CN116388430A - 一种转子主轴及磁悬浮电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转子主轴及磁悬浮电机，该转子可用于高速旋转的电机上，包括转子本体、环绕设置在所述转子本体外部的磁钢和设置在所述转子本体上的散热结构，所述散热结构包括在所述转子本体内开设的散热通道和在所述散热通道内设置的第一轴流风扇，所述第一轴流风扇用于对所述转子本体的内部进行散热。本发明通过在转子本体内开设散热通道和在散热通道内设置第一轴流风扇，第一轴流风扇随着高速旋转的磁悬浮电机转子进行高速转动，进而自动及时产生足够大的风力流经转子本体内部开设的散热通道，实现对磁悬浮电机转子内部进行有效散热的同时，也避免了外置冷却风扇而带来的电机体积大、散热成本高的问题。

Description

一种转子主轴及磁悬浮电机

技术领域

本发明涉及磁悬浮电机转子散热技术领域，具体涉及一种转子主轴及磁悬浮电机。

背景技术

磁悬浮电机转子主轴是磁悬浮电机的关键部件，转子主轴温度的有效控制一直是本领域研发人员探究的主要课题。尤其是应用在高速旋转的磁悬浮电机上，由于高速大功率的高强度要求，当电机功率超过400KW后，转子上的磁钢温度通常会达到180℃以上，其温升控制极其困难，转子温度的升高，会导致磁钢退磁，热套件松脱等一系列严重问题。

目前，对电机转子降温的方式主要有以下两种方式：

第一种方式是采用水冷的方式，参见图1所示的现有技术中水冷散热结构的流道示意图，通过在电机壳体8上设置用于降低电机定子9温度的水冷通道13，来间接控制转子本体10的温升，很明显此种方式对转子降温的效果很不显著。

第二种方式是采用在电机壳体上外置冷却风扇的方式，参见图2所示的现有技术中风冷散热结构的流道示意图，通过在电机壳体8上外置冷却风扇14来提供一定压力和流量的冷风流过电机定子9和转子本体10之间的缝隙，来带走转子本体10外表面的热量。该外置冷却风扇的风冷散热方式，存在如下缺陷：

1、由于针对大功率高速旋转的电机需要选用高压力大流量的散热风扇，对散热风扇的质量要求较高，且还需要单独对其进行供电，无疑增加了高速旋转电机的散热运行成本。

2、最主要的是现有技术中的外置冷却风扇不能够及时满足转子本体10高速旋转时的散热要求，也就是不能够及时有效的降低转子本体的主体温度，影响电机运行的稳定性。

3、单独设置外置冷却风扇，无疑会增大电机的整体体积及散热的整体生产运行成本。

因此，对于本领域研发人员来说，亟需研发一种具有散热效果佳、利于减小电机整体体积及利于降低散热运行成本的转子散热结构。

发明内容

有鉴于此，为解决上述存在的问题，本发明实施例提供了一种转子主轴，通过在转子本体内开设散热通道和在散热通道内设置第一轴流风扇，解决了现有电机转子散热效果差、散热成本高的技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例一方面提供了一种转子主轴，该转子可用于高速旋转的电机上，包括转子本体、环绕设置在所述转子本体外部的磁钢和设置在所述转子本体上的散热结构，所述散热结构包括在所述转子本体内开设的散热通道和在所述散热通道内设置的第一轴流风扇，所述第一轴流风扇用于对所述转子本体的内部进行散热。

