一种直冷式永磁交流伺服电机和无刷直流电机 及其在燃料电池中的应用 【技术领域】
本发明涉及一种水冷却、空气冷却或者采用类似的介质冷却式电动机及其应用，具体地说是一种直冷式永磁交流伺服电机和无刷直流电机及其在燃料电池中的应用。
背景技术
电动机的冷却效果直接影响到电机的性能，具有良好冷却效果的电动机，能减小电动机的外形体积，提高工作效率，延长电机使用寿命，并使电动机运行在最佳的工作状态。通常电动机的冷却方式有外部冷却和机内直接冷却两种。所谓外部冷却方式即采用风机散热，达到对电动机降温的目的。这种冷却方式较为简单，但对于长期处于高温、高热、高粉尘或者类似相对恶劣环境下工作的电动机来说，会影响电动机的使用寿命。另外，为得到较好的通风散热效果，现有技术多采用加大壳体尺寸的方法来得到相对大的通风面积，这样一来不仅会直接导致用材和成本的增加，还因电动机尺寸和重量的增大给使用者带来不便。
现有的直冷式电动机，如中国专利CN2412311Y说明书公开的一种水冷式电动机外壳，它地外壳为夹层式结构，在所述的夹层内设置有螺旋水道，在电机外壳上设置有与所述的夹层内腔相通的进、出水管口。在上述进水管内通入冷却水，冷却水在螺旋水道内流动，将电动机产生的热量带走，从而达到冷却的效果。上述结构的电机外壳，能有效地降低电动机的工作温度，其优点是显而易见的。但是它也存在以下缺点：其一是由于螺旋水道的特点决定了其进水管口和出水管口是分别设置在电动机的两端的，这样，电动机的轴向温度分布很不均匀，呈现一端高、另一端低的状态，会降低冷却效果。其二是在外壳内加工螺旋水道的工艺难度很大，使得电动机的制作成本相对较高。简单的方法是在外壳内设置一条螺旋状的金属管，但是这也会带来该金属管与外壳接触不良，导致散热效果下降的问题。
永磁交流伺服电机以其良好的调速性能和精确的定位性能被广泛应用于控制系统中，根据驱动方式的不同，也可以作为无刷直流电机运行，或者作为永磁同步电机运行，通常应用于数控车床电机、磁盘驱动电机等。而燃料电池作为一种新型无污染的发电装置，其工作原理是利用氢气和高压氧对撞后产生的能量进行发电的，其中的高压氧是由电机带动空气压缩机而获得。由于在许多使用场合要求其发电量是变化的，亦即空气压缩机的流量须按系统要求而随时变化，这就要求驱动空压机的电机也有很好的伺服性，同时还要求电机有较高的效率、较小的体积和较轻的重量，同时兼有良好的低速运行性能。由于异步电机具有容易起动、价格低廉等优点，因而传统的空压机通常由异步电机带动。但是，另一方面，异步电机体积较大，且效率较低，同时其低速运行的性能较差，不能满足其在燃料电池的应用。
【发明内容】
本发明要解决的是现有的直冷式电动机存在的上述问题，提供一种改进型的直冷式永磁交流伺服电机，旨在采用简单的结构达到良好的散热效果，进而减小产品体积，提高运行效率。
本发明还要提供一种能进一步降低电动机自身发热的永磁交流伺服电机。
实际上，本发明还涉及永磁交流伺服电机在燃料电池中的应用。
本发明还涉及无刷直流电机在燃料电池中的应用。
解决上述问题采用的技术方案是：一种直冷式永磁交流伺服电机，包括外壳、定子和转子，其特征在于所述的外壳内设有轴向的迷宫式通道，所述通道的两端分别设置有进口和出口。
本发明的直冷式永磁交流伺服电机，由于外壳内设有轴向的迷宫式通道，向通道内注入水或者空气等冷却介质，所述介质在该迷宫式通道内沿轴向迂回流动，将电机产生的热量带走，最后，被加热后的介质从出口流出。外壳采用迷宫式通道结构的电动机，由于介质交替从外壳的一端流向另一端，使得电机的轴向温度非常均匀，有效地达到降温的效果，进而可降低电机的外形体积，提高电动机的性能参数。同时，迷宫式通道结构还可增加介质经过的途径，进一步改善冷却效果。由于迷宫式通道结构制作非常简单，无须增设管路，因而不会增加制作成本，并且使得介质与通道接触良好。
