高速永磁電機直驅離心機轉子的冷卻系統的制作方法

本實用新型涉及高速永磁電機直驅離心機轉子的冷卻方式，特別是大功率（≥100kW）超高轉速（≥10000RPM）的高速永磁電機離心機裝置，主要涉及一種用于大功率高速永磁電機直驅離心機轉子散熱的冷卻系統。

背景技術：

高速永磁電機直驅的離心鼓風機和離心壓縮機（統稱離心機）由于將電機的功能與傳統的齒輪箱等傳動系統從結構上融為一體，省去了復雜的中間傳動環節，具有調速范圍寬、轉動慣量小、能量消耗少、工作效率高、易于實現無級調速和精密控制等優點，此種裝置是離心機產品的未來主推的產品，尤其配上磁浮軸承或空浮軸承，也是高速永磁電機的最主要應用領域之一。但是高速永磁電機發熱功率大，容易導致定子、轉子溫度過高，影響整機效率，甚至還可能會導致轉子永磁體不可逆失磁，造成電機的報廢、葉輪的損壞。因此，如何保證電機的運行溫度（尤其轉子永磁體工作溫度）在安全范圍內是高速永磁電機設計的難點之一。目前常見的此類離心機配套永磁電機轉子冷卻方式如下：

如圖1所示裝置，在中間部位裝置電機轉子10，電機轉子10的兩端分別連接葉輪8和葉輪9，電機轉子10上裝有空氣徑向軸承4和空氣止推軸承5，在電機轉子10上設置有迷宮式密封6。電機定子7由冷卻水從冷卻水進口2流向冷卻水出口3，實現冷卻。電機轉子10通過冷卻空氣入口1注入冷卻用壓縮空氣進行冷卻。從冷卻空氣入口1注入0.2Mpa～0.4Mpa壓縮空氣，冷卻轉子表面，同時在軸承4、5上流動，最后排放到大氣中。這種冷卻空氣大約需要0.2Mpa～0.4Mpa壓力。此種方案的不足在于冷卻空氣只在轉子中間部位對軸直吹，壓力大氣流大易造成轉子受力不平衡，軸的大部分表面未直接與新鮮冷空氣進行換熱，換熱效率差，且空氣壓力較大，造成摩擦損失較大。

如圖2所示裝置，轉子軸20的兩端分別設置有葉輪21和葉輪22，中間位置是電機轉子30。空氣50從大氣中吸入，從電機轉子30的兩端吸入，負壓冷卻空氣60通過中間位置貫通定子40，通過真空泵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題。

該類機組還有其他換熱方式，但是幾乎都是在轉子外表面進行對流換熱，而發熱部位在轉子內部，這樣會造成轉子內部溫度無法及時有效散熱而溫度升高。

有鑒于此，該領域技術人員致力于研發一種用于高速永磁電機直驅離心機轉子散熱的冷卻裝置，以保證電機的運行溫度控制在安全范圍內。

技術實現要素：

本實用新型的任務是提供一種高速永磁電機直驅離心機轉子的冷卻系統，可直接對軸內部和外表面同時進行換熱，提高了換熱效率，解決了上述現有技術所存在的高速永磁直驅離心機轉子散熱的問題。

本實用新型的技術解決方案如下：

一種高速永磁電機直驅離心機轉子的冷卻系統，它包括電機殼體、定子繞組、電機定子冷卻水槽、一級葉輪、一級螺桿、一級蝸殼、第一軸承、第二軸承、二級蝸殼、二級螺桿、轉軸以及二級葉輪；

