高速永磁电机转子的冷却系统的制作方法

本实用新型涉及高速永磁电机转子的冷却系统，特别是大功率（≥100kW）超高转速（≥10000RPM）的永磁电机装置，主要涉及一种用于大功率高速永磁电机转子散热的冷却系统。

背景技术：

高速永磁电机是集成了机械、电气、控制、电力电子和新材料等各种先进技术的高度机电一体化的产品。其特点在于，将电机的功能与传统的齿轮箱等传动系统从结构上融为一体，省去复杂的中间传动环节，具有调速范围宽、转动惯量小、能量消耗少、工作效率高、易于实现无级调速和精密控制等优点。随着现代装备制造业向高速度、高效率、低能耗、高自动化方向不断发展，高速电机的技术提升和结构创新显得越来越迫切。由于高速永磁电机发热功率大，容易导致定子、转子温度过高，影响电机效率，甚至还可能会导致转子永磁体不可逆失磁，造成电机报废。因此，如何保证电机的运行温度（尤其转子永磁体工作温度）在安全范围内是高速永磁电机设计的难点之一。目前常见的永磁电机转子冷却方式如下：

1、如图1所示装置，电机定子7由冷却水从冷却水进口2流向冷却水出口3，实现冷却。电机转子10通过冷却空气入口1注入冷却用压缩空气进行冷却。从冷却空气入口1注入0.2Mpa～0.4Mpa压缩空气，冷却转子表面，同时在轴承4、5上流动，最后排放到大气中。这种冷却空气需要大约0.2Mpa～0.4Mpa压力。此种方案的不足在于冷却空气只在转子中间部位对轴直吹，压力大气流容易造成转子受力不平衡，轴的大部分表面未直接与新鲜冷空气进行换热，换热效率差，且空气压力较大，造成摩擦损失较大。

2、如图2所示装置，中间位置是电机转子30，空气50从大气中吸入，从电机转子30的两端吸入，负压冷却空气60通过中间位置贯通定子40，通过真空泵70或者空气喷射器排出，释放到大气中。图2所示中，下部的排气通道与上部的排气通道连通，并共用一个真空泵70。此冷却方式可使摩擦损失降低，但和图1装置同样存在换热效率稍差的问题。

3、如图3所示装置，在电机壳13上增加一吹气风扇11和一吸气风扇14，使电机内部气流形成气流循环“大气→F11→F12→F13→F14→F15→大气”，将转子17表面的部分热量带走，但转子17与定子绕组12之间气隙很小，气流难以直接流过转子表面，散热效率极低。

4、如图4所示装置，转子24上永磁体两侧自带微型轴流叶轮23，叶轮23旋转过程中强迫冷空气流流经转子表面，形成“大气→F21→F22→F23→F24→F25→大气”气流循环，将热量带走，进而达到冷却转子的目的，此种方式同样因为气隙小，存在散热效率低的问题，且轴上的轴流叶轮23加工成本高。

有鉴于此，该领域技术人员致力于研发一种用于高速永磁电机转子散热的冷却装置，以保证电机的运行温度控制在安全范围内。

技术实现要素：

本实用新型的任务是提供一种高速永磁电机转子的冷却系统，通过直接对轴的绝大多数轴向长度范围内进行直接对流换热，提高了换热效率，解决了上述现有技术所存在的高速永磁电机转子散热的问题。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种高速永磁电机转子的冷却系统，它包括电机壳体、永磁电机转子、推力盘、第一轴承、第二轴承、定子绕组以及转子冷却用气管路；

所述永磁电机转子设置在电机壳体内，在转子两侧安装第一轴承和第二轴承，定子绕组设置在转子外围，在距离转子表面并且距离较近的定子绕组中轴向均匀布置二至四个转子冷却用气管路，在气管路靠向轴的一侧以间距10mm的距离均匀布置直径为1.5mm的数个气孔，在电机壳体上周向均匀地开设六至十六个直径相宜的孔，联通大气，形成大气流通的冷却剂循环回路。

