本發(fā)明屬于超高速永磁電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種超高速永磁電機(jī)空心轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

超高速永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、力能密度高、無勵(lì)磁損耗及效率高的特點(diǎn)，并且可與工作負(fù)載直接相連實(shí)現(xiàn)直驅(qū)，其在高速磨床、空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、儲(chǔ)能飛輪、高速離心壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)及航空航天等技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

但是，在高速高頻下，超高速永磁電機(jī)會(huì)因高基波頻率而導(dǎo)致定子損耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗及風(fēng)磨耗都明顯增加，由于超高速永磁電機(jī)散熱困難，很容易出現(xiàn)電機(jī)過熱的情況，進(jìn)而導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆失磁。

為了避免超高速永磁電機(jī)出現(xiàn)過熱，技術(shù)人員們相繼開發(fā)出了多種冷卻結(jié)構(gòu)，可分為空冷結(jié)構(gòu)、水冷結(jié)構(gòu)、油冷結(jié)構(gòu)及氫冷結(jié)構(gòu)。

目前，空冷結(jié)構(gòu)最為普遍，主要因其冷卻結(jié)構(gòu)最為簡單，而且冷卻成本最低，但其冷卻效果最為一般，特別是空冷方式還會(huì)增加風(fēng)磨耗，同時(shí)還伴隨著較大的噪聲。

對于水冷結(jié)構(gòu)和油冷結(jié)構(gòu)來說，冷卻結(jié)構(gòu)大體相同，主要區(qū)別在于冷卻介質(zhì)，但目前的水冷結(jié)構(gòu)和油冷結(jié)構(gòu)都只針對于定子的冷卻，并未考慮轉(zhuǎn)子的冷卻，因此在冷卻效果上仍有待提高。

對于氫冷結(jié)構(gòu)來說，分為表面冷卻和內(nèi)冷卻，表面冷卻雖然可以降低繞組的表面溫度，但絕緣層中的溫度幾乎沒有改變，因此冷卻效果并不理想；內(nèi)冷卻是通過在實(shí)心銅線中夾進(jìn)空心鋼管，并讓氫氣從鋼管中流過，進(jìn)而導(dǎo)出銅線中的熱量，但內(nèi)冷卻只適合于大型發(fā)電機(jī)，因此適用范圍較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種超高速永磁電機(jī)空心轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)在定子冷卻的同時(shí)滿足轉(zhuǎn)子的冷卻，在不增加整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，有效提高了冷卻效率，并且具備冷卻結(jié)構(gòu)簡單、冷卻成本低、無風(fēng)磨耗以及電機(jī)安全運(yùn)行壽命高的特點(diǎn)，特別適合于高功率密度的超高速永磁電機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種超高速永磁電機(jī)空心轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)，包括機(jī)殼、端蓋、定子及轉(zhuǎn)子，所述定子包括定子鐵心、定子繞組及定子壓板，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸、永磁體及碳纖維護(hù)套；所述定子鐵心固定設(shè)置在機(jī)殼內(nèi)表面，定子繞組固定設(shè)置在定子鐵心上，定子壓板固定設(shè)置在定子鐵心的兩端；所述端蓋固定設(shè)置在機(jī)殼兩端，所述轉(zhuǎn)軸通過軸承與端蓋相連，永磁體固定設(shè)置在轉(zhuǎn)軸表面，碳纖維護(hù)套套裝于永磁體外側(cè)；其特點(diǎn)是：所述轉(zhuǎn)軸采用空心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸的中心孔道為轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道；在所述機(jī)殼外部套裝有冷卻水套，在冷卻水套內(nèi)部設(shè)置有定子周向螺旋冷卻水道；所述冷卻水套一端設(shè)置有進(jìn)水冷卻端蓋，進(jìn)水冷卻端蓋套裝在轉(zhuǎn)軸一端；所述冷卻水套另一端設(shè)置有出水冷卻端蓋，出水冷卻端蓋套裝在轉(zhuǎn)軸另一端；所述定子周向螺旋冷卻水道依次通過進(jìn)水冷卻端蓋及轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道與出水冷卻端蓋相連通；在所述冷卻水套上設(shè)置有冷卻水入口和冷卻水出口，冷卻水入口與定子周向螺旋冷卻水道的進(jìn)水端相通，冷卻水出口與出水冷卻端蓋的出水端相通。

