CN109713847A - 一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机及冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供了一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，包括电机本体及其顶部的冷却器；电机本体的内部组件包括处于中心的转子，在转子外侧设置有定子、定子铁芯以及电机绕组；转子两端分别转动安装在相应侧的磁悬浮轴承上，磁悬浮轴承外侧设有磁悬浮轴承壳体；电机壳与定子之间留有过风通道；冷却器内设有冷却芯以及对应电机本体进风口的风机，该冷却器的抽风一侧与电机本体的出风口连通。本发明创造通过布置多条冷却风路，分别对电机本体内部组件各处进行散热，冷却风路相当于并联形式设计，减小了电机内部的流阻，大大降低了风冷过程中的压降，使得风冷配套风机的功率可以大幅减小，降低了配套风冷设备的成本。
Description
技术领域
本发明创造属于电机制造设备技术领域，尤其是涉及一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机及冷却方法。
背景技术
磁悬浮高速永磁电机具有效率高、功率密度大的特点，相应的损耗密度也比较大，电机各处温升都比较高。定子绕组处的过高温升将导致绕组绝缘失效、转子过高温升会导致永磁体退磁、磁悬浮轴承处过高温升会使得磁悬浮轴承控制精度下降。为保障电机安全稳定运行，需要针对磁悬浮高速电机的特点开发新型冷却结构。同时为了保证电机的防潮防爆防尘防腐性能，电机配套冷却***通常采用电机空水冷却器或电机空空冷却器。此类冷却器进风口与电机出风口相连，冷却器出风口与电机进风口相连。
现有技术中，有常规的空水冷结构中，冷却空气从绕组一端吸入另一端吹出，由于永磁电机转子结构比较特殊，电磁气隙虽然满足要求，但是由于转子磁钢外部需要有钛合金或者碳纤维护套，所以物理气隙会很小，故而只有少量空气通过定转子之间的间隙吹过磁悬浮轴承一侧及绕组另一侧。该冷却结构不能有效地对磁悬浮轴承和绕组进行冷却，将导致磁悬浮轴承温度过高，控制精度下降，绕组另一侧温升过高，绝缘失效。流体流过通道时由于与壁面摩擦、流动截面变化等都会造成流体压力损失，损失总和为压降。冷却***配套风机压力和冷却***总压降需相匹配。较大压降冷却***需要配高压风机，而高压风机体积较大，成本较高，且风量相对不足。更进一步的风冷结构技术冷却空气从一端磁悬浮轴承吹入，经过磁悬浮轴承后吹过定子与转子之间气隙，最后通过另一端磁悬浮轴承吹出。该类冷却结构虽然能直接对两端的磁悬浮轴承进行冷却，但由于冷却空气需要两次通过磁悬浮轴承，而磁悬浮轴承的通风间隙又较小，导致整个风冷路径的压降非常大。这使得在现有风机型谱中很难找到相匹配的风机，且勉强能适应此种工况的风机普遍价格高昂。并且冷却空气最后吹过出风端磁悬浮轴承时温度已经很高，对出风端磁悬浮轴承的冷却效果不佳。并且电机的进风口出风口分别位于磁悬浮轴承两侧相距较远，极大地增加了与冷却***配合安装的难度。
还有空水冷结构的冷却空气从绕组一端吸入，先分成两路，一路经过进风侧磁悬浮轴承继续向下经过风冷旁路；一路经定子与转子之间气隙后冷却另一端绕组和磁悬浮轴承，然后经出风口回到风机再进行冷却。但因不同地理位置温度不同，另一侧绕组所需冷却风也不同，因此，在磁悬浮高速电机中，如何实现既对转子、定子冷却，又能对磁悬浮轴承进行冷却，是当前磁悬浮高速电机研发中面临的一个重要问题。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机及冷却方法。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，包括电机本体及其顶部的冷却器；所述电机本体包括内部组件和电机壳；所述内部组件包括处于中心的转子，在转子外侧设置有定子、定子铁芯以及电机绕组；所述转子两端转动安装于磁悬浮轴承，磁悬浮轴承外侧设有磁悬浮轴承壳体；所述电机本体下部的电机壳与定子之间留有过风通道；