所述转子冷却用气管路连接同一个压力气源，气源压力为0.5bar（G）～1bar（G）。

所述转子冷却用气管路连接一个小型真空泵，真空泵工作使得轴的周围形成负压，设置相反的气流方向和循环回路，在负压工况下使转子与气体的摩擦损失降到最低，同样达到冷却高速永磁电机转子的效果。

所述转子冷却用气管路靠向轴的一侧所设的数个气孔改为一条整缝，缝隙宽度为1mm，以使轴的散热更充分。

采用本实用新型的一种高速永磁电机转子的冷却系统，直接对轴的绝大多数轴向长度范围内进行直接对流换热，解决了大功率高速永磁电机转子的散热问题，使得换热效率更佳，更加实用可靠，结构更简单，成本更低，效果更好。

本实用新型的基本思想是用常温空气或其他气态冷却剂与轴的绝大多数表面进行直接对流换热，以使换热效率达到最佳。同时对转子本身不做任何改造，最大限度地使结构简单，制造成本低廉，降低冷却气体消耗量。

在本实用新型中使用的冷却用气管路采用不锈钢或者其他非磁性材质，避免给永磁转子增加磁吸力。

本实用新型中永磁电机属于大功率（≥100kW）超高转速（≥10000RPM）的装置，转子磁性极强，发热功率密度极大。

本实用新型中冷却用气管路的布置需要在圆周方向上均匀布置二至四根，以使气流对轴产生的冲力能够互相抵消，不对转子产生额外的不均衡力。

本实用新型中所述冷却用气管路的一端连接压力气源或者真空泵，另在电机内部一端完全封闭，以防冷却剂泄露造成浪费。

本实用新型所述冷却用气管路在靠近轴表面的一侧开设一排直径为0.5mm～2mm的孔，间距以8mm～20mm为宜，或者宽度为0.5mm～1.5mm的无间断缝隙，长度应和具体结构相适应，以方便气流流通，使得对流换热得以形成。

本实用新型所述压力气源的压力无需太高，以0.5bar（G）～1bar（G）为佳，以防摩擦损失过大。

与其他转子散热方式相比，使用本实用新型的冷却系统可以将冷却空气的用量降低一倍，摩擦损失降低到二分之一以下。

本实用新型的特点可参阅附图及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚的了解。

附图说明

图1至图4为市场上现有或已申请专利的转子冷却方式的永磁电机结构简图。

图5为本实用新型第一实施方式的永磁电机转子冷却系统的结构示意图。

图6为图5中标号为Ⅰ的局部放大图。

图7为图5中标号为Ⅱ的局部放大图。

图8为本实用新型第二实施方式的永磁电机转子冷却系统的冷却管开设无间断缝隙结构示意图。

图9为本实用新型第三实施方式的永磁电机转子冷却系统的结构示意图。

图10为图9中标号为Ⅰ的局部放大图。

图11为图9中标号为Ⅱ的局部放大图。

图12为本实用新型第四实施方式的永磁电机转子冷却系统的冷却管开设无间断缝隙结构示意图。

附图标记：

图1中：1为冷却空气入口，2为冷却水进口，3为冷却水出口，4、5为轴承，7为电机定子，10为电机转子。

图2中：20为电机轴，30为电机转子，40为定子，50为空气，60为负压冷却空气，70为真空泵。

图3中：11为吹气风扇，12为定子绕组，13为电机壳，14为吸气风扇，15为电机端盖，16为轴承，17为转子，18为轴承。

图4中：21为电机壳，22为定子绕组，23为微型轴流叶轮，24为转子。

31为转子，32为推力盘，33为第一轴承，34为电机壳体，35为转子冷却用气管路，36为定子绕组，37为第二轴承，38为气孔，39为整缝，41为真空泵。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本实用新型。

参见图5至图12，本实用新型提供一种高速永磁电机转子的冷却系统，它主要由电机壳体34、永磁电机转子31、推力盘32、第一轴承33、第二轴承37、定子绕组36以及转子冷却用气管路35组成。