进一步地，所述散热结构还包括用于对所述转子本体的外表面进行散热的第二轴流风扇，所述第二轴流风扇设置在所述转子本体一端的轴肩处。

进一步地，所述第二轴流风扇的主轴与所述转子本体的主轴相重合。

进一步地，所述第二轴流风扇中叶片的倾斜方向与第一轴流风扇中叶片的倾斜方向相同，使得第二轴流风扇产生风的方向和第一轴流风扇产生风的方向相同。

进一步地，所述散热通道包括轴向散热主通道和与所述轴向散热主通道连通的径向散热通道。

进一步地，所述轴向散热主通道为沿所述转子本体的主轴方向开设的轴向盲孔，所述第一轴流风扇设置在所述轴向盲孔的开口处。

进一步地，沿所述轴向散热主通道的轴向方向设置有若干个所述第一轴流风扇。

进一步地，所述散热通道还包括与所述轴向散热主通道连通的多个轴向散热辅通道。

进一步地，所述径向散热通道为沿所述转子本体在圆周方向上开设的若干个径向散热孔，所述径向散热孔位于所述轴向散热主通道远离所述第一轴流风扇的一端。

进一步地，所述径向散热孔的通道轴线与所述轴向散热主通道的水平轴线之间的夹角为β，则β的取值范围为：90°≤β≤150°。

进一步地，所述径向散热孔的通道轴线与所述轴向散热主通道的水平轴线之间的夹角为β，则β的取值等于135°。

本发明实施例另一方面提供了一种磁悬浮电机，该磁悬浮电机包括电机壳体、位于所述电机壳体内的电机转子和电机定子，所述电机转子为上述实施例中任一所述的转子主轴。

本发明的有益效果：

本发明通过在转子本体内开设散热通道和在散热通道内设置第一轴流风扇，第一轴流风扇随着高速旋转的磁悬浮电机转子进行高速转动，进而自动及时产生足够大的风力流经转子本体内部开设的散热通道，实现对电机转子内部进行有效散热的同时，也避免了外置冷却风扇而带来的电机体积大、散热成本高的问题。

再者，通过在转子本体一端的轴肩处设置第二轴流风扇，该第二轴流风扇随着高速旋转的磁悬浮电机转子进行高速转动，进而自动及时产生足够大的风力流经转子本体表面与电机定子之间的缝隙，实现对电机转子表面进行有效的散热，同时也避免了因单独设置外置冷却风扇而带来的电机体积大、散热成本高的问题。

附图说明

以下附图是用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，且仅旨在于对本发明做示意性的解释和说明，并非用以限制本发明的范围。在附图中：

图1为现有技术中水冷散热结构的流道示意图；

图2为现有技术中风冷散热结构的流道示意图；

图3为本申请实施例中的一种内置散热结构转子的立体结构示意图；

图4为本申请实施例中的一种内置散热结构转子的剖视结构示意图；

图5为本申请另一实施例中的一种内置散热结构转子的剖视结构示意图；

图6为本申请另一实施例中的一种内置散热结构转子的剖视结构示意图；

图7为本申请另一实施例中的一种内置散热结构转子的剖视结构示意图；

图8为本申请另一实施例中的一种内置散热结构转子的气流流向示意图；

图9为图8转子的右视结构示意图；

图10为本申请另一实施例中的磁悬浮电机的结构示意图及气体流向示意图。

附图标记：

10、转子本体；3、磁钢；4、碳纤维；5、散热通道；50、径向散热通道；51、轴向散热主通道；52、轴向散热辅通道；53、连通孔；510、圆盘槽；6、第二轴流风扇；7、第一轴流风扇；7a、第一轴流风扇a；7b、第一轴流风扇b；7c、第一轴流风扇c；7d、第一轴流风扇d；8、电机壳体；9、电机定子；13、水冷通道；14、外置冷却风扇。

实施方式

下面将以图示揭露本申请的若干个实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明是用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下、左、右等方向均是以本申请实施例图4所示的上、下、左、右等方向为准，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应随之改变。本申请使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。此外，在本公开各个实施例中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以互相结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求保护的范围之内。

实施例

请参考图3、图4所示，本实施例中的一种转子主轴，该转子包括转子本体10、环绕设置在所述转子本体10中间部位外面的磁钢3及在磁钢的外面缠绕多层碳纤维4，和设置在所述转子本体10上的散热结构，该散热结构包括在所述转子本体10内开设的散热通道，及在所述转子本体10的后端设置的第一轴流风扇7和第二轴流风扇6，该第一轴流风扇7、第二轴流风扇6与转子本体同轴设置；当转子工作时，转子本体上的第一轴流风扇7、第二轴流风扇6也随之转动产生风量，使产生的风量及时迅速的流经转子本体内的散热通道和外表面，实现对转子的良好散热。