所述定子周向螺旋冷卻水道采用并聯(lián)式雙螺旋水道。

在所述進(jìn)水冷卻端蓋內(nèi)設(shè)置有進(jìn)水圓周側(cè)環(huán)狀水道、進(jìn)水徑向水道及進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道，所述進(jìn)水圓周側(cè)環(huán)狀水道與定子周向螺旋冷卻水道的出水端相通，進(jìn)水圓周側(cè)環(huán)狀水道通過進(jìn)水徑向水道與進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道相通；在所述進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道正對的轉(zhuǎn)軸上開設(shè)有轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔，進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道通過轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔與轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道相通；在所述進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道軸向方向的兩側(cè)，進(jìn)水冷卻端蓋上安裝有密封，所述轉(zhuǎn)軸通過密封與進(jìn)水冷卻端蓋轉(zhuǎn)動(dòng)密封配合。

所述轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔數(shù)量若干，若干轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔均布設(shè)置；所述轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔的軸向中心線與轉(zhuǎn)軸的外表面具有傾角，傾角范圍為30°～40°。

所述進(jìn)水徑向水道數(shù)量若干，若干進(jìn)水徑向水道均布設(shè)置。

在所述出水冷卻端蓋內(nèi)設(shè)置有出水圓周側(cè)環(huán)狀水道、出水徑向水道及出水圓心側(cè)環(huán)狀水道；所述出水圓周側(cè)環(huán)狀水道與冷卻水出口相通，出水圓周側(cè)環(huán)狀水道通過出水徑向水道與出水圓心側(cè)環(huán)狀水道相通；在所述出水圓心側(cè)環(huán)狀水道正對的轉(zhuǎn)軸上開設(shè)有轉(zhuǎn)軸出水孔，出水圓心側(cè)環(huán)狀水道通過轉(zhuǎn)軸出水孔與轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道相通；在所述出水圓心側(cè)環(huán)狀水道軸向方向的兩側(cè)，出水冷卻端蓋上安裝有密封，所述轉(zhuǎn)軸通過密封與出水冷卻端蓋轉(zhuǎn)動(dòng)密封配合。

所述轉(zhuǎn)軸出水孔數(shù)量若干，若干轉(zhuǎn)軸出水孔均布設(shè)置；所述轉(zhuǎn)軸出水孔的軸向中心線與轉(zhuǎn)軸的外表面具有傾角，傾角范圍為30°～40°。

所述出水徑向水道數(shù)量若干，若干出水徑向水道均布設(shè)置。

所述轉(zhuǎn)軸出水孔的孔徑大于轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔的孔徑。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，首次實(shí)現(xiàn)在定子冷卻的同時(shí)滿足轉(zhuǎn)子的冷卻，在不增加整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，有效提高了冷卻效率，并且具備冷卻結(jié)構(gòu)簡單、冷卻成本低、無風(fēng)磨耗以及電機(jī)安全運(yùn)行壽命高的特點(diǎn)，特別適合于高功率密度的超高速永磁電機(jī)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種超高速永磁電機(jī)空心轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2為圖1中A-A剖視圖；