冷却器内设有冷却芯以及对应电机本体进风口的风机，该冷却器的抽风一侧与电机本体的出风口连通；每一侧的磁悬浮轴承内侧均设有一导流罩；
所电机本体内设有若干冷却风路，其中：
至少一条冷却风路依次经过进风口侧电机绕组处间隙、过风通道、出风口侧电机绕组处间隙；
至少一条冷却风路经进风口直接从进风口侧电机绕组端穿过，至出风口处电机绕组端穿出后，与出风口连通；
至少一条冷却风路通过进风口侧导流罩后，经磁悬浮轴承内穿过；
至少一条冷却风路通过出风口侧导流罩后，经磁悬浮轴承内穿过。
进一步，所述冷却器外壳顶部设有吊耳。
进一步，所述磁悬浮轴承壳体上设有若干加强筋。
进一步，所述过风通道内设有活塞阀，该活塞阀由设置在出风口处的温度传感器控制开度。
进一步，电机外壳底部设置可拆卸的盖板，活塞阀安装在该盖板上。
进一步，所述换热器采用换热芯可拆卸式结构换热器，并在换热器机壳上对应换热芯下方设置集水槽。
进一步，所述集水槽下端开设通孔，在通孔处安装排水管，所述排水管中部设有集水腔，集水腔顶部安装有漏水报警器。
进一步，所述导流罩包括内支撑环，在内支撑环外圆周面上均布设有若干隔板，隔板两侧分别设有第一侧板和第二侧板，且第一侧板与第二侧板间所形成的空腔由隔板分割成若干风腔；所述第一侧板与内支撑环闭合；所述第二侧板靠近相应的磁悬浮轴承一侧，其与内支撑环之间留有过风口。
一种磁悬浮高速永磁电机的冷却方法，电机结构包括电机本体及其顶部的冷却器；所述电机本体包括内部组件和电机壳；所述内部组件包括处于中心的转子，在转子外侧设置有定子、定子铁芯以及电机绕组；所述转子两端分别转动安装在相应侧的磁悬浮轴承上，磁悬浮轴承外侧设有磁悬浮轴承壳体；在所述电机本体下部的电机壳与定子之间设置过风通道；同时布置经进风口侧电机绕组处间隙、过风通道以及出风口侧电机绕组处间隙的冷却风路；布置经进风口直接从进风口侧电机绕组端穿过，至出风口处电机绕组端的冷却风路；且分别布置从进风口侧磁悬浮轴承、以及从出风口侧磁悬浮轴承内穿过的冷却风路；各冷却风路并联布置。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
本发明创造通过布置多条冷却风路，分别对电机本体内部组件各处进行散热，且各冷却风路相当于并联形式设计，减小了电机内部的流阻，大大降低了风冷过程中的压降，使得风冷配套风机的功率可以大幅减小，降低了配套风冷设备的成本。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造的结构剖视图；
图2为本发明创造的外形图；
图3为本发明创造的立体图；
图4为本发明创造中导流罩的结构示意图；
图5为本发明创造中导流罩与磁悬浮轴承定子配合时风向流动示意图；
图6为本发明创造中排水管部分的结构示意图。
附图标记说明：
1-电机壳；2-转子；3-定子；4-定子铁芯；5-电机绕组；6-磁悬浮轴承；7-磁悬浮轴承壳体；8-过风通道；9-冷却芯；10-风机；11-进风口；12-出风口；13-出风口侧电机绕组处间隙；14-进风口侧电机绕组处间隙；15-吊耳；16-活塞阀；17-盖板；18-集水槽；19-排水管；20-集水腔；21-漏水报警器；22-内支撑环；23-隔板；24-第一侧板；25-第二侧板；26-风腔；27-过风口；28-导流罩；29-磁悬浮轴承定子；30-空间加热器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面结合实施例来详细说明本发明创造。
