈栅格式结构。冷却装置采用双层结构设计，有进水(油)孔和出水(油)孔。

上述方案中涉及的电路、模块以及电子元器件除特别说明之外，根据其实现的具体功能可以选择本领域通用的设计和方案，也可以根据实际需要选择其他设计和方案。

本方案与现有的压缩机专用电机相比有明显的技术特点，具体有：⑴采用新型同步磁阻电动机，定子绕组采用新型石墨烯复合材料制成，利用其超高的导电、导热、耐高温等性能，使电机的效率有大幅的提高，电机的体积大幅的缩小，转子不需要激磁，省掉了价格昂贵的稀土永磁，结构简单，运行可靠，耐高温，成本低；⑵采用无轴承的直联技术驱动，结构简单，故障率低，传动效率高，运行可靠；⑶采用独立的风机冷却系统或水(油)冷却系统，电机防护等级可到IP65。本方案填补了现有技术的空白，是一种新颖独特的无轴承直联的压缩机专用的同步磁阻电机。基于以上特点，本方案的用石墨烯绕组的压缩机专用无轴承直联同步磁阻电机相比现有的产品具有突出的实质性特点和显著的进步。

本方案的用石墨烯绕组的压缩机专用无轴承直联同步磁阻电机并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以单独存在，也可以相互包含，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。