本實用新型涉及高速永磁電機轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)，特別是大功率（≥100kW）超高轉(zhuǎn)速（≥10000RPM）的永磁電機裝置，主要涉及一種用于大功率高速永磁電機轉(zhuǎn)子散熱的冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高速永磁電機是集成了機械、電氣、控制、電力電子和新材料等各種先進技術(shù)的高度機電一體化的產(chǎn)品。其特點在于，將電機的功能與傳統(tǒng)的齒輪箱等傳動系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上融為一體，省去復雜的中間傳動環(huán)節(jié)，具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)動慣量小、能量消耗少、工作效率高、易于實現(xiàn)無級調(diào)速和精密控制等優(yōu)點。隨著現(xiàn)代裝備制造業(yè)向高速度、高效率、低能耗、高自動化方向不斷發(fā)展，高速電機的技術(shù)提升和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新顯得越來越迫切。由于高速永磁電機發(fā)熱功率大，容易導致定子、轉(zhuǎn)子溫度過高，影響電機效率，甚至還可能會導致轉(zhuǎn)子永磁體不可逆失磁，造成電機報廢。因此，如何保證電機的運行溫度（尤其轉(zhuǎn)子永磁體工作溫度）在安全范圍內(nèi)是高速永磁電機設(shè)計的難點之一。目前常見的永磁電機轉(zhuǎn)子冷卻方式如下：

1、如圖1所示裝置，電機定子7由冷卻水從冷卻水進口2流向冷卻水出口3，實現(xiàn)冷卻。電機轉(zhuǎn)子10通過冷卻空氣入口1注入冷卻用壓縮空氣進行冷卻。從冷卻空氣入口1注入0.2Mpa～0.4Mpa壓縮空氣，冷卻轉(zhuǎn)子表面，同時在軸承4、5上流動，最后排放到大氣中。這種冷卻空氣需要大約0.2Mpa～0.4Mpa壓力。此種方案的不足在于冷卻空氣只在轉(zhuǎn)子中間部位對軸直吹，壓力大氣流容易造成轉(zhuǎn)子受力不平衡，軸的大部分表面未直接與新鮮冷空氣進行換熱，換熱效率差，且空氣壓力較大，造成摩擦損失較大。

2、如圖2所示裝置，中間位置是電機轉(zhuǎn)子30，空氣50從大氣中吸入，從電機轉(zhuǎn)子30的兩端吸入，負壓冷卻空氣60通過中間位置貫通定子40，通過真空泵70或者空氣噴射器排出，釋放到大氣中。圖2所示中，下部的排氣通道與上部的排氣通道連通，并共用一個真空泵70。此冷卻方式可使摩擦損失降低，但和圖1裝置同樣存在換熱效率稍差的問題。

3、如圖3所示裝置，在電機殼13上增加一吹氣風扇11和一吸氣風扇14，使電機內(nèi)部氣流形成氣流循環(huán)“大氣→F11→F12→F13→F14→F15→大氣”，將轉(zhuǎn)子17表面的部分熱量帶走，但轉(zhuǎn)子17與定子繞組12之間氣隙很小，氣流難以直接流過轉(zhuǎn)子表面，散熱效率極低。

4、如圖4所示裝置，轉(zhuǎn)子24上永磁體兩側(cè)自帶微型軸流葉輪23，葉輪23旋轉(zhuǎn)過程中強迫冷空氣流流經(jīng)轉(zhuǎn)子表面，形成“大氣→F21→F22→F23→F24→F25→大氣”氣流循環(huán)，將熱量帶走，進而達到冷卻轉(zhuǎn)子的目的，此種方式同樣因為氣隙小，存在散熱效率低的問題，且軸上的軸流葉輪23加工成本高。

有鑒于此，該領(lǐng)域技術(shù)人員致力于研發(fā)一種用于高速永磁電機轉(zhuǎn)子散熱的冷卻裝置，以保證電機的運行溫度控制在安全范圍內(nèi)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的任務(wù)是提供一種高速永磁電機轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)，通過直接對軸的絕大多數(shù)軸向長度范圍內(nèi)進行直接對流換熱，提高了換熱效率，解決了上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的高速永磁電機轉(zhuǎn)子散熱的問題。

本實用新型的技術(shù)解決方案如下：

一種高速永磁電機轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)，它包括電機殼體、永磁電機轉(zhuǎn)子、推力盤、第一軸承、第二軸承、定子繞組以及轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路；

所述永磁電機轉(zhuǎn)子設(shè)置在電機殼體內(nèi)，在轉(zhuǎn)子兩側(cè)安裝第一軸承和第二軸承，定子繞組設(shè)置在轉(zhuǎn)子外圍，在距離轉(zhuǎn)子表面并且距離較近的定子繞組中軸向均勻布置二至四個轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路，在氣管路靠向軸的一側(cè)以間距10mm的距離均勻布置直徑為1.5mm的數(shù)個氣孔，在電機殼體上周向均勻地開設(shè)六至十六個直徑相宜的孔，聯(lián)通大氣，形成大氣流通的冷卻劑循環(huán)回路。