一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，如图1至6所示，包括电机本体及其顶部的冷却器，实际上，冷却器采用现有产品(技术)，能够为各风路输送冷风即可，在此不再赘述。所述电机本体包括内部组件和电机壳1；所述内部组件包括处于中心的转子2，在转子外侧设置有定子3、定子铁芯4以及电机绕组5；所述转子两端分别转动安装在相应侧的磁悬浮轴承6上，磁悬浮轴承外侧设有磁悬浮轴承壳体7；
所述电机本体下部的电机壳与定子之间留有过风通道8，相当于在在进、出风口的最远端仍有冷却空气对电机本体内部结构进行降温，热交换更直接，效果更好；
所述冷却器内设有冷却芯9以及对应电机本体进风口12的风机10，此处采用的EBM风机可以为轴流风扇，减少成本，该冷却器的抽风一侧与电机本体的出风口11连通；每一侧的磁悬浮轴承内侧均设有一导流罩28；进风口与出风口位于同一平面，能有效降低与冷却***配合安装的难度；冷却芯可以是循环的冷却介质，在定子内部设有冷却介质循环通道，水冷式结构本身为本领域常规技术内容，在此不再赘述；
所电机本体内设有若干冷却风路，其中：
至少一条冷却风路依次经过进风口侧电机绕组处间隙13、过风通道8、出风口侧电机绕组处间隙14；
至少一条冷却风路经进风口直接从进风口侧电机绕组端穿过，至出风口处电机绕组端穿出后，与出风口连通；
至少一条冷却风路通过进风口侧导流罩后，经磁悬浮轴承内穿过；
至少一条冷却风路通过出风口侧导流罩后，经磁悬浮轴承内穿过。
需要说明的是，上述的冷却风路布置，可以分别对电机本体内部组件各处进行散热，各冷却风路相当于并联形式设计，减小了电机内部的流阻，大大降低了风冷过程中的压降，使得风冷配套风机的功率可以大幅减小，降低了配套风冷设备的成本。
另外，在一个可选的实施例中，还至少一条冷却风路经进风口侧磁悬浮轴承内侧，至至出风口磁轴承内侧，后与出风口连通，由于磁悬浮轴承存在缝隙，利用该缝隙过风即可。另一种方案是，在电机外设置一条管道风冷旁路，直接冷却进、出风口两侧的磁轴承。上述的各风路均是在不影响结构正常功能的前提下，在相应位置处适当开孔或是利用相应结构件间隙实现均可，不作具体限定。
上述冷却器外壳顶部设有吊耳15，可以方便的吊装。上述磁悬浮轴承壳体上设有若干加强筋，不仅外观更美观，结构强度更高，稳定性更好，同时，散热性能更佳。
上述过风通道内设有活塞阀16，该活塞阀由设置在出风口处的温度传感器控制开度。过风通道设置活塞阀，通过放在电机出风口侧的温度传感器将温度信号反馈到活塞阀，通过控制活塞阀在过风通道的伸入长度来控制流过过风通道的风量，使电机出风口绕组达到更好的冷却效果。
在一个可选的实施例中，上述的温度传感器还可以将信号传递给风机，风机根据温度传感器信号反馈而改变转速，实现风量的自动控制，避免电能浪费。
另外，由于电机的参数主要考虑的是温升，可以根据电机的不同使用场合、地点调节吸风风机的风速。如使用场合环境温度低，可以降低风机的风速，同样可以达到良好的冷却效果，还可以根据季节的不同调节风机的风速，通过温度控制活塞阀来控制电机冷却效果。
本电机可以实现风量的自动控制，电机长期运行下来还会大大的节约电的使用量，在不明显增加电机制造成本的基础上，能有效的节约能源，为用户减少运行成本。
在一个可选的实施例中，上述电机外壳底部设置可拆卸的盖板17，所述活塞阀安装在该盖板上。可以通过铸造机壳实现这种过风通道，电机壳体在过风通道处铸成开口式结构，电机装配时用盖板封闭，温度控制活塞阀固定在该盖板上，既方便活塞阀的安装，同时，铸造机壳相比焊接机壳又具有成本较低、加工周期短的优势。
