本發(fā)明涉及一種新型同步磁阻電機，特別涉及一種采用石墨烯繞組的壓縮機專用無軸承直聯同步磁阻電機，屬于電機領域。

背景技術：

目前中國市場上的壓縮機大部分采用常規(guī)的異步電動機，與壓縮機主機機頭的聯接方法也以皮帶傳動和聯軸器傳動為主。其缺點明顯：體積大，效率低，能耗大，故障率高，需經常維護。近兩年市場上出現了變頻永磁壓縮機，采用永磁同步電機來驅動，由于其體積小、重量輕、效率高、功率因數高、結構簡單、可靠性高等一系列優(yōu)點，在工業(yè)生產、民用等方面得到了廣泛應用。雖然其與常規(guī)的異步電動機優(yōu)勢明顯，但是稀土永磁價格昂貴，且有失磁的風險和高性能稀土永磁大幅漲價和斷貨的風險。但是，電機離不開軸承支承，用機械軸承支承，轉子運動過程中存在機械摩擦問題。機械摩擦不但增加了轉子的摩擦阻力，使軸承磨損，降低軸承壽命，產生機械振動和噪音，而且會造成部件發(fā)熱，使?jié)櫥瑒┬阅茏儾?，嚴重時會造成電機氣隙不均勻，繞阻發(fā)熱，溫升增大，降低電機效率，縮短電機使用壽命。無軸承電機，并不是說不需要軸承來支承,而是不需設計或使用專門的機械軸承、氣浮或液浮軸承。無軸承電機是根據磁懸浮軸承結構與電機定子結構的相似性,把磁懸浮軸承中產生徑向力的繞組疊壓到電機的定子繞組上,使其本身就能產生大小可控的懸浮力和轉矩,實現轉子無機械摩擦的旋轉。

新型同步磁阻電動機又稱為同步反應式電動機，同步磁阻電機轉子不需要勵磁,而是利用轉子上直軸和交軸氣隙磁阻不等而產生同步磁阻轉矩。因此同其它交流電機相比,同步磁阻電機具有結構簡單,制造容易、成本低廉、運行可靠等諸多優(yōu)點。特別是現代電力電子技術的迅速發(fā)展,現代控制理論和微處理器技術的廣泛運用,克服了同步磁阻電機同步控制的困難，為其可控變頻調速運行提供了良好的條件。經過優(yōu)化設計后，同步磁阻電機的性能可以大大提高，無論是運行性能還是起動性能都接近于永磁電機。但其省掉了價格昂貴的稀土永磁，避免了失磁風險和高性能稀土永磁大幅漲價和斷貨的風險，又結構簡單，運行可靠，耐高溫，成本低。這就為取代結構較復雜，成本較高的永磁電機創(chuàng)造了條件。

技術實現要素：

本發(fā)明用石墨烯繞組的壓縮機專用無軸承直聯同步磁阻電機公開了新的方案，采用石墨烯材料制作的電機定子繞組，解決了現有同步磁阻電機效率有待提高的問題。

本發(fā)明用石墨烯繞組的壓縮機專用無軸承直聯同步磁阻電機包括機殼、設在機殼內的定子線圈、設在定子線圈內的無永磁轉子、設在機殼與定子線圈間的冷卻裝置，機殼與壓縮機通過法蘭固定連接，無永磁轉子的無軸承主軸與壓縮機的傳動軸傳動連接，機殼包括機殼本體和機殼基座，機殼本體焊接在機殼基座上，定子線圈包括石墨烯復合材料定子繞組，無永磁轉子包括曲線柵欄排狀轉子沖片。