所述一級葉輪通過一級螺桿聯接固定在轉軸上，二級葉輪通過二級螺桿聯接固定在轉軸上，一級葉輪、一級螺桿、二級葉輪、二級螺桿以及轉軸部件組成機組的整個轉子；

所述轉軸兩側安裝第一軸承和第二軸承，定子繞組安裝在轉軸外圍，電機殼體上開設數個與大氣相通的孔；

所述轉子連同定子繞組、電機殼體、一級蝸殼、二級蝸殼、第一軸承和第二軸承部件組成高速直驅離心機的機頭；

所述二級螺桿設置二級螺桿鉆孔，轉軸軸心設置轉軸鉆孔，在轉軸上還設置數個氣孔，大氣經過轉軸軸心鉆孔和數個氣孔，并從氣孔流出進入定子繞組外部與電機殼體內部之間的空間，再從電機殼體上的孔流出，大氣氣流由此循環將轉子上產生的熱量帶走。

所述電機殼體上沿圓周方向均勻布置二至四個通氣管路，通氣管路最終聯接同一個真空泵，真空泵工作在軸表面形成負壓，設置相反的氣流方向和循環回路，在負壓工況下使轉子與氣體的摩擦損失降到最低，同樣達到冷卻直驅離心機轉子的效果。

所述通氣管路靠近軸的一側均勻開設一條1mm的縫隙。

所述通氣管路靠近軸的一側均勻開設數個小孔。

采用本實用新型的一種高速永磁電機直驅離心機轉子的冷卻系統，直接對軸內部和外表面同時進行換熱，解決了高速永磁直驅離心機轉子的散熱問題，使得換熱效率更佳，更加實用可靠，結構更簡單，成本更低，效果更好。

本實用新型的基本思想是從離心機進口處將常溫氣體引入轉子內部，最后從軸上鉆通的徑向小孔流出，使軸內部和外部同時進行散熱，以使換熱效率達到最佳，轉子溫度保持在更加安全的范圍內。

本實用新型的永磁電機屬于大功率（≥100kW）超高轉速（≥10000RPM）的裝置，轉子磁性極強，發熱功率密度極大。

本實用新型中在聯接葉輪的螺桿中心鉆孔和軸上開通冷卻劑的通路必須經過強度計算，以滿足強度要求為首要條件。

本實用新型的軸心上的鉆孔孔徑可以適當取大，孔深與具體軸結構相匹配，不可鉆通。

本實用新型的關鍵是要創造出葉輪進口比電機內部壓力低的壓差工況，方可形成整個冷卻劑的通路。

本實用新型中引入軸內部的氣體冷卻劑必須是常溫的。

與其他轉子散熱方法相比，使用本實用新型的冷卻系統可以將冷卻空氣的用量降低一倍，摩擦損失降低到三分之一以下。

本實用新型的特點可參閱附圖及以下較好實施方式的詳細說明而獲得清楚的了解。

附圖說明

圖1和圖2為市場上現有或已申請專利的轉子冷卻方式的高速直驅離心機結構簡圖。

圖3為本實用新型第一實施方式的高速直驅離心機轉子冷卻方式結構示意圖。

圖4為圖3中標號為Ⅰ的局部放大圖。

圖5為本實用新型第二實施方式的高速直驅離心機轉子冷卻方式結構示意圖。

圖6為圖5中標號為Ⅰ的局部放大圖。

附圖標記：

圖1中：1為冷卻空氣入口，2為冷卻水進口，3為冷卻水出口，4為空氣徑向軸承，5為空氣止推軸承，6為迷宮式密封，7為電機定子，8、9為葉輪，10為電機轉子。

圖2中：20為轉子軸，21、22為葉輪，30為電機轉子，40為定子，50為空氣，60為負壓冷卻空氣，70為真空泵。

31為一級葉輪，32為一級螺桿，33為一級蝸殼，34為第一軸承，35為第二軸承，36為電機殼體，37為定子繞組，38為電機定子冷卻水槽，39為二級蝸殼，41為二級螺桿，42為轉軸，43為二級螺桿鉆孔，44為轉軸鉆孔，63為一級螺桿鉆孔，65為真空泵，66為通氣管路，80為二級葉輪。