所述轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路連接同一個壓力氣源，氣源壓力為0.5bar（G）～1bar（G）。

所述轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路連接一個小型真空泵，真空泵工作使得軸的周圍形成負壓，設(shè)置相反的氣流方向和循環(huán)回路，在負壓工況下使轉(zhuǎn)子與氣體的摩擦損失降到最低，同樣達到冷卻高速永磁電機轉(zhuǎn)子的效果。

所述轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路靠向軸的一側(cè)所設(shè)的數(shù)個氣孔改為一條整縫，縫隙寬度為1mm，以使軸的散熱更充分。

采用本實用新型的一種高速永磁電機轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)，直接對軸的絕大多數(shù)軸向長度范圍內(nèi)進行直接對流換熱，解決了大功率高速永磁電機轉(zhuǎn)子的散熱問題，使得換熱效率更佳，更加實用可靠，結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低，效果更好。

本實用新型的基本思想是用常溫空氣或其他氣態(tài)冷卻劑與軸的絕大多數(shù)表面進行直接對流換熱，以使換熱效率達到最佳。同時對轉(zhuǎn)子本身不做任何改造，最大限度地使結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，降低冷卻氣體消耗量。

在本實用新型中使用的冷卻用氣管路采用不銹鋼或者其他非磁性材質(zhì)，避免給永磁轉(zhuǎn)子增加磁吸力。

本實用新型中永磁電機屬于大功率（≥100kW）超高轉(zhuǎn)速（≥10000RPM）的裝置，轉(zhuǎn)子磁性極強，發(fā)熱功率密度極大。

本實用新型中冷卻用氣管路的布置需要在圓周方向上均勻布置二至四根，以使氣流對軸產(chǎn)生的沖力能夠互相抵消，不對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生額外的不均衡力。

本實用新型中所述冷卻用氣管路的一端連接壓力氣源或者真空泵，另在電機內(nèi)部一端完全封閉，以防冷卻劑泄露造成浪費。

本實用新型所述冷卻用氣管路在靠近軸表面的一側(cè)開設(shè)一排直徑為0.5mm～2mm的孔，間距以8mm～20mm為宜，或者寬度為0.5mm～1.5mm的無間斷縫隙，長度應和具體結(jié)構(gòu)相適應，以方便氣流流通，使得對流換熱得以形成。

本實用新型所述壓力氣源的壓力無需太高，以0.5bar（G）～1bar（G）為佳，以防摩擦損失過大。

與其他轉(zhuǎn)子散熱方式相比，使用本實用新型的冷卻系統(tǒng)可以將冷卻空氣的用量降低一倍，摩擦損失降低到二分之一以下。

本實用新型的特點可參閱附圖及以下較好實施方式的詳細說明而獲得清楚的了解。

附圖說明

圖1至圖4為市場上現(xiàn)有或已申請專利的轉(zhuǎn)子冷卻方式的永磁電機結(jié)構(gòu)簡圖。

圖5為本實用新型第一實施方式的永磁電機轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為圖5中標號為Ⅰ的局部放大圖。

圖7為圖5中標號為Ⅱ的局部放大圖。

圖8為本實用新型第二實施方式的永磁電機轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)的冷卻管開設(shè)無間斷縫隙結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本實用新型第三實施方式的永磁電機轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為圖9中標號為Ⅰ的局部放大圖。

圖11為圖9中標號為Ⅱ的局部放大圖。

圖12為本實用新型第四實施方式的永磁電機轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)的冷卻管開設(shè)無間斷縫隙結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記：

圖1中：1為冷卻空氣入口，2為冷卻水進口，3為冷卻水出口，4、5為軸承，7為電機定子，10為電機轉(zhuǎn)子。

圖2中：20為電機軸，30為電機轉(zhuǎn)子，40為定子，50為空氣，60為負壓冷卻空氣，70為真空泵。

圖3中：11為吹氣風扇，12為定子繞組，13為電機殼，14為吸氣風扇，15為電機端蓋，16為軸承，17為轉(zhuǎn)子，18為軸承。

圖4中：21為電機殼，22為定子繞組，23為微型軸流葉輪，24為轉(zhuǎn)子。

31為轉(zhuǎn)子，32為推力盤，33為第一軸承，34為電機殼體，35為轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路，36為定子繞組，37為第二軸承，38為氣孔，39為整縫，41為真空泵。

具體實施方式

為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施例進一步闡述本實用新型。

參見圖5至圖12，本實用新型提供一種高速永磁電機轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)，它主要由電機殼體34、永磁電機轉(zhuǎn)子31、推力盤32、第一軸承33、第二軸承37、定子繞組36以及轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路35組成。

