一种超高速永磁电机空心转子冷却结构的制作方法

本发明属于超高速永磁电机技术领域，特别是涉及一种超高速永磁电机空心转子冷却结构。

背景技术：

超高速永磁电机具有结构简单、力能密度高、无励磁损耗及效率高的特点，并且可与工作负载直接相连实现直驱，其在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、高速离心压缩机、鼓风机及航空航天等技术领域具有广泛的应用前景。

但是，在高速高频下，超高速永磁电机会因高基波频率而导致定子损耗、转子涡流损耗及风磨耗都明显增加，由于超高速永磁电机散热困难，很容易出现电机过热的情况，进而导致永磁体发生不可逆失磁。

为了避免超高速永磁电机出现过热，技术人员们相继开发出了多种冷却结构，可分为空冷结构、水冷结构、油冷结构及氢冷结构。

目前，空冷结构最为普遍，主要因其冷却结构最为简单，而且冷却成本最低，但其冷却效果最为一般，特别是空冷方式还会增加风磨耗，同时还伴随着较大的噪声。

对于水冷结构和油冷结构来说，冷却结构大体相同，主要区别在于冷却介质，但目前的水冷结构和油冷结构都只针对于定子的冷却，并未考虑转子的冷却，因此在冷却效果上仍有待提高。

对于氢冷结构来说，分为表面冷却和内冷却，表面冷却虽然可以降低绕组的表面温度，但绝缘层中的温度几乎没有改变，因此冷却效果并不理想；内冷却是通过在实心铜线中夹进空心钢管，并让氢气从钢管中流过，进而导出铜线中的热量，但内冷却只适合于大型发电机，因此适用范围较小。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超高速永磁电机空心转子冷却结构，首次实现在定子冷却的同时满足转子的冷却，在不增加整机结构尺寸的前提下，有效提高了冷却效率，并且具备冷却结构简单、冷却成本低、无风磨耗以及电机安全运行寿命高的特点，特别适合于高功率密度的超高速永磁电机。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超高速永磁电机空心转子冷却结构，包括机壳、端盖、定子及转子，所述定子包括定子铁心、定子绕组及定子压板，所述转子包括转轴、永磁体及碳纤维护套；所述定子铁心固定设置在机壳内表面，定子绕组固定设置在定子铁心上，定子压板固定设置在定子铁心的两端；所述端盖固定设置在机壳两端，所述转轴通过轴承与端盖相连，永磁体固定设置在转轴表面，碳纤维护套套装于永磁体外侧；其特点是：所述转轴采用空心结构，转轴的中心孔道为转子轴向冷却水道；在所述机壳外部套装有冷却水套，在冷却水套内部设置有定子周向螺旋冷却水道；所述冷却水套一端设置有进水冷却端盖，进水冷却端盖套装在转轴一端；所述冷却水套另一端设置有出水冷却端盖，出水冷却端盖套装在转轴另一端；所述定子周向螺旋冷却水道依次通过进水冷却端盖及转子轴向冷却水道与出水冷却端盖相连通；在所述冷却水套上设置有冷却水入口和冷却水出口，冷却水入口与定子周向螺旋冷却水道的进水端相通，冷却水出口与出水冷却端盖的出水端相通。

所述定子周向螺旋冷却水道采用并联式双螺旋水道。

在所述进水冷却端盖内设置有进水圆周侧环状水道、进水径向水道及进水圆心侧环状水道，所述进水圆周侧环状水道与定子周向螺旋冷却水道的出水端相通，进水圆周侧环状水道通过进水径向水道与进水圆心侧环状水道相通；在所述进水圆心侧环状水道正对的转轴上开设有转轴进水孔，进水圆心侧环状水道通过转轴进水孔与转子轴向冷却水道相通；在所述进水圆心侧环状水道轴向方向的两侧，进水冷却端盖上安装有密封，所述转轴通过密封与进水冷却端盖转动密封配合。

所述转轴进水孔数量若干，若干转轴进水孔均布设置；所述转轴进水孔的轴向中心线与转轴的外表面具有倾角，倾角范围为30°～40°。

所述进水径向水道数量若干，若干进水径向水道均布设置。

在所述出水冷却端盖内设置有出水圆周侧环状水道、出水径向水道及出水圆心侧环状水道；所述出水圆周侧环状水道与冷却水出口相通，出水圆周侧环状水道通过出水径向水道与出水圆心侧环状水道相通；在所述出水圆心侧环状水道正对的转轴上开设有转轴出水孔，出水圆心侧环状水道通过转轴出水孔与转子轴向冷却水道相通；在所述出水圆心侧环状水道轴向方向的两侧，出水冷却端盖上安装有密封，所述转轴通过密封与出水冷却端盖转动密封配合。

所述转轴出水孔数量若干，若干转轴出水孔均布设置；所述转轴出水孔的轴向中心线与转轴的外表面具有倾角，倾角范围为30°～40°。

所述出水径向水道数量若干，若干出水径向水道均布设置。

所述转轴出水孔的孔径大于转轴进水孔的孔径。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，首次实现在定子冷却的同时满足转子的冷却，在不增加整机结构尺寸的前提下，有效提高了冷却效率，并且具备冷却结构简单、冷却成本低、无风磨耗以及电机安全运行寿命高的特点，特别适合于高功率密度的超高速永磁电机。

附图说明

图1为本发明的一种超高速永磁电机空心转子冷却结构的示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图1中B-B剖视图；

