CN109038958B - 一种真空环境中电机转子的散热装置及散热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现热电转换和辐射散热的方法和装置，属于真空散热技术领域。其通过能量转换的方式将转子的热量传递到定子侧，进而降低转子的温升。其包括固定于转子前、后两端面的两传热端面；一传热端面设置于转子前端面，另一传热端面设置于转子后端面；每个传热端面均与一热电转换装置相接触，且热电转换装置与其各自的电磁波发射装置电连接；定子内侧电镀有黑镀铬镀层，用于增加对转子侧辐射的吸收。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现热电转换和辐射散热的方法和装置，属于真空散热技术领域。
背景技术
随着我国科学技术水平不断的提高，越来越多的行业需要真空环境进行生产作业，对真空泵的需求量越来越大。传统真空泵采用异步电动机，由异步电动机的运行特性可知，转子铝耗使得转子的温度升高。由于屏蔽套内为高真空状态，失去了热对流的散热条件，转子只能通过热传导和热辐射进行散热，转子温度越来越高，热量通过热传导传递给轴承，使得轴承内圈温度升高。由于轴承内外圈散热条件不同，使得轴承内圈的温度远高于外圈的温度，内外圈发生不同程度的膨胀，轴承的有效游隙减小，长时间运行下来，经历漫长的动态过渡过程，轴承滚道内润滑油油膜难以建立，滚动球体受到挤压，最终可能导致轴承因滚动球体摩擦力过大而胶合抱死，后果不堪设想。
公布号为CN202424409U的发明专利申请“一种新型的转子散热结构”（申请号：CN201120571832.0）公布了一种新型的转子散热结构，转子安装在转轴上,转轴支承在轴承上,还包括若干散热片,散热片置于转子和轴承之间并嵌套在转轴上,相邻两片散热片之间设有空隙,它结构简单,降低电机转轴温度,进而降低电机轴承温度,散热效果好,延长电机使用寿命,保证电机正常工作。是一种新型的转子散热结构。
但是，这种方法和装置需要在转子周围存在导热介质的前提下才可以实现，而真空环境中不存在气体等传热介质，热量无法通过空气的对流和热传导进行传递，因此该方法和装置不适用于真空环境中转子的散热。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种真空环境中电机转子的散热装置及散热方法，其针对真空环境中电机转子散热困难的问题，实现热电能量转换和辐射散热，以克服现有真空泵用电机转子只能通过热传导和热辐射进行散热导致转子温度越来越高的问题，通过能量转换的方式将转子的热量传递到定子侧，进而降低转子的温升。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括固定于转子前、后两端面的两传热端面；一传热端面设置于转子前端面，另一传热端面设置于转子后端面。
每个传热端面均与一热电转换装置相接触，且热电转换装置与其各自的电磁波发射装置电连接。
定子内侧电镀有黑镀铬镀层，用于增加对转子侧辐射的吸收。
作为本发明的一种优选方案，转子外表面设置有双涂层：热辐射型隔离涂层、热反射型隔离涂层，用以减少对定子侧辐射的吸收。
作为本发明的另一种优选方案，所述传热端面通过焊接方式与转子端面相连；所述传热端面上开设有用于电机转轴穿过的孔洞。
作为本发明的另一种优选方案，所述传热端面通过焊接方式固定于转子铁心端面处，该传热端面选用既不导磁也不导电的材质，与转子端面只发生热量交换；所述热电转换装置通过粘结或焊接的方式固定于传热端面外表面。
作为本发明的另一种优选方案，所述传热端面为一圆盘结构，该圆盘结构由多个同心圆环构成，且相邻两圆环采用两种比热容、热导率均不同的材质。
作为本发明的另一种优选方案，传热端面相邻的两圆环粘结连接或焊接连接，其中，一圆环材质为耐热玻璃，另一圆环的材质为不锈钢。
作为本发明的另一种优选方案，所述热电转换装置由多个同心的环形半导体热电器件构成，每个半导体热电器件包括P型和N型两种不同的半导体，将两种半导体通过导电片连接起来，导电片外侧贴有导热基底，正负极通过导线引出。
作为本发明的另一种优选方案，所述半导体热电器件环形的内端面外表面及外端面外表面均设置有一层陶瓷基底；每一环形的内端面的陶瓷基底粘结于导热端面的一圆环上，该环形的外端面的陶瓷基底粘结于导热端面的另一圆环上，且两圆环位置相邻。