永磁电机转子31设置在电机壳体34内，在转子31两侧安装第一轴承33和第二轴承37，定子绕组36设置在转子31外围，在距离转子31表面并且距离较近的定子绕组36中轴向均匀布置二至四个转子冷却用气管路35，在气管路35靠向轴的一侧以间距10mm的距离均匀布置直径为1.5mm的数个气孔38，在电机壳体34上周向均匀地开设六至十六个直径相宜的孔，联通大气，形成大气流通的冷却剂循环回路。

转子冷却用气管路35连接同一个压力气源，气源压力为0.5bar（G）～1bar（G）。

在本实用新型的一个优选实施例中，高速电机转子冷却用气管路（气管路根据结构和实际需要圆周方向均匀布置二至四个）连接同一个压力气源，气源压力0.5bar（G）～1bar（G）。

在本实用新型的另一个优选实施例中，高速电机转子冷却用气管路（气管路根据结构和实际需要圆周方向均匀布置二至四个）连接一个小型真空泵41，气流方向与上一实施例正好相反，在压力低的工况下可大幅降低转子与气流之间的摩擦损耗。

如图9所示，转子冷却用气管路35连接一个小型真空泵41，真空泵41工作使得轴的周围形成负压，设置相反的气流方向和循环回路，在负压工况下使转子与气体的摩擦损失降到最低，同样达到冷却高速永磁电机转子的效果。

如图8所示，转子冷却用气管路35靠向轴的一侧所设的数个气孔38改为一条整缝39，缝隙宽度为1mm，以使轴的散热更充分。

本实用新型的一种高速永磁电机转子的冷却系统的冷却方式如下：

永磁电机转子31在第一轴承33和第二轴承37的支承下高速旋转，在距离转子31表面并且距离较近的定子绕组36中轴向均匀布置二至四个转子冷却用气管路35，该气管路35的一端被封堵，在气管路35靠向轴的一侧以间距10mm的距离均匀布置直径为1.5mm的数个气孔38，以使新鲜冷却剂或空气吹向轴的整个发热表面形成对流换热，使冷却效果达到最佳。

在电机壳体34上周向均匀地开设六至十六个直径相宜的孔，联通大气，最后形成大气从气管路35进口进入直至电机壳体34上的孔流出的冷却剂循环回路。

冷却剂循环回路的大气流程为：大气从转子冷却用气管路35进口进入，在气管路35内流动至靠向轴的一侧的数个气孔38，并从气孔38流出进入定子绕组36外部与电机壳体34内部之间的空间，再从电机壳体34上的孔流出。

实施例1：

参见图5至图7，图5所示为一台转速20000R/min、功率大于100kW的永磁电机，转子31在轴承33和轴承37的支承下高速旋转，在距离转子31表面距离较近的定子绕组36中轴向均匀布置二至四个气管路35，该气管路35一端封死，在气管路靠向轴的一侧以间距10mm的距离均匀布置直径为1.5mm大小的气孔，以使新鲜冷却剂（空气）吹向轴的整个发热表面形成对流换热，使冷却效果达到最佳。在电机壳体34上周向均匀开设六至十六个直径相宜的孔，联通大气。最后形成“大气→F31→F32→F33→F34→F35→F36→F37→大气”的冷却剂循环回路。

实施例2：

参见图8，该方案与实施例1唯一的区别是气管路35上由开孔变为一条整缝39，缝隙宽度1mm左右，相对实施例1，此方案可使轴的散热更充分，效果更佳。

实施例3：

参见图9至图11，该方案结构与实施例1类似，不同的地方在于增加了一个真空泵41，真空泵41工作使得轴的周围形成负压，气流方向和循环回路与实施例1相反，冷却剂循环路径为“大气→F47→F46→F45→F44→F43→F42→F41→大气”，负压工况下，会使转子与气体的摩擦损失降到最低，同样能达到冷却高速永磁电机转子的效果。

实施例4：

参见图12，该方案与实施例3唯一的区别是气管路35上由开孔变为一条整缝39，缝隙宽度1mm左右，相对实施例3，此方案可使轴的散热更充分，效果更佳。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。