图中，1—机壳，2—端盖，3—定子铁心，4—定子绕组，5—定子压板，6—转轴，7—永磁体，8—碳纤维护套，9—轴承，10—转子轴向冷却水道，11—冷却水套，12—定子周向螺旋冷却水道，13—进水冷却端盖，14—出水冷却端盖，15—冷却水入口，16—冷却水出口，17—进水圆周侧环状水道，18—进水径向水道，19—进水圆心侧环状水道，20—转轴进水孔，21—出水圆周侧环状水道，22—出水径向水道，23—出水圆心侧环状水道，24—转轴出水孔，25—密封。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种超高速永磁电机空心转子冷却结构，包括机壳1、端盖2、定子及转子，所述定子包括定子铁心3、定子绕组4及定子压板5，所述转子包括转轴6、永磁体7及碳纤维护套8；所述定子铁心3固定设置在机壳1内表面，定子绕组4固定设置在定子铁心3上，定子压板5固定设置在定子铁心3的两端；所述端盖2固定设置在机壳1两端，所述转轴6通过轴承9与端盖2相连，永磁体7固定设置在转轴6表面，碳纤维护套8套装于永磁体7外侧；所述转轴6采用空心结构，转轴6的中心孔道为转子轴向冷却水道10；在所述机壳1外部套装有冷却水套11，在冷却水套11内部设置有定子周向螺旋冷却水道12；所述冷却水套11一端设置有进水冷却端盖13，进水冷却端盖13套装在转轴6一端；所述冷却水套11另一端设置有出水冷却端盖14，出水冷却端盖14套装在转轴6另一端；所述定子周向螺旋冷却水道12依次通过进水冷却端盖13及转子轴向冷却水道10与出水冷却端盖14相连通；在所述冷却水套11上设置有冷却水入口15和冷却水出口16，冷却水入口15与定子周向螺旋冷却水道12的进水端相通，冷却水出口16与出水冷却端盖14的出水端相通。

所述定子周向螺旋冷却水道12采用并联式双螺旋水道，在减小沿程阻力的同时，还可有效增大散热面积，同时有效带走定子损耗产生的热量，使定子温升更加均匀，避免局部温升过高导致电机寿命减小。

在所述进水冷却端盖13内设置有进水圆周侧环状水道17、进水径向水道18及进水圆心侧环状水道19，所述进水圆周侧环状水道17与定子周向螺旋冷却水道12的出水端相通，进水圆周侧环状水道17通过进水径向水道18与进水圆心侧环状水道19相通；在所述进水圆心侧环状水道19正对的转轴6上开设有转轴进水孔20，进水圆心侧环状水道19通过转轴进水孔20与转子轴向冷却水道10相通；在所述进水圆心侧环状水道19轴向方向的两侧，进水冷却端盖13上安装有密封25，所述转轴6通过密封25与进水冷却端盖13转动密封配合。

所述转轴进水孔20数量若干，若干转轴进水孔20均布设置，本实施例中，转轴进水孔20共设置有四个；所述转轴进水孔20的轴向中心线与转轴6的外表面具有倾角，倾角范围为30°～40°。

所述进水径向水道18数量若干，若干进水径向水道18均布设置。本实施例中，进水径向水道18共设置有四条。

在所述出水冷却端盖14内设置有出水圆周侧环状水道21、出水径向水道22及出水圆心侧环状水道23；所述出水圆周侧环状水道21与冷却水出口16相通，出水圆周侧环状水道21通过出水径向水道22与出水圆心侧环状水道23相通；在所述出水圆心侧环状水道23正对的转轴6上开设有转轴出水孔24，出水圆心侧环状水道23通过转轴出水孔24与转子轴向冷却水道10相通；在所述出水圆心侧环状水道23轴向方向的两侧，出水冷却端盖14上安装有密封25，所述转轴6通过密封25与出水冷却端盖14转动密封配合。

所述转轴出水孔24数量若干，若干转轴出水孔24均布设置。本实施例中，转轴出水孔24共设置有四个；所述转轴出水孔24的轴向中心线与转轴6的外表面具有倾角，倾角范围为30°～40°。

所述出水径向水道22数量若干，若干出水径向水道22均布设置。本实施例中，出水径向水道22共设置有四条。

所述转轴出水孔24的孔径大于转轴进水孔20的孔径，可以有效增大整个冷却水道系统的进水口和出水口的压降，使整个冷却水道系统内的水流更加顺畅。本实施例中，转轴出水孔24的孔径为10mm，转轴进水孔20的孔径为8mm。

下面结合附图说明本发明的使用过程：

首先将冷却水入口15与冷却水循环系统的供水口相连通，同时将冷却水出口16与冷却水循环系统的回水口相连通，先启动冷却水循环系统，然后启动超高速永磁电机。

冷却水通过冷却水入口15首先进入冷却水套11内部的定子周向螺旋冷却水道12，冷却水在周向螺旋冷却水道12内流动，进而带走定子损耗产生的热量，使定子温升更加均匀，避免局部温升过高导致电机寿命减小。

冷却水从定子周向螺旋冷却水道12的出水端直接流入进水冷却端盖13的进水圆周侧环状水道17内，再通过进水径向水道18进入进水圆心侧环状水道19，进水圆心侧环状水道19具备了一定程度的储水能力，在转轴6高速旋转过程中，进水圆心侧环状水道19内的冷却水将均匀且连续不断的通过转轴进水孔20进入转子轴向冷却水道10中，由于转轴出水孔24的轴向中心线与转轴6的外表面具有倾角，可以进一步的保证冷却水能够均匀且连续不断进入转子轴向冷却水道10内，冷却水在转子轴向冷却水道10内流动，将直接带走转子损耗产生的热量，使转子升温更加均匀，同时避免转子因温升不均而发生变形，还可直接带走轴承9内的热量，进一步提高轴承9的使用寿命。

冷却水从转轴出水孔24流出转轴6，并直接进入出水冷却端盖14的出水圆心侧环状水道23内，再通过出水径向水道22进入出水圆周侧环状水道21中，而冷却水最终从冷却水出口16流出。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。