本實(shí)用新型涉及高速永磁電機(jī)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(jī)裝置，主要涉及一種用于大功率高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱的冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高速永磁電機(jī)是集成了機(jī)械、電氣、控制、電力電子和新材料等各種先進(jìn)技術(shù)的高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品。其特點(diǎn)在于，將電機(jī)的功能與傳統(tǒng)的齒輪箱等傳動(dòng)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上融為一體，省去復(fù)雜的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、能量消耗少、工作效率高、易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和精密控制等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)代裝備制造業(yè)向高速度、高效率、低能耗、高自動(dòng)化方向不斷發(fā)展，高速電機(jī)的技術(shù)提升和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新顯得越來(lái)越迫切。由于高速永磁電機(jī)發(fā)熱功率大，容易導(dǎo)致定子、轉(zhuǎn)子溫度過(guò)高，影響電機(jī)效率，甚至還可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子永磁體不可逆失磁，造成電機(jī)報(bào)廢。因此，如何保證電機(jī)的運(yùn)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(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。目前常見(jiàn)的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻方式如下：

1、如圖1所示裝置，電機(jī)定子7由冷卻水從冷卻水進(jìn)口2流向冷卻水出口3，實(shí)現(xiàn)冷卻。電機(jī)轉(zhuǎn)子10通過(guò)冷卻空氣入口1注入冷卻用壓縮空氣進(jìn)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(shí)在軸承4、5上流動(dòng)，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(duì)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(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)子30，空氣50從大氣中吸入，從電機(jī)轉(zhuǎn)子30的兩端吸入，負(fù)壓冷卻空氣60通過(guò)中間位置貫通定子40，通過(guò)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(gè)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(wèn)題。

3、如圖3所示裝置，在電機(jī)殼13上增加一吹氣風(fēng)扇11和一吸氣風(fēng)扇14，使電機(jī)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(guò)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(guò)程中強(qiáng)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(jìn)而達(dá)到冷卻轉(zhuǎn)子的目的，此種方式同樣因?yàn)闅庀缎?，存在散熱效率低的?wèn)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(jī)轉(zhuǎn)子散熱的冷卻裝置，以保證電機(jī)的運(yùn)行溫度控制在安全范圍內(nèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的任務(wù)是提供一種高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)，通過(guò)直接對(duì)軸的絕大多數(shù)軸向長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行直接對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)子散熱的問(wèn)題。

本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下：

一種高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)，它包括電機(jī)殼體、永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子、推力盤(pán)、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(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在電機(jī)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(gè)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(gè)氣孔，在電機(jī)殼體上周向均勻地開(kāi)設(shè)六至十六個(gè)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(gè)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(gè)小型真空泵，真空泵工作使得軸的周?chē)纬韶?fù)壓，設(shè)置相反的氣流方向和循環(huán)回路，在負(fù)壓工況下使轉(zhuǎn)子與氣體的摩擦損失降到最低，同樣達(dá)到冷卻高速永磁電機(jī)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(gè)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(shí)用新型的一種高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)，直接對(duì)軸的絕大多數(shù)軸向長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行直接對(duì)流換熱，解決了大功率高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的散熱問(wèn)題，使得換熱效率更佳，更加實(shí)用可靠，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本更低，效果更好。

本實(shí)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(jìn)行直接對(duì)流換熱，以使換熱效率達(dá)到最佳。同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子本身不做任何改造，最大限度地使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉，降低冷卻氣體消耗量。

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

本實(shí)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(duì)軸產(chǎn)生的沖力能夠互相抵消，不對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生額外的不均衡力。

本實(shí)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(jī)內(nèi)部一端完全封閉，以防冷卻劑泄露造成浪費(fèi)。

本實(shí)用新型所述冷卻用氣管路在靠近軸表面的一側(cè)開(kāi)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(wú)間斷縫隙，長(zhǎng)度應(yīng)和具體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，以方便氣流流通，使得對(duì)流換熱得以形成。

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

與其他轉(zhuǎn)子散熱方式相比，使用本實(shí)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(shí)用新型的特點(diǎn)可參閱附圖及以下較好實(shí)施方式的詳細(xì)說(shuō)明而獲得清楚的了解。