所述半导体热电器件包括设置于两陶瓷基底间的P型半导体材料、N型半导体材料，两者间隔设置、两两为一组，按顺序分为：首组S1、多个中间组(S2～Sp-1)、尾组Sp。
首组一侧的P型半导体材料端部、N型半导体材料端部均与同一铜导流片及镍阻挡层连接，首组另一侧的P型半导体材料端部与导线连接并引出作为负极，首组另一侧的N型半导体材料与相邻中间组同侧的P型半导体材料端部以一铜导流片及镍阻挡层连接；形成π型结构。
每个中间组一侧的P型半导体材料端部、N型半导体材料端部均与其所在的铜导流片及镍阻挡层连接，中间组另一侧的P型半导体材料端部与同侧的、位置毗邻的其它组的N型半导体材料端部以同一铜导流片及镍阻挡层连接，形成π型结构。
尾组一侧的P型半导体材料端部、N型半导体材料端部均与同一铜导流片及镍阻挡层连接，尾组另一侧的N型半导体材料与相邻中间组同侧的P型半导体材料端部以同一铜导流片及镍阻挡层连接；尾组另一侧的P型半导体材料端部与导线连接并引出作为正极，形成π型结构。
铜导流片及镍阻挡层与陶瓷基底之间电镀有一层钼锰金属化层；各个环形半导体热电器件的引线采取串联的方式连接。
作为本发明的另一种优选方案，所述电磁波发射装置，包括相互并联连接、焊接在圆形的PCB电路板上的多个（贴片式）发光二极管，PCB电路板的外径不大于电机转子外径，并且中间留有孔洞，便于转轴的通过，（贴片式）发光二极管发出的电磁波频率为有利于辐射吸收的红外线或者其他热射线波段；热电转换装置的正、负极作为电磁波发射装置的电源，与电磁波发射装置相连。
作为本发明的另一种优选方案，除陶瓷基底外，热电转换装置的其他部分不与传热端面接触。
一种真空环境中电机转子的散热方法，根据转子端面上不同位置的温度不同，利用两种不同的金属或半导体组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，从而将热能转化为电能；利用发光二极管，将该电能转换成一定频率的电磁波，其频率易于定子侧对电磁波的吸收，定子侧吸收掉该电磁波后，完成能量从转子侧到定子侧的传递，进而降低转子温升，起到散热的作用。
与现有技术相比本发明有益效果。
本发明的散热方法和装置适用于真空环境中，克服了在真空环境中转子只能通过热传导和热辐射进行散热从而导致转子温度越来越高的问题，通过能量转换的方式将转子的热量传递到定子侧，进而降低转子的温升，有益于改善电机的性能，提高运行稳定性和可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明转子热量转换装置的结构示意图。
图2是本发明传热端面的结构示意图。
图3是本发明热电转换装置的结构示意图。
图4是本发明热电转换装置的局部构造图。
图5是本发明热电转换装置与特制传热端面的装配位置剖面图。
图6是本发明电磁波发射装置的结构图。
图中，1为电磁波发射装置、2为热电转换装置、3为传热端面、4为转子铁心、5为电机转轴、6为电机转轴穿过的孔洞、7为耐热玻璃、8为不锈钢、9为半导体热电器件、10为钼锰金属化层、11为陶瓷基底、12为铜导流片及镍阻挡层、13为半导体材料、14为PCB电路板、15为发光二极管。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做更详细地说明。
如图1-6所示，以真空泵用屏蔽电机转子为一种具体实施例，本发明包括固定于转子前、后两端面的两传热端面3；一传热端面3设置于转子前端面，另一传热端面3设置于转子后端面；每个传热端面3均与一热电转换装置2相接触，且热电转换装置2与其各自的电磁波发射装置1电连接；定子内侧（包括定子屏蔽套内表面以及端盖内表面）电镀有黑镀铬镀层，用于增加对转子侧辐射的吸收；镀层与镀件间设置一层镍保护层防止镀层受热膨胀开裂。
优选地，转子外表面设置有热辐射型隔离涂层、热反射型隔离涂层，用以减少对定子侧辐射的吸收。
优选地，所述传热端面3通过焊接方式与转子端面相连；所述传热端面3上开设有用于电机转轴穿过的孔洞6。
优选地，所述传热端面3通过焊接方式固定于转子铁心4端面处，该传热端面3选用既不导磁也不导电的材质；所述热电转换装置2通过粘结或焊接的方式固定于传热端面3外表面。
优选地，所述传热端面3为一圆盘结构，该圆盘结构由多个同心圆环构成，且相邻两圆环采用两种比热容、热导率均不同的材质。两者的比热容、热导率相差较大，在吸收热量的过程中能够形成明显的热梯度。