本發(fā)明用石墨烯繞組的壓縮機專用無軸承直聯同步磁阻電機采用石墨烯材料制作的電機定子繞組，大幅提高了定子繞組的導電性、耐溫性，具有體積小、效率高的特點。

附圖說明

圖1是本方案電機的主視示意圖。

圖2是圖1中電機的左視示意圖。

圖3是轉子沖片的示意圖。

圖4是圖3中轉子沖片軸孔的局部放大示意圖。

圖5是冷卻裝置實施例之一的內部構造示意圖。

圖6是圖5中冷卻裝置A-A剖面示意圖。

圖7是圖5中冷卻裝置的原理示意圖。

圖8是冷卻裝置實施例之二的內部構造示意圖。

圖9是圖8中冷卻裝置A-A剖面示意圖。

圖10是圖8中冷卻裝置的原理示意圖。

其中，1是機殼，2是定子線圈，3是無永磁轉子，4是曲線柵欄排狀轉子沖片，511是進水集水器，512是出水集水器，513是冷卻水曲管，521是流道隔板，522是冷卻水流道。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1～2所示，本發(fā)明用石墨烯繞組的壓縮機專用無軸承直聯同步磁阻電機的示意圖。用石墨烯繞組的壓縮機專用無軸承直聯同步磁阻電機包括機殼、設在機殼內的定子線圈、設在定子線圈內的無永磁轉子、設在機殼與定子線圈間的冷卻裝置，機殼與壓縮機通過法蘭固定連接，無永磁轉子的無軸承主軸與壓縮機的傳動軸傳動連接，機殼包括機殼本體和機殼基座，機殼本體焊接在機殼基座上，定子線圈包括石墨烯復合材料定子繞組，無永磁轉子包括曲線柵欄排狀轉子沖片。石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍，同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20％，是目前自然界最薄、強度最高的材料。如果用一塊面積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貓。石墨烯具有完美的二維晶體結構，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度為一個原子層。碳原子之間由σ鍵連接，結合方式為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學性質和結構剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強100倍，甚至還要超過鉆石。在石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中自由移動，且運動速度高達光速的1/300，這賦予了石墨烯良好的導電性。石墨烯是新一代的透明導電材料，在可見光區(qū)，四層石墨烯的透過率與傳統(tǒng)的ITO薄膜相當，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠遠高于ITO薄膜。石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，導熱系數高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm²/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10～6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此可用來發(fā)展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾。人們發(fā)現，石墨烯具有非同尋常的導電性能，超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望在現代電子科技領域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費了72％～81％的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。

更令人感興趣的是它那許多“極端”性質的物理性質。因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有著全新的電學屬性。石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電性，加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度?，F有的電機的定子繞組大都是由漆包銅線繞制而成，如果在漆包銅線里滲入一定比例的石墨烯將大大提高漆包銅線的導電性和耐溫性，將使銅線本身的電損耗降到最低甚至沒有，使電機的效率有大幅的提高，電機的體積大幅的縮小，特別是對大功率電機意義非凡，這對目前國家關注的節(jié)能減排降耗將有革命性的意義。因此，本方案的定子繞組吸收了石墨烯材料的優(yōu)良特性，即石墨烯復合材料定子繞組包括漆包銅線，漆包銅線內含有石墨烯材料。