当迷宫式通道的隔板为偶数时，所述的通道进口与出口处在电动机的同一端；而当迷宫式通道的隔板为奇数时，所述的进口与出口分别处在电动机的两端。所述的隔板可以是与电动机轴线平行的，也可以与电动机轴线呈一定角度。前者结构相对简单，便于制作；而后者可延长通道总长度。
作为本发明的进一步改进，至少在一侧端盖上设有冷却通道，以保护轴承不会因为过热而失油，从而导致轴承损坏，同时也带走一部分转子热量。该冷却通道可以自成回路，也可以与所述的外壳上的迷宫式通道连通。
作为发明的再进一步的改进，在定子线圈的端部与外壳内表面之间还设有导热绝缘层，使定子线圈端部产生的热量能迅速被带走。
作为本发明更进一步的改进，所述的转子上交替设有永磁体，所述的每极永磁体由两个或者多个磁体单元沿轴向拼接而成，并且相邻的单元之间留有间隙。由于间隙的存在，可有效地削弱永磁体中的涡流，可进一步降低电机工作产生的温升。
实验证明，在相同的电机功率下，本发明的永磁交流伺服电机在采用水冷介质时的重量为异步电机重量的八分之一到十分之一，其冷却效果是很显著的。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是迷宫式外壳的展开图。
图3是转子的结构示意图。
【具体实施方式】
图1所示为一永磁交流伺服电机，它由外壳3、定子7、转子8、左端盖2、右端盖9和编码器11构成，在所述的定子7上嵌有线圈，在定子线圈的端部4与外壳3的内表面之间还设有导热绝缘层5，该导热绝缘层5可采用既有良好导热性能同时又兼有良好绝缘性能的石英粉材料，使定子线圈端部5产生的热量能迅速被带走。在所述的外壳3上设有冷却通道6，在所述的左端盖2上设有冷却通道1，在所述的右端盖9上也设有冷却通道10。上述的冷却通道可以独立设置，自成体系，也可以互相连通。对于后者结构，可以串联运行，也可以并联运行。
图2所示是外壳3沿轴线A-A剖开后的展开图。从图中可见，在所述的外壳3内设有一组轴向的隔板，所述的隔板与电动机轴线平行。在本实施例中，所述隔板的数量为6个，其中隔板12-1、12-3、12-5与外壳3的左端留有空隙16，隔板12-2和隔板12-4与外壳3的右端留有空隙，这样，隔板在外壳3上交替设置有空隙，形成一个迷宫式的通道6。设置在通道6末端的隔板15与外壳3的两端固定，形成隔断，在隔板15的左侧设有通道进口13，在隔板15的右侧设有通道出口14。由于隔板数量为偶数，所以通道进口13与通道出口14设置在外壳的同一端。
使用时，在通道进口13处注入冷却水，该冷却水在压力的作用下沿箭头方向在迷宫式通道内推进，并不断地带走电动机工作时产生的热量，最后从通道出口14流出。其运动轨迹如图2中心线所示。
以20KW永磁交流伺服电机为例，采用普通水压注水冷却，水的常温为20℃，在通道出口14处的水温约为50℃，并且电动机外壳3的两端温度均匀，能起到良好的降温效果。
图3所示为本发明的转子结构，在转轴19上沿圆周方向交替设有N极、S极永磁体，所述的每极永磁体由四个磁体单元17沿轴向拼接而成，并且相邻的单元之间留有间隙18。由于间隙18的存在，可有效地削弱永磁体中的涡流，可进一步降低电动机工作产生的温升。
本发明不局限于上述实施方式，不论是何种类型的电动机，不论其形状或结构上作任何变化，也不论其采用何种介质，凡是在外壳上采用迷宫式通道结构的电动机均落在本发明保护范围之内。