需要说明的是，本发明创造中，是直接在电机壳与定子直接设置过风通道，而不是采用的管道形式(冷风在管道内循环的形式)，热交换更直接，保证了风冷效果，相较于现有技术，对处于离进风口、出风口最远端部位的降温作用尤为明显，对电机各部分结构降温更均匀，多冷却风路并联结构设计，避免了现有技术中风路末端空气温度较高、降温效果差的弊端。
优选地，所述换热器采用换热芯可拆卸式结构，并在换热器机壳上对应换热芯下方设置集水槽18。可以在所述集水槽下端开设通孔，在通孔处安装排水管19，所述排水管中部设有集水腔20，在集水腔顶部安装有漏水报警器21，另外，在排水管(下部)或漏水报警器(集水腔处)设置排水阀(该排水阀的排水量初使设定为正常排出冷凝水)。具体的，可以是在电机壳上打螺纹孔，漏水报警器通过螺纹密封安装在相应位置的电机壳上，能够稳固安装即可。电机采用模块式组合冷却器，风机可直接安装在电机机壳上。漏水报警器可以采用市售的GEMS116826系列的液位浮子开关。
电机工作运转的时候，换热芯上会产生冷凝水，冷凝水会掉落在集水槽里，冷凝水依次通过排水管上半部分、集水腔、排水管下半部分排出，一旦换热芯产生泄露，则进入到集水腔内的液体会增多，排水阀的排水量不足以将泄露的冷却水派出去，液面达到一定高度后，就会触发漏水报警器发出报警，提醒相关人员及早进行处理。另外，由于换热器的换热芯是可拆卸结构，便于日后维护和更换。
优选地，所述导流罩包括内支撑环22，在内支撑环外圆周面上均布设有若干隔板23，隔板两侧分别设有第一侧板24和第二侧板25，且第一侧板与第二侧板间所形成的空腔由隔板分割成若干风腔26；所述第一侧板与内支撑环闭合；所述第二侧板靠近相应的磁悬浮轴承一侧，其与内支撑环之间留有过风口27。如图5所示，为导流罩与磁悬浮轴承定子29配合时风向流动的示意图，箭头方向为气流在导流罩处的流动方向示意。能够有效且高效的对磁悬浮轴承进行冷却。
为了保证电机适用于不同的场合，可以在电机壳内设置空间加热器30或防潮加热带，能防止电机长时间没有运行，内部绕组因受潮而绝缘下降；以及防止电机过冷起动。
下面提供一种磁悬浮高速永磁电机的冷却方法，
具体的，电机结构包括电机本体及其顶部的冷却器；所述电机本体包括内部组件和电机壳；所述内部组件包括处于中心的转子，在转子外侧设置有定子、定子铁芯以及电机绕组；所述转子两端分别转动安装在相应侧的磁悬浮轴承上，磁悬浮轴承外侧设有磁悬浮轴承壳体；
在所述电机本体下部的电机壳与定子之间设置过风通道；同时布置经进风口侧电机绕组处间隙、过风通道以及出风口侧电机绕组处间隙的冷却风路；布置经进风口直接从进风口侧电机绕组端穿过，至出风口处电机绕组端的冷却风路；且分别布置从进风口侧磁悬浮轴承、以及从出风口侧磁悬浮轴承内穿过的冷却风路；上述的各冷却风路并联布置。
通过合理的风冷结构设计，保障了电机安全稳定运行，能对磁悬浮轴承进行了有效冷却，保障了磁悬浮轴承的控制精度。由于设计了多路冷却风路，采用并联风路极大地减小了电机内部的流阻，大大降低了风冷过程中的压降，使得风冷配套风机的功率可以大幅减小，降低了配套风冷设备的成本。
另外，还可以利用活塞阀调节吹到出风口侧绕组的冷却风量，达到精准的控制电机的冷却效果的目的，还可以根据不同地点，不同季节调节风机的风量，为用户实现节能的目的。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，包括电机本体及其顶部的冷却器；所述电机本体包括内部组件和电机壳；所述内部组件包括处于中心的转子，在转子外侧设置有定子、定子铁芯以及电机绕组；所述转子两端分别转动安装在相应侧的磁悬浮轴承上，磁悬浮轴承外侧设有磁悬浮轴承壳体；其特征在于：所述电机本体下部的电机壳与定子之间留有过风通道；