本方案的電機轉子是由轉子沖片疊壓而成，為了提高轉子的性能，本方案采用了新型的轉子沖片，即帶有柵欄散熱結構的沖片，如圖3所示，具體是曲線柵欄排狀轉子沖片是圓環(huán)狀沖片，曲線柵欄排狀轉子沖片的中心圓孔內設有“十”字形軸架梁，軸架梁的中央部設有軸孔，軸架梁的四端與圓環(huán)狀沖片的環(huán)體的內圈固定連接形成四個散熱扇區(qū)，散熱扇區(qū)內設有曲線柵欄排，曲線柵欄排包括一組呈連續(xù)波紋分布的曲線柵欄，圓環(huán)狀沖片的環(huán)體上沿環(huán)體的外圈周向設有等距排列的橢圓形嵌線槽，橢圓形嵌線槽的長軸或短軸的向心端延長線通過環(huán)體的圓心。上述方案的曲線柵欄排散熱結構兼顧了沖片結構強度和散熱性能，減輕了沖片的重量，提高了效率。為了進一步改善轉子的散熱性能，減輕重量，同時保證結構不易變形，本方案的轉子沖片還增設了散熱孔，具體是嵌線槽與內圈間的環(huán)體上設有沿內圈的周向等距排列的散熱通孔。本方案的嵌線槽采用沿徑向布置的橢圓形通孔，有效抑制了起動電流，增大了起動轉矩，使得伴隨電機轉速的提高，轉子電流和轉矩同時相應調整，在轉子進入工作轉速后，轉子阻抗明顯減小，轉子在額定工作轉速下達到了較為理想的性能指標。與此同時，橢圓形的輪廓也避免了棱角結構帶來的加工、裝配難度，降低了轉子齒部渦流損耗，增大了轉子的集膚效應，電機轉矩更加平滑，降低了電機的振動和噪音，使電動機轉子齒部磁密分布更加合理，提高了電機效率。進一步，為了改善沖片的結構和性能，本方案在圓環(huán)狀沖片的環(huán)體上沿環(huán)體的外圈周向設有等距排列的36個橢圓形嵌線槽，橢圓形嵌線槽與外圈間設有開口通槽。開口通槽可以使槽口處的應力得到釋放，不會使沖片產生變形，從而解決了由于轉子沖片變形而產生的不平衡量和一些附加的損耗問題，也對嵌線槽內的鑄銅或鑄鋁起到一定的散熱作用，以及改善裝配誤差容忍度。同時，優(yōu)選的36個沿周向等距分布的嵌線槽有效改善了鑄銅或鑄鋁的分布狀況，使電機運行更加穩(wěn)定，效率更高。上述提及的鑄銅或鑄鋁中也可以摻入石墨烯材料來提高轉子的性能。

本方案的轉子沖片還具有其它適應性改進內容，具體是，為了使疊壓的沖片在周向上對齊排列，在軸架梁的四個梁臂上設有沖片定位長圓孔，相鄰的轉子沖片通過沖片定位長圓孔固定周向相對位置，如圖4所示，為了改進轉子軸與沖片的裝配性能，降低工件的加工難度，本方案在內圈上設有1～4個鍵齒，鍵齒的一側齒高大于鍵齒的另一側齒高，鍵齒的齒端呈弧形，轉子軸只需要沿軸向加工相應配合形狀的鍵槽即可，降低了加工難度。與此同時，上述方案的弧形齒面配合也使得無論軸正反轉，上述配合都會實現一定的阻尼作用，減低突然改變轉動方向的沖擊力，減少磨損，同時在裝配時起到對中的作用，使配合更加精確，而且弧形結構還可以避免棱角結構帶來的磨損以及滑動產生的噪音問題。

為了改善電機的散熱性能，本方案公開了一種采用水冷與氣冷相結合的冷卻方案，利用水冷結構環(huán)設在機殼內部，利用氣冷裝置吸收機殼內部定子、轉子的熱量。具體是冷卻裝置包括氣冷裝置、設在機殼與定子線圈間的復合冷卻層，復合冷卻層包括水冷內層、風冷外層，水冷內層與風冷外層構成雙層冷卻機殼，水冷內層的一端設有進水管，水冷內層的另一端設有出水管，冷卻水從進水管進入水冷內層吸收熱量后從出水管排出，氣冷裝置包括通風機、進氣三通管、出氣三通管，進氣三通管的直管的一端與通風機通風連接，進氣三通管的直管的另一端通入雙層冷卻機殼的一端內部，進氣三通管的支管與風冷外層連通，出氣三通管的直管的一端設在雙層冷卻機殼的另一端內部，出氣三通管的直管的另一端通出雙層冷卻機殼的另一端，出氣三通管的支管與風冷外層連通，冷風從進氣三通管的直管進入雙層冷卻機殼的內部吸收熱量后從出氣三通管的直管排出，冷風從進氣三通管的支管進入風冷外層吸收水冷內層的熱量后經出氣三通管的支管排出。上述水冷與風冷結合的方案彌補了采用單一方式冷卻帶來的不足，有效提高了冷卻效率。在上述方案的基礎上，本方案還公開了兩種具體的水冷內層結構，具體如下。