圖3為圖1中B-B剖視圖；

圖中，1—機(jī)殼，2—端蓋，3—定子鐵心，4—定子繞組，5—定子壓板，6—轉(zhuǎn)軸，7—永磁體，8—碳纖維護(hù)套，9—軸承，10—轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道，11—冷卻水套，12—定子周向螺旋冷卻水道，13—進(jìn)水冷卻端蓋，14—出水冷卻端蓋，15—冷卻水入口，16—冷卻水出口，17—進(jìn)水圓周側(cè)環(huán)狀水道，18—進(jìn)水徑向水道，19—進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道，20—轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔，21—出水圓周側(cè)環(huán)狀水道，22—出水徑向水道，23—出水圓心側(cè)環(huán)狀水道，24—轉(zhuǎn)軸出水孔，25—密封。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1～3所示，一種超高速永磁電機(jī)空心轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)，包括機(jī)殼1、端蓋2、定子及轉(zhuǎn)子，所述定子包括定子鐵心3、定子繞組4及定子壓板5，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸6、永磁體7及碳纖維護(hù)套8；所述定子鐵心3固定設(shè)置在機(jī)殼1內(nèi)表面，定子繞組4固定設(shè)置在定子鐵心3上，定子壓板5固定設(shè)置在定子鐵心3的兩端；所述端蓋2固定設(shè)置在機(jī)殼1兩端，所述轉(zhuǎn)軸6通過軸承9與端蓋2相連，永磁體7固定設(shè)置在轉(zhuǎn)軸6表面，碳纖維護(hù)套8套裝于永磁體7外側(cè)；所述轉(zhuǎn)軸6采用空心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸6的中心孔道為轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道10；在所述機(jī)殼1外部套裝有冷卻水套11，在冷卻水套11內(nèi)部設(shè)置有定子周向螺旋冷卻水道12；所述冷卻水套11一端設(shè)置有進(jìn)水冷卻端蓋13，進(jìn)水冷卻端蓋13套裝在轉(zhuǎn)軸6一端；所述冷卻水套11另一端設(shè)置有出水冷卻端蓋14，出水冷卻端蓋14套裝在轉(zhuǎn)軸6另一端；所述定子周向螺旋冷卻水道12依次通過進(jìn)水冷卻端蓋13及轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道10與出水冷卻端蓋14相連通；在所述冷卻水套11上設(shè)置有冷卻水入口15和冷卻水出口16，冷卻水入口15與定子周向螺旋冷卻水道12的進(jìn)水端相通，冷卻水出口16與出水冷卻端蓋14的出水端相通。

所述定子周向螺旋冷卻水道12采用并聯(lián)式雙螺旋水道，在減小沿程阻力的同時(shí)，還可有效增大散熱面積，同時(shí)有效帶走定子損耗產(chǎn)生的熱量，使定子溫升更加均勻，避免局部溫升過高導(dǎo)致電機(jī)壽命減小。

在所述進(jìn)水冷卻端蓋13內(nèi)設(shè)置有進(jìn)水圓周側(cè)環(huán)狀水道17、進(jìn)水徑向水道18及進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道19，所述進(jìn)水圓周側(cè)環(huán)狀水道17與定子周向螺旋冷卻水道12的出水端相通，進(jìn)水圓周側(cè)環(huán)狀水道17通過進(jìn)水徑向水道18與進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道19相通；在所述進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道19正對的轉(zhuǎn)軸6上開設(shè)有轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔20，進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道19通過轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔20與轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道10相通；在所述進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道19軸向方向的兩側(cè)，進(jìn)水冷卻端蓋13上安裝有密封25，所述轉(zhuǎn)軸6通過密封25與進(jìn)水冷卻端蓋13轉(zhuǎn)動(dòng)密封配合。

所述轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔20數(shù)量若干，若干轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔20均布設(shè)置，本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔20共設(shè)置有四個(gè)；所述轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔20的軸向中心線與轉(zhuǎn)軸6的外表面具有傾角，傾角范圍為30°～40°。

所述進(jìn)水徑向水道18數(shù)量若干，若干進(jìn)水徑向水道18均布設(shè)置。本實(shí)施例中，進(jìn)水徑向水道18共設(shè)置有四條。