所述冷却器内设有冷却芯以及对应电机本体进风口的风机，该冷却器的抽风一侧与电机本体的出风口连通；每一侧的磁悬浮轴承内侧均设有一导流罩；
所述电机本体内设有若干冷却风路，其中：
至少一条冷却风路依次经过进风口侧电机绕组处间隙、过风通道、出风口侧电机绕组处间隙；
至少一条冷却风路经进风口直接从进风口侧电机绕组端穿过，至出风口处电机绕组端穿出后，与出风口连通；
至少一条冷却风路通过进风口侧导流罩后，经磁悬浮轴承内穿过；
至少一条冷却风路通过出风口侧导流罩后，经磁悬浮轴承内穿过。
2.根据权利要求1所述的一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，其特征在于：所述冷却器外壳顶部设有吊耳。
3.根据权利要求1所述的一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，其特征在于：所述磁悬浮轴承壳体上设有若干加强筋。
4.根据权利要求1所述的一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，其特征在于：所述过风通道内设有活塞阀，该活塞阀由设置在出风口处的温度传感器控制开度。
5.根据权利要求4所述的一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，其特征在于：所述电机外壳底部设置可拆卸的盖板，所述活塞阀安装在该盖板上。
6.根据权利要求1所述的一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，其特征在于：所述换热器采用换热芯可拆卸式结构换热器，并在换热器机壳上对应换热芯下方设置集水槽。
7.根据权利要求6所述的一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，其特征在于：所述集水槽下端开设通孔，在通孔处安装排水管，所述排水管中部设有集水腔，集水腔顶部安装有漏水报警器。
8.根据权利要求1所述的一种带有空水冷结构的磁悬浮高速永磁电机，其特征在于：所述导流罩包括内支撑环，在内支撑环外圆周面上均布设有若干隔板，隔板两侧分别设有第一侧板和第二侧板，且第一侧板与第二侧板间所形成的空腔由隔板分割成若干风腔；所述第一侧板与内支撑环闭合；所述第二侧板靠近相应的磁悬浮轴承一侧，其与内支撑环之间留有过风口。
9.一种磁悬浮高速永磁电机的冷却方法，电机结构包括电机本体及其顶部的冷却器；所述电机本体包括内部组件和电机壳；所述内部组件包括处于中心的转子，在转子外侧设置有定子、定子铁芯以及电机绕组；所述转子两端分别转动安装在相应侧的磁悬浮轴承上，磁悬浮轴承外侧设有磁悬浮轴承壳体；其特征在于：在所述电机本体下部的电机壳与定子之间设置过风通道；同时布置经进风口侧电机绕组处间隙、过风通道以及出风口侧电机绕组处间隙的冷却风路；布置经进风口直接从进风口侧电机绕组端穿过，至出风口处电机绕组端的冷却风路；且分别布置从进风口侧磁悬浮轴承、以及从出风口侧磁悬浮轴承内穿过的冷却风路；各冷却风路并联布置。
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2019
- 2019-01-07 CN CN201910013024.3A patent/CN109713847A/zh active Pending
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