优选地，传热端面3相邻的两圆环粘结连接或焊接连接，其中，一圆环材质为耐热玻璃7，另一圆环的材质为不锈钢8。该圆盘轴向厚度为5mm，每一圆环的环形宽度为5~10mm。且圆盘最大直径不超过转子铁心4的直径。
优选地，所述热电转换装置2由多个同心的环形半导体热电器件9构成，每个半导体热电器件9包括P型和N型两种不同的半导体，将两种半导体通过导电片连接起来，导电片外侧贴有导热基底，正负极通过导线引出。
具体地，所述半导体热电器件9环形的内端面外表面及外端面外表面均设置有一层陶瓷基底11；每一环形的内端面的陶瓷基底11粘结于导热端面的一圆环上，该环形的外端面的陶瓷基底11粘结于导热端面的另一圆环上，且两圆环位置相邻。
更为具体地，所述半导体热电器件9包括设置于两陶瓷基底11间的P型半导体材料13、N型半导体材料13，两者间隔设置、两两为一组，按顺序分为：首组S1、多个中间组(S2～Sp-1)、尾组Sp。
首组一侧的P型半导体材料13端部、N型半导体材料13端部均与同一铜导流片及镍阻挡层12连接，首组另一侧的P型半导体材料13端部与导线连接并引出作为负极，首组另一侧的N型半导体材料13与相邻中间组同侧的P型半导体材料13端部以一铜导流片及镍阻挡层12连接；形成π型结构。
每个中间组一侧的P型半导体材料13端部、N型半导体材料13端部均与其所在的铜导流片及镍阻挡层12连接，中间组另一侧的P型半导体材料13端部与同侧的、位置毗邻的其它组的N型半导体材料13端部以同一铜导流片及镍阻挡层12连接，形成π型结构。
尾组一侧的P型半导体材料13端部、N型半导体材料13端部均与同一铜导流片及镍阻挡层12连接，尾组另一侧的N型半导体材料13与相邻中间组同侧的P型半导体材料13端部以同一铜导流片及镍阻挡层12连接；尾组另一侧的P型半导体材料13端部与导线连接并引出作为正极，形成π型结构。
铜导流片及镍阻挡层12与陶瓷基底11之间电镀有一层钼锰金属化层10；各个环形半导体热电器件9的引线采取串联的方式连接。正极引线相互串联引出，负极引线相互串联引出。
优选地，所述电磁波发射装置1，所述电磁波发射装置1，包括相互并联焊接在圆形的PCB电路板14上的多个贴片式发光二极管15，PCB电路板14的外径不大于电机转子外径，并且中间留有孔洞，便于转轴的通过，（贴片式）发光二极管15发出的电磁波频率为有利于辐射吸收的红外线或者其他热射线波段；热电转换装置2的正负极作为电磁波发射装置1的电源、与电磁波发射装置1相连。即热电转换装置2的正负极导线通过U+和U-处的孔洞与电磁波发射装置1相连。热电转换器件的电能通过导线输出并与电磁波发射器件的输入端口串联。
优选地，除陶瓷基底11外，热电转换装置2的其他部分不与传热端面3发生接触。
本发明基于转子端面上不同位置的温度不同，在两种不同的金属（或半导体）组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，从而将热能转化为电能，利用发光二极管15等装置，将该电能转换成一定频率的电磁波，其频率易于定子侧对电磁波的吸收，定子侧吸收掉该电磁波后，完成能量从转子侧到定子侧的传递，进而降低转子温升，起到散热的作用。
如图5所示，在本实施例中，热电转换装置2的每个环按照直径大小依次排布，环的外圆（外端面）和内圆（内端面）为陶瓷基底11，内圆和外圆上的陶瓷基底11分别粘接在传热端面3的相邻两个不同材质的圆环上。两种圆环的材料为耐热玻璃7和不锈钢8，除陶瓷基底11外，热电转换器件的其他部分：钼锰金属化层10、铜导流片及镍阻挡层12、P型和N型半导体材料13均不与传热端面3发生接触。
上述实施例中，为了增加定转子间的热量传递，可将定子内层及转子表面进行特殊的处理：为增加转子辐射换热的效率，可以在装置的外表面以及转子表面添加特殊的涂层，要求该涂层具有高发射率和反射率，以及低吸收率，本实施例中采用热辐射型隔离涂层和热反射型隔离涂层的复合涂层；在定子内侧添加镀层以最大效率吸收由转子侧发出的热射线，要求该镀层具有低发射率和反射率，以及高吸收率。本实施例采用在定子内侧电镀黑铬镀层，镀层与镀件间添加一层镍保护层防止镀层受热膨胀开裂。