具体地，本实施例中的散热通道包括轴向散热主通道51和与所述轴向散热主通道51连通的径向散热通道50，所述第一轴流风扇7的扇叶的一端一体固定连接在轴向散热主通道51的内壁上，另一端螺旋盘浮于轴向散热主通道内，使产生的风流经轴向散热主通道51，从远离进风口一端的径向散热通道50流出，实现对转子本体的内部进行高效散热，达到降低磁钢3温度的优良效果。

尤其是将本实施例中转子主轴应用于如图10所示的高速旋转的磁悬浮电机上，具体地，当启动电机时，转子本体10带动第一轴流风扇7和第二轴流风扇6进行转动，分别产生沿着转子主轴方向的冷却风，第一轴流风扇7产生的冷却风经过轴向散热通道5，再经过多个径向散热孔流出，最后经过转子主轴输出端的端盖12流出电机，实现对转子本体的内部进行散热，达到降低磁钢温度的效果；第二轴流风扇6产生的冷却风一部分通过电机转子和电机定子9之间的间隙沿轴向进行流动，另一部分经过电机定子和电机机壳8之间的间隙沿轴向进行流动，实现对电机转子及电机定子冷却散热效果。电机的转速越高，本实施例中在转子本体上设置的第一轴流风扇7和第二轴流风扇6进行转动的相对转速就越高，产生对转子降温的冷却风就越充足，使得转子达到更好的散热效果。

利用本实施例的技术方案，通过本实施例中转子设定的特定散热结构，尤其是转子内部开设散热通道及在散热通道内设置第一轴流风扇的特定结构的设置，第一轴流风扇随着高速旋转的磁悬浮电机转子进行高速转动，进而自动及时产生足够大的风力流经转子本体内部开设的散热通道，实现对电机转子内部进行有效散热的同时，也避免了外置冷却风扇而带来的电机体积大、散热成本高的问题。也就是说，还能够实现降低了电机损耗、防止电机转子上的热套件脱落和满足更高转速的要求。

另外，还需要说明的是，本实施例中散热通道的设计，使得保证转子结构强度的前提下减小了转子质量。轴向散热通道、径向散热通道的孔径通过转子强度分析，转子模态分析后的结果来决定，在保证转子强度和转速的同时，尽可能的增加通道孔径的设计。针对不同机型的转子，通过数值计算或者仿真分析的方法，在保证转子结构强度和达到转子额定转速的前提下，并留有一定的安全裕量，尽量扩大通道孔径范围，同时相对应设计第一轴流风扇的扇叶参数：如叶片曲率、叶片倾角、叶片间距、叶片弧度和数目的标准设计，使得第一轴流风扇与轴向散热通道能够更好的结合设计，在实现利用轴向散热通道空间的同时，还能够实现在一定的转速下转子内部流动的气体动能，即风量、风压越大的效果，进而充分解决了现有技术中因外置冷却风扇而带来的电机体积大、散热成本高的问题。

实施例

如图5所示的转子主轴剖视结构示意图，本实施例是在实施例一的基础上，作为一种具体的实施方式，本实施例中沿所述轴向散热主通道51的轴向方向设置有若干个第一轴流风扇，从轴向散热主通道的右端向左端依次排布设计有第一轴流风扇7a、7b、7c、7d，第一轴流风扇7a设置在轴向散热主通道的盲孔开孔端，使转子在高速旋转时，通过在轴向散热主通道内依次平均排布设置的四个第一轴流风扇，产生充足的冷却风对转子内部进行降温，达到充分降低磁钢温度的效果，保障转子磁钢的磁性稳定性，从而实现电机运行的整体稳定性和经济性。

结合图3所示的内置散热结构转子的立体结构示意图，本实施例中的径向散热通道50为沿转子本体在圆周方向上开设的若干个径向散热孔。结合图5所示，该径向散热孔位于靠近轴向散热主通道盲孔尾端圆周位置处，径向散热孔数目及孔径的设计可根据转子本体的轴径及轴向散热主通道的孔径来设计合适的数值。

进一步地，作为一种实施例，如图5所示，本实施例中的径向散热孔的通道轴线与轴向散热主通道的水平轴线之间的夹角β等于90°，即各个径向散热孔与轴向散热主通道呈垂直设计。