在所述出水冷卻端蓋14內(nèi)設(shè)置有出水圓周側(cè)環(huán)狀水道21、出水徑向水道22及出水圓心側(cè)環(huán)狀水道23；所述出水圓周側(cè)環(huán)狀水道21與冷卻水出口16相通，出水圓周側(cè)環(huán)狀水道21通過出水徑向水道22與出水圓心側(cè)環(huán)狀水道23相通；在所述出水圓心側(cè)環(huán)狀水道23正對的轉(zhuǎn)軸6上開設(shè)有轉(zhuǎn)軸出水孔24，出水圓心側(cè)環(huán)狀水道23通過轉(zhuǎn)軸出水孔24與轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道10相通；在所述出水圓心側(cè)環(huán)狀水道23軸向方向的兩側(cè)，出水冷卻端蓋14上安裝有密封25，所述轉(zhuǎn)軸6通過密封25與出水冷卻端蓋14轉(zhuǎn)動(dòng)密封配合。

所述轉(zhuǎn)軸出水孔24數(shù)量若干，若干轉(zhuǎn)軸出水孔24均布設(shè)置。本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)軸出水孔24共設(shè)置有四個(gè)；所述轉(zhuǎn)軸出水孔24的軸向中心線與轉(zhuǎn)軸6的外表面具有傾角，傾角范圍為30°～40°。

所述出水徑向水道22數(shù)量若干，若干出水徑向水道22均布設(shè)置。本實(shí)施例中，出水徑向水道22共設(shè)置有四條。

所述轉(zhuǎn)軸出水孔24的孔徑大于轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔20的孔徑，可以有效增大整個(gè)冷卻水道系統(tǒng)的進(jìn)水口和出水口的壓降，使整個(gè)冷卻水道系統(tǒng)內(nèi)的水流更加順暢。本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)軸出水孔24的孔徑為10mm，轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔20的孔徑為8mm。

下面結(jié)合附圖說明本發(fā)明的使用過程：

首先將冷卻水入口15與冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的供水口相連通，同時(shí)將冷卻水出口16與冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的回水口相連通，先啟動(dòng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，然后啟動(dòng)超高速永磁電機(jī)。

冷卻水通過冷卻水入口15首先進(jìn)入冷卻水套11內(nèi)部的定子周向螺旋冷卻水道12，冷卻水在周向螺旋冷卻水道12內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)而帶走定子損耗產(chǎn)生的熱量，使定子溫升更加均勻，避免局部溫升過高導(dǎo)致電機(jī)壽命減小。

冷卻水從定子周向螺旋冷卻水道12的出水端直接流入進(jìn)水冷卻端蓋13的進(jìn)水圓周側(cè)環(huán)狀水道17內(nèi)，再通過進(jìn)水徑向水道18進(jìn)入進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道19，進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道19具備了一定程度的儲(chǔ)水能力，在轉(zhuǎn)軸6高速旋轉(zhuǎn)過程中，進(jìn)水圓心側(cè)環(huán)狀水道19內(nèi)的冷卻水將均勻且連續(xù)不斷的通過轉(zhuǎn)軸進(jìn)水孔20進(jìn)入轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道10中，由于轉(zhuǎn)軸出水孔24的軸向中心線與轉(zhuǎn)軸6的外表面具有傾角，可以進(jìn)一步的保證冷卻水能夠均勻且連續(xù)不斷進(jìn)入轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道10內(nèi)，冷卻水在轉(zhuǎn)子軸向冷卻水道10內(nèi)流動(dòng)，將直接帶走轉(zhuǎn)子損耗產(chǎn)生的熱量，使轉(zhuǎn)子升溫更加均勻，同時(shí)避免轉(zhuǎn)子因溫升不均而發(fā)生變形，還可直接帶走軸承9內(nèi)的熱量，進(jìn)一步提高軸承9的使用壽命。

冷卻水從轉(zhuǎn)軸出水孔24流出轉(zhuǎn)軸6，并直接進(jìn)入出水冷卻端蓋14的出水圓心側(cè)環(huán)狀水道23內(nèi)，再通過出水徑向水道22進(jìn)入出水圓周側(cè)環(huán)狀水道21中，而冷卻水最終從冷卻水出口16流出。

實(shí)施例中的方案并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均包含于本案的專利范圍中。