通过本发明转子热量转换方法和装置，可以实现将转子的部分热能转化成能够被定子侧吸收的辐射能，从而增加了转子侧到定子侧的能量传递，进而降低转子温升。上述实施例是真空泵用电机转子散热的方法和装置，但是也推广适用于其他电机和真空环境中的散热问题。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种真空环境中电机转子的散热装置，其特征在于，包括固定于转子前、后两端面的两传热端面；一传热端面设置于转子前端面，另一传热端面设置于转子后端面；
每个传热端面均与一热电转换装置相接触，且热电转换装置与其各自的电磁波发射装置电连接；
定子内侧电镀有黑镀铬镀层，用于增加对转子侧辐射的吸收。
2.根据权利要求1所述的一种真空环境中电机转子的散热装置，其特征在于：转子外表面设置有双涂层：热辐射型隔离涂层、热反射型隔离涂层，用以减少对定子侧辐射的吸收。
3.根据权利要求1所述的一种真空环境中电机转子的散热装置，其特征在于：所述传热端面通过焊接方式与转子端面相连；所述传热端面上开设有用于电机转轴穿过的孔洞。
4.根据权利要求1所述的一种真空环境中电机转子的散热装置，其特征在于：所述传热端面通过焊接方式固定于转子铁心端面处，该传热端面选用既不导磁也不导电的材质，与转子端面只发生热量交换；所述热电转换装置通过粘结或焊接的方式固定于传热端面外表面。
5.根据权利要求1所述的一种真空环境中电机转子的散热装置，其特征在于：所述传热端面为一圆盘结构，该圆盘结构由多个同心圆环构成，且相邻两圆环采用两种比热容、热导率均不同的材质。
6.根据权利要求5所述的一种真空环境中电机转子的散热装置，其特征在于：传热端面相邻的两圆环粘结连接或焊接连接；其中，一圆环材质为耐热玻璃，另一圆环的材质为不锈钢。
7.根据权利要求6所述的一种真空环境中电机转子的散热装置，其特征在于：所述热电转换装置由多个同心的环形半导体热电器件构成，每个半导体热电器件包括P型和N型两种不同的半导体，将两种半导体通过导电片连接起来，导电片外侧贴有导热基底，正负极通过导线引出。
8.根据权利要求7所述的一种真空环境中电机转子的散热装置，其特征在于：所述半导体热电器件环形的内端面外表面及外端面外表面均设置有一层陶瓷基底；每一环形的内端面的陶瓷基底粘结于导热端面的一圆环上，该环形的外端面的陶瓷基底粘结于导热端面的另一圆环上，且两圆环位置相邻；
所述半导体热电器件包括设置于两陶瓷基底间的P型半导体材料、N型半导体材料，两者间隔设置、两两为一组，按顺序分为：首组S1、多个中间组S2～Sp-1、尾组Sp；
首组一侧的P型半导体材料端部、N型半导体材料端部均与同一铜导流片及镍阻挡层连接，首组另一侧的P型半导体材料端部与导线连接并引出作为负极，首组另一侧的N型半导体材料与相邻中间组同侧的P型半导体材料端部以一铜导流片及镍阻挡层连接；形成π型结构；
每个中间组一侧的P型半导体材料端部、N型半导体材料端部均与其所在的铜导流片及镍阻挡层连接，中间组另一侧的P型半导体材料端部与同侧的、位置毗邻的其它组的N型半导体材料端部以同一铜导流片及镍阻挡层连接，形成π型结构；
尾组一侧的P型半导体材料端部、N型半导体材料端部均与同一铜导流片及镍阻挡层连接，尾组另一侧的N型半导体材料与相邻中间组同侧的P型半导体材料端部以同一铜导流片及镍阻挡层连接；尾组另一侧的P型半导体材料端部与导线连接并引出作为正极，形成π型结构；
铜导流片及镍阻挡层与陶瓷基底之间电镀有一层钼锰金属化层；各个环形半导体热电器件的引线采取串联的方式连接；除陶瓷基底外，热电转换装置的其他部分不与传热端面接触。
9.根据权利要求8所述的一种真空环境中电机转子的散热装置，其特征在于：所述电磁波发射装置，包括相互并联连接、焊接在圆形的PCB电路板上的多个发光二极管，PCB电路板的外径不大于电机转子外径，并且中间留有孔洞，便于转轴的通过，发光二极管发出的电磁波频率为有利于辐射吸收的红外线或者其他热射线波段；热电转换装置的正、负极作为电磁波发射装置的电源，与电磁波发射装置相连。
10.根据权利要求1所述的一种真空环境中电机转子的散热装置的散热方法，其特征在于：根据转子端面上不同位置的温度不同，利用两种不同的金属或半导体组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，从而将热能转化为电能；利用发光二极管，将该电能转换成一定频率的电磁波，其频率易于定子侧对电磁波的吸收，定子侧吸收掉该电磁波后，完成能量从转子侧到定子侧的传递，进而降低转子温升，起到散热的作用。
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