附圖說(shuō)明

圖1至圖4為市場(chǎng)上現(xiàn)有或已申請(qǐng)專(zhuān)利的轉(zhuǎn)子冷卻方式的永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

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

圖6為圖5中標(biāo)號(hào)為Ⅰ的局部放大圖。

圖7為圖5中標(biāo)號(hào)為Ⅱ的局部放大圖。

圖8為本實(shí)用新型第二實(shí)施方式的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)的冷卻管開(kāi)設(shè)無(wú)間斷縫隙結(jié)構(gòu)示意圖。

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

圖10為圖9中標(biāo)號(hào)為Ⅰ的局部放大圖。

圖11為圖9中標(biāo)號(hào)為Ⅱ的局部放大圖。

圖12為本實(shí)用新型第四實(shí)施方式的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)的冷卻管開(kāi)設(shè)無(wú)間斷縫隙結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：

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

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

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

圖4中：21為電機(jī)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(pán)，33為第一軸承，34為電機(jī)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(shí)施方式

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

參見(jiàn)圖5至圖12，本實(shí)用新型提供一種高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)，它主要由電機(jī)殼體34、永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子31、推力盤(pán)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(jī)轉(zhuǎn)子31設(shè)置在電機(jī)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(gè)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(gè)氣孔38，在電機(jī)殼體34上周向均勻地開(kāi)設(shè)六至十六個(gè)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(gè)壓力氣源，氣源壓力為0.5bar（G）～1bar（G）。

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

在本實(shí)用新型的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻用氣管路（氣管路根據(jù)結(jié)構(gòu)和實(shí)際需要圓周方向均勻布置二至四個(gè)）連接一個(gè)小型真空泵41，氣流方向與上一實(shí)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(gè)小型真空泵41，真空泵41工作使得軸的周?chē)纬韶?fù)壓，設(shè)置相反的氣流方向和循環(huán)回路，在負(fù)壓工況下使轉(zhuǎn)子與氣體的摩擦損失降到最低，同樣達(dá)到冷卻高速永磁電機(jī)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(gè)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(shí)用新型的一種高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻系統(tǒng)的冷卻方式如下：

永磁電機(jī)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(gè)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(gè)氣孔38，以使新鮮冷卻劑或空氣吹向軸的整個(gè)發(fā)熱表面形成對(duì)流換熱，使冷卻效果達(dá)到最佳。

在電機(jī)殼體34上周向均勻地開(kāi)設(shè)六至十六個(gè)直徑相宜的孔，聯(lián)通大氣，最后形成大氣從氣管路35進(jìn)口進(jìn)入直至電機(jī)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(jìn)口進(jìn)入，在氣管路35內(nèi)流動(dòng)至靠向軸的一側(cè)的數(shù)個(gè)氣孔38，并從氣孔38流出進(jìn)入定子繞組36外部與電機(jī)殼體34內(nèi)部之間的空間，再?gòu)碾姍C(jī)殼體34上的孔流出。

實(shí)施例1：

參見(jiàn)圖5至圖7，圖5所示為一臺(tái)轉(zhuǎn)速20000R/min、功率大于100kW的永磁電機(jī)，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(gè)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(gè)發(fā)熱表面形成對(duì)流換熱，使冷卻效果達(dá)到最佳。在電機(jī)殼體34上周向均勻開(kāi)設(shè)六至十六個(gè)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(shí)施例2：

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

實(shí)施例3：

參見(jiàn)圖9至圖11，該方案結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1類(lèi)似，不同的地方在于增加了一個(gè)真空泵41，真空泵41工作使得軸的周?chē)纬韶?fù)壓，氣流方向和循環(huán)回路與實(shí)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(fù)壓工況下，會(huì)使轉(zhuǎn)子與氣體的摩擦損失降到最低，同樣能達(dá)到冷卻高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的效果。

實(shí)施例4：

參見(jiàn)圖12，該方案與實(shí)施例3唯一的區(qū)別是氣管路35上由開(kāi)孔變?yōu)橐粭l整縫39，縫隙寬度1mm左右，相對(duì)實(shí)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(shí)用新型的基本原理、主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等同物界定。