實施例一

如圖5、6所示，水冷內層包括進水集水器、出水集水器、一組冷卻水曲管，冷卻水曲管是彎折延伸的金屬管，冷卻水曲管的進口與進水集水器連通，冷卻水曲管的出口與出水集水器連通，冷卻水依次進入進水集水器、一組冷卻水曲管、出水集水器后排出。如圖7所示，冷卻介質分水路和氣路，冷卻水進入進水集水器后分別注入排列在機殼內層的一組冷卻水曲管中，曲管環(huán)布在定子的外圍，冷卻水經過曲管的延長冷卻路徑充分吸熱后流入出水集水器排出。冷卻氣體從進氣三通管同時進入電機內部和水冷內層外側的風冷外層對機殼內的定子和轉子進行冷卻，同時與水冷內層形成雙層組合冷卻結構輔助水冷內層散熱降溫。

實施例二

如圖8、9所示，水冷內層包括筒狀冷卻空間，筒狀冷卻空間內設有沿軸向布置的一組流道隔板，上述一組流道隔板中的相鄰兩個流道隔板的首尾錯開布置形成曲折延伸的冷卻水流道，冷卻水經冷卻水流道換熱后排出。如圖10所示，冷卻介質分水路和氣路，冷卻水進入冷卻水通道后流經往復曲折的換熱通道后排出。冷卻氣體從進氣三通管同時進入電機內部和水冷內層外側的風冷外層對機殼內的定子和轉子進行冷卻，同時與水冷內層形成雙層組合冷卻結構輔助水冷內層散熱降溫。

本方案的同步磁阻電機的定子繞組采用新型石墨烯復合材料制成，利用石墨烯超高的導電、導熱、耐高溫等性能，使電機的效率有大幅的提高，電機的體積大幅的縮小，轉子不需要激磁，利用直軸和交軸氣隙磁阻不等而產生同步轉矩。經過優(yōu)化設計后，其性能可以大大提高，無論是運行性能還是起動性能都接近于永磁電機，但其省掉了價格昂貴的稀土永磁，避免了失磁風險和高性能稀土永磁大幅漲價和斷貨的風險，結構簡單，運行可靠，耐高溫，成本低。本發(fā)明克服了現有技術的不足，更是填補了現有技術的空白。本方案的電機包括機座1、定子線圈2、轉子3。其中，機座1的法蘭與壓縮機主機的法蘭直接聯接，轉子3的無軸承主軸直接與壓縮機主機的伸出軸聯接，定子線圈2采用新型石墨烯復合材料制成，轉子3采用無永磁體，轉子沖片為獨特設計的同步磁阻電機用轉子沖片，呈柵格式結構。冷卻裝置采用雙層結構設計，有進水(油)孔和出水(油)孔。

上述方案中涉及的電路、模塊以及電子元器件除特別說明之外，根據其實現的具體功能可以選擇本領域通用的設計和方案，也可以根據實際需要選擇其他設計和方案。

本方案與現有的壓縮機專用電機相比有明顯的技術特點，具體有：⑴采用新型同步磁阻電動機，定子繞組采用新型石墨烯復合材料制成，利用其超高的導電、導熱、耐高溫等性能，使電機的效率有大幅的提高，電機的體積大幅的縮小，轉子不需要激磁，省掉了價格昂貴的稀土永磁，結構簡單，運行可靠，耐高溫，成本低；⑵采用無軸承的直聯技術驅動，結構簡單，故障率低，傳動效率高，運行可靠；⑶采用獨立的風機冷卻系統(tǒng)或水(油)冷卻系統(tǒng)，電機防護等級可到IP65。本方案填補了現有技術的空白，是一種新穎獨特的無軸承直聯的壓縮機專用的同步磁阻電機?；谝陨咸攸c，本方案的用石墨烯繞組的壓縮機專用無軸承直聯同步磁阻電機相比現有的產品具有突出的實質性特點和顯著的進步。

本方案的用石墨烯繞組的壓縮機專用無軸承直聯同步磁阻電機并不限于具體實施方式中公開的內容，實施例中出現的技術方案可以單獨存在，也可以相互包含，本領域技術人員根據本方案結合公知常識作出的簡單替換方案也屬于本方案的范圍。