需要说明的是，为利于转子内部冷却风的流出顺利，将径向散热孔的通道轴线与轴向散热主通道的水平轴线之间的夹角β限定设计为不小于90°，也就是说，将径向散热孔的倾斜方向偏向于风力的流动方向，利于冷却风的顺利流出。如图6所示的一种实施例将径向散热孔的通道轴线与轴向散热主通道的水平轴线之间的夹角β等于135°的设计，具体可根据轴向散热主通道的孔径及风压风量、和径向散热孔的孔径和数量来设计合适的倾斜夹角角度。

另外，如图5、图6所示，本实施例中的四个第一轴流风扇的扇叶的一端固定设置在轴向散热主通道的内壁上，另一端螺旋盘浮于轴向散热主通道的空间内。

实施例

如图7所示的转子主轴剖视结构示意图，本实施例在实施例一、实施例二的基础上，作为另一实施例，与实施例一、实施例二不同的是：本实施例在轴向散热主通道51内均布开设有多个圆盘槽510，所述圆盘槽510的槽底伸向环绕设置的磁钢方向，并且第一轴流风扇7b、7c和7d的扇叶的两端分别固定设置在所述圆盘槽510的两侧的槽壁上。更利于在转子高速旋转时产生的冷却风对磁钢的降温作用，达到保障磁钢磁性和电机良好运行的效果。

实施例

如图8所示的转子剖视图及气体流向示意图和图9的右视结构示意图，本实施例是在实施例一的基础上，作为一种优选的实施方式，本实施例中的散热通道还包括与所述轴向散热主通道51连通的多个轴向散热辅通道52，具体通过沿径向设置的连通孔53进行连通，也就是说，所述轴向散热主通道51和轴向散热辅通道52之间开设有若干个连通孔53，使第一轴流风扇7产生的冷却风在经轴向散热主通道51流向径向散热通道50的同时，还能够使冷却风流向各个轴向散热辅通道52内，实现对磁钢温度的进一步降低，达到保障磁钢磁性和电机良好运行的效果。

需要说明的是，本实施例中的轴向散热辅通道52与径向散热孔是对应设置的，也就是轴向散热辅通道52的一端伸向所述径向散热孔并连通；轴向散热辅通道52的另一端为封闭设计，便于冷却风压向径向散热孔一边流动。图8、图9中的轴向散热辅通道52另一端的图示仅为示意所用，不影响本实施例实际散热效果的实施。

实施例

如图10所示，本实施例提供了一种磁悬浮电机，包括实施例1-4任一个的内置散热结构的电机转子、电机定子9、机壳8、两个分别设置在机壳8两端的端盖12（图中仅示意出一端的端盖）以及两个分别套装在转子上的磁悬浮轴承，电机转子和电机定子9固定设置在机壳8的内部，电机定子9套装在转子本体10的外部。

结合图10示出的一种内置散热结构的磁悬浮电机的散热流道示意图，对本发明实施例的内置散热结构的电机的散热方法进行说明：

当启动电机时，转子主轴带动第一轴流风扇7和第二轴流风扇6进行转动，分别产生沿着转子主轴方向的冷却风，第一轴流风扇7产生的冷却风经过轴向散热通道，再经过多个径向散热孔流出，最后经过转子主轴输出端的端盖12流出电机，从而实现对内部的散热；同时第二轴流风扇6产生的冷却风一部分通过转子本体10和电机定子9之间的间隙沿轴向进行流动，从而对电机转子及电机定子9表面散热，另一部分经过电机定子和电机机壳8之间的间隙沿轴向进行流动，也能够实现了对电机定子9的冷却。

与现有的技术相比较，图1为水冷散热结构的流道示意图，其中水冷通道13如图中箭头所示。图2为外置冷却风扇的流道示意图，其中冷却风的流通如图中箭头所示。本申请提供的散热结构，能够实现对电机转子的内部和外部进行冷却，使得电机转子达到更好的散热效果；不仅能降低磁钢温度，而且也省去了外置冷却风扇占用的电机设计空间及运行损耗，温度的有效控制防止了电机转子上热套件的脱落，电机的转速越高，本实施例中在转子本体上设置的第一轴流风扇7和第二轴流风扇6进行转动的相对转速就越高，产生对转子降温的冷却风就越充足，在达到更好的散热效果的同时，还能够充分满足更高转速的要求。