具體實施方式

為了使本實用新型實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例進一步闡述本實用新型。

參見圖3至圖6，本實用新型提供一種高速永磁電機直驅離心機轉子的冷卻系統，它主要由電機殼體36、定子繞組37、電機定子冷卻水槽38、一級葉輪31、一級螺桿32、一級蝸殼33、第一軸承34、第二軸承35、二級蝸殼39、二級螺桿41、轉軸42以及二級葉輪80組成。

一級葉輪31通過一級螺桿32聯接固定在轉軸42上，二級葉輪80通過二級螺桿41聯接固定在轉軸42上，一級葉輪31、一級螺桿32、二級葉輪80、二級螺桿41以及轉軸42部件組成機組的整個轉子。

轉軸42兩側安裝第一軸承34和第二軸承35，定子繞組37安裝在轉軸42外圍，電機殼體36上開設數個與大氣相通的孔。

轉子連同定子繞組37、電機殼體36、一級蝸殼33、二級蝸殼39、第一軸承34和第二軸承35部件組成高速直驅離心機的機頭。

二級螺桿41設置二級螺桿鉆孔43，轉軸42軸心設置轉軸鉆孔44，在轉軸42上還設置數個氣孔，大氣經過轉軸42軸心鉆孔44和數個氣孔，并從氣孔流出進入定子繞組37外部與電機殼體36內部之間的空間，再從電機殼體（36）上的孔流出，大氣氣流由此循環將轉子上產生的熱量帶走。

在本實用新型的一個優選實施例中，兩級壓縮的離心機第二級進氣端固定葉輪的螺桿、軸上軸心及徑向通過鉆孔連通構成冷卻劑的通路，同時，電機殼體上開設數個與大氣相通的孔。這樣，離心機正常工作時二級進氣端的氣壓較高，一般1.5bar（G）以上，電機內部氣壓較低，壓力差使離心機進氣端的常溫氣體通過軸心盲孔和連通盲孔的徑向孔帶走軸內部的大部分熱量，同時，通過軸的旋轉，使軸表面與氣體進行二次換熱，最終使轉子保持在安全的溫度范圍之內。

如圖5和圖6所示，電機殼體36上沿圓周方向均勻布置二至四個通氣管路66，通氣管路66最終聯接同一個真空泵65，真空泵65工作在軸表面形成負壓，設置相反的氣流方向和循環回路，在負壓工況下使轉子與氣體的摩擦損失降到最低，同樣達到冷卻直驅離心機轉子的效果。

在通氣管路66靠近軸的一側均勻開設一條1mm的縫隙。也可以在通氣管路66靠近軸的一側均勻開設數個小孔。

在本實用新型的另一個優選實施例中，常壓常溫吸氣的離心機進氣端固定葉輪的螺桿、軸上軸心及徑向通過鉆孔連通構成冷卻劑的通路，同時，電機殼體上除了與小型真空泵相連的開孔外，其余開口完全與大氣隔絕。這樣，通過真空泵的工作使得電機內部形成負壓，使離心機進氣端的常溫氣體通過軸心盲孔和連通盲孔的徑向孔帶走軸內部的大部分熱量，同時，通過軸的旋轉，使軸表面與氣體進行二次換熱，最終使轉子保持在安全的溫度范圍之內。

本實用新型的一種高速永磁電機直驅離心機轉子的冷卻方式如下：

一級葉輪31通過一級螺桿32聯接固定在轉軸42上，二級葉輪80通過二級螺桿41聯接固定在轉軸42上，一級葉輪31、一級螺桿32、二級葉輪80、二級螺桿41以及轉軸42部件組成機組的整個轉子。

氣體經過一級壓縮后進入冷卻器進行冷卻，之后進入二級壓縮，最后得到滿足設計要求的壓力氣體。

兩級壓縮的離心機第二級進氣端固定葉輪的螺桿、軸上軸心及徑向通過鉆孔連通構成冷卻劑的通路，同時電機殼體36上開設數個與大氣相通的孔，這樣，離心機正常工作時二級進氣端的氣壓在1.5bar（G）以上，電機內部氣壓較低，壓力差使離心機進氣端的常溫氣體通過軸心盲孔和連通盲孔的徑向孔帶走轉軸42內部的大部分熱量；同時，通過轉軸的旋轉，使轉軸表面與氣體進行二次換熱，最終使轉子保持在安全的溫度范圍內。