永磁電機轉(zhuǎn)子31設(shè)置在電機殼體34內(nèi)，在轉(zhuǎn)子31兩側(cè)安裝第一軸承33和第二軸承37，定子繞組36設(shè)置在轉(zhuǎn)子31外圍，在距離轉(zhuǎn)子31表面并且距離較近的定子繞組36中軸向均勻布置二至四個轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路35，在氣管路35靠向軸的一側(cè)以間距10mm的距離均勻布置直徑為1.5mm的數(shù)個氣孔38，在電機殼體34上周向均勻地開設(shè)六至十六個直徑相宜的孔，聯(lián)通大氣，形成大氣流通的冷卻劑循環(huán)回路。

轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路35連接同一個壓力氣源，氣源壓力為0.5bar（G）～1bar（G）。

在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，高速電機轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路（氣管路根據(jù)結(jié)構(gòu)和實際需要圓周方向均勻布置二至四個）連接同一個壓力氣源，氣源壓力0.5bar（G）～1bar（G）。

在本實用新型的另一個優(yōu)選實施例中，高速電機轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路（氣管路根據(jù)結(jié)構(gòu)和實際需要圓周方向均勻布置二至四個）連接一個小型真空泵41，氣流方向與上一實施例正好相反，在壓力低的工況下可大幅降低轉(zhuǎn)子與氣流之間的摩擦損耗。

如圖9所示，轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路35連接一個小型真空泵41，真空泵41工作使得軸的周圍形成負壓，設(shè)置相反的氣流方向和循環(huán)回路，在負壓工況下使轉(zhuǎn)子與氣體的摩擦損失降到最低，同樣達到冷卻高速永磁電機轉(zhuǎn)子的效果。

如圖8所示，轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路35靠向軸的一側(cè)所設(shè)的數(shù)個氣孔38改為一條整縫39，縫隙寬度為1mm，以使軸的散熱更充分。

本實用新型的一種高速永磁電機轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)的冷卻方式如下：

永磁電機轉(zhuǎn)子31在第一軸承33和第二軸承37的支承下高速旋轉(zhuǎn)，在距離轉(zhuǎn)子31表面并且距離較近的定子繞組36中軸向均勻布置二至四個轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路35，該氣管路35的一端被封堵，在氣管路35靠向軸的一側(cè)以間距10mm的距離均勻布置直徑為1.5mm的數(shù)個氣孔38，以使新鮮冷卻劑或空氣吹向軸的整個發(fā)熱表面形成對流換熱，使冷卻效果達到最佳。

在電機殼體34上周向均勻地開設(shè)六至十六個直徑相宜的孔，聯(lián)通大氣，最后形成大氣從氣管路35進口進入直至電機殼體34上的孔流出的冷卻劑循環(huán)回路。

冷卻劑循環(huán)回路的大氣流程為：大氣從轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路35進口進入，在氣管路35內(nèi)流動至靠向軸的一側(cè)的數(shù)個氣孔38，并從氣孔38流出進入定子繞組36外部與電機殼體34內(nèi)部之間的空間，再從電機殼體34上的孔流出。

實施例1：

參見圖5至圖7，圖5所示為一臺轉(zhuǎn)速20000R/min、功率大于100kW的永磁電機，轉(zhuǎn)子31在軸承33和軸承37的支承下高速旋轉(zhuǎn)，在距離轉(zhuǎn)子31表面距離較近的定子繞組36中軸向均勻布置二至四個氣管路35，該氣管路35一端封死，在氣管路靠向軸的一側(cè)以間距10mm的距離均勻布置直徑為1.5mm大小的氣孔，以使新鮮冷卻劑（空氣）吹向軸的整個發(fā)熱表面形成對流換熱，使冷卻效果達到最佳。在電機殼體34上周向均勻開設(shè)六至十六個直徑相宜的孔，聯(lián)通大氣。最后形成“大氣→F31→F32→F33→F34→F35→F36→F37→大氣”的冷卻劑循環(huán)回路。

實施例2：

參見圖8，該方案與實施例1唯一的區(qū)別是氣管路35上由開孔變?yōu)橐粭l整縫39，縫隙寬度1mm左右，相對實施例1，此方案可使軸的散熱更充分，效果更佳。

實施例3：

參見圖9至圖11，該方案結(jié)構(gòu)與實施例1類似，不同的地方在于增加了一個真空泵41，真空泵41工作使得軸的周圍形成負壓，氣流方向和循環(huán)回路與實施例1相反，冷卻劑循環(huán)路徑為“大氣→F47→F46→F45→F44→F43→F42→F41→大氣”，負壓工況下，會使轉(zhuǎn)子與氣體的摩擦損失降到最低，同樣能達到冷卻高速永磁電機轉(zhuǎn)子的效果。

實施例4：

參見圖12，該方案與實施例3唯一的區(qū)別是氣管路35上由開孔變?yōu)橐粭l整縫39，縫隙寬度1mm左右，相對實施例3，此方案可使軸的散熱更充分，效果更佳。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型的范圍內(nèi)。本實用新型要求的保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。