针对大功率高转速磁悬浮电机，其磁钢3处发热严重，需要大压力的冷却风，才能在转子和定子的缝隙之间流过足够的风量，例如针对400Kw电机的散热需求，该压力一般取2-4KPa,流量一般取20m³/min，但是电机的功率、风道的设计都影响压力和流量的选择,市场上的散热风扇很难达到此要求，或者某些风机可以达到此要求，但是非专用于散热风扇的设计，并且体积太大，不方便实施。而本发明通过在电机转子中内置散热结构，尤其是在转子本体内开设散热通道和在散热通道内设置第一轴流风扇的特定结构，不仅能够达到更好的散热效果，还能够充分满足大功率高转速磁悬浮电机的散热需求。该特定散热结构的设计，本申请人研发团队经过N多次的实验、研究与模拟分析设计，而优选出的结构简单，散热效果更佳的独特设计，尤其是在大功率高转速磁悬浮电机技术领域，具有突出的技术突破的重大意义。

综上，本发明实施例通过在转子本体内开设散热通道和在散热通道内设置第一轴流风扇，第一轴流风扇随着高速旋转的磁悬浮电机转子进行高速转动，进而自动及时产生足够大的风力流经转子本体内部开设的散热通道，实现对电机转子内部进行有效散热的同时，也避免了外置冷却风扇而带来的电机体积大、散热成本高的问题。

同时，通过在转子本体一端的轴肩处设置第二轴流风扇，该第二轴流风扇随着高速旋转的磁悬浮电机转子进行高速转动，进而自动及时产生足够大的风力流经转子本体表面与电机定子之间的缝隙，实现对电机转子表面进行有效的散热，同时也避免了因单独设置外置冷却风扇而带来的电机体积大、散热成本高的问题。

上述说明示出并描述了本申请的优选实施方式，但如前对象，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文对象构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种转子主轴，用于高速旋转的磁悬浮电机上，其特征在于，包括：

转子本体；

磁钢，其环绕设置在所述转子本体的外部；

散热结构，其包括在所述转子本体内开设的散热通道和在所述散热通道内设置的第一轴流风扇，所述第一轴流风扇用于对所述转子本体的内部进行散热。

2.如权利要求1所述的转子主轴，其特征在于，所述散热结构还包括用于对所述转子本体的外表面进行散热的第二轴流风扇，所述第二轴流风扇设置在所述转子本体一端的轴肩处。

3.如权利要求1所述的转子主轴，其特征在于，所述散热通道包括轴向散热主通道和与所述轴向散热主通道连通的径向散热通道。

4.如权利要求3所述的转子主轴，其特征在于，所述轴向散热主通道为沿所述转子本体的主轴方向开设的轴向盲孔，所述第一轴流风扇设置在所述轴向盲孔的开口处。

5.如权利要求3所述的转子主轴，其特征在于，沿所述轴向散热主通道的轴向方向设置有若干个所述第一轴流风扇。

6.如权利要求3所述的转子主轴，其特征在于，所述散热通道还包括与所述轴向散热主通道连通的多个轴向散热辅通道。

7.如权利要求3所述的转子主轴，其特征在于，所述径向散热通道为沿所述转子本体在圆周方向上开设的若干个径向散热孔，所述径向散热孔位于所述轴向散热主通道远离所述第一轴流风扇的一端。

8.如权利要求7所述的转子主轴，其特征在于，所述径向散热孔的通道轴线与所述轴向散热主通道的水平轴线之间的夹角为β，则β的取值范围为：90°≤β≤150°。

9.如权利要求7所述的转子主轴，其特征在于，所述径向散热孔的通道轴线与所述轴向散热主通道的水平轴线之间的夹角为β，则β的取值等于135°。

10.一种磁悬浮电机，包括电机壳体、位于所述电机壳体内的电机转子和电机定子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1-9任一所述的转子主轴。

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