冷卻劑的循環路徑為：大氣進入一級葉輪31到一級蝸殼33再到冷卻器，然后從二級螺桿41進氣口進入，經過轉軸42軸心鉆孔和數個氣孔，并從氣孔流出進入定子繞組37外部與電機殼體36內部之間的空間，再從電機殼體36上的孔流出，由此循環進入大氣，轉子上產生的熱量被氣流帶走。

實施例1：

參見圖3和圖4，圖3所示為一臺轉速大于50000R/min、功率大于200kW的永磁電機直驅離心機結構，一級葉輪31通過一級螺桿32聯接固定在轉軸42上，二級葉輪80通過二級螺桿41聯接固定在轉軸42上，這樣一級葉輪31、一級螺桿32、二級葉輪80、二級螺桿41以及轉軸42等部件組成機組的整個轉子。轉子連同定子繞組37、電機殼體36、一級蝸殼33、二級蝸殼39、軸承35與34等部件組成高速直驅離心機的機頭。

氣體經過一級壓縮后進入冷卻器進行冷卻，之后進入二級壓縮，最后得到滿足設計要求的壓力氣體。

從二級進氣端引入的壓力氣體一般表壓≥1.2bar，且必須是常溫氣體才可使用。

轉軸42上的鉆孔44大小以及二級螺桿41上的鉆孔43大小必須經過精確計算，以通過氣量滿足轉軸的散熱為基本條件。

最終，冷卻劑的循環路徑“大氣→一級葉輪→一級蝸殼→冷卻器→F11→F12→F13→F14→大氣”得以形成，轉子上產生的熱量能夠有效地被氣流帶走。

此種冷卻方法在單級壓縮離心機或者兩級壓縮但無中間冷卻的離心機中無法使用。

實施例2：

參見圖5和圖6，圖5所示為一臺轉速大于50000R/min、功率大于200kW的永磁電機直驅離心機結構，一級葉輪31通過一級螺桿32聯接固定在轉軸42上，二級葉輪80通過二級螺桿41聯接固定在轉軸42上，這樣一級葉輪31、一級螺桿32、二級葉輪80、二級螺桿41以及轉軸42等部件組成機組的整個轉子。轉子連同定子繞組37、電機殼體36、一級蝸殼33、二級蝸殼39、軸承35與34等部件組成高速直驅離心機的機頭。

該方案可應用在單級壓縮的離心機或者兩級壓縮的高速直驅離心機上，但需在一級進氣端引入冷卻氣體，一級進氣端的氣體溫度需為常溫或者低于常溫。

本實施例中轉軸42上的鉆孔44大小以及二級螺桿41上的鉆孔43大小必須經過精確計算，以通過氣量滿足轉軸的散熱為基本條件。

本實施例中需在電機殼體36上沿圓周方向均勻布置二至四個通氣管路66，通氣管路66最終聯接同一個真空泵65。在通氣管路66靠近軸的一側均勻開設一條1mm左右的縫隙或者多個小孔。

電機殼體除與通氣管路66相通大氣外，其余位置必須密封以防泄露。

使用的冷卻用通氣管路應采用不銹鋼或者其他非磁性材質，避免給永磁轉子增加磁吸力。

最終，依靠真空泵65的工作在軸表面形成一定的負壓，使得一級進氣端的氣體首先流經一級螺桿32上的鉆孔63，其次通過轉軸42上的鉆孔44，再被吸入到通氣管路66里面，最終通過真空泵65將與軸換熱后的熱空氣排入大氣。最終，冷卻劑的循環路徑“大氣→F21→F22→F23→F24→大氣”得以形成，轉子上產生的熱量能夠有效地被氣流帶走。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型的范圍內。本實用新型要求的保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。