[實(shí)用新型]轉(zhuǎn)子抽真空冷卻的高速永磁電機(jī)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201821798704.8
• 申請(qǐng)日: 2018-11-02
• 公開（公告）號(hào): CN209184407U
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬哲樹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02K9/00
• 分類號(hào): H02K9/00;H02K9/20;H02K9/197
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張弛

本實(shí)用新型公開了一種轉(zhuǎn)子抽真空冷卻的高速永磁電機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，將轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣所占據(jù)的區(qū)域完全密閉，并處于真空狀態(tài)。在此區(qū)域空間的外側(cè)設(shè)置有真空泵、電磁閥和真空計(jì)，并通過管路與此密閉空間相連。通過真空泵來調(diào)控電機(jī)氣隙內(nèi)部的空氣真空度，可大幅降低高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的風(fēng)摩損耗，且風(fēng)摩損耗可根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來調(diào)控。轉(zhuǎn)子永磁體的風(fēng)摩生熱可以通過對(duì)流和輻射傳遞給定子，經(jīng)由定子散熱系統(tǒng)導(dǎo)出。通過本冷卻方案，可以有效解決高速永磁電機(jī)體積趨小、散熱日益困難、定轉(zhuǎn)子溫升局部過高的問題，尤其適于有效解決永磁電機(jī)中的永磁體高溫失磁問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種轉(zhuǎn)子抽真空冷卻的高速永磁電機(jī)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

高速電機(jī)具有功率密度大的巨大優(yōu)勢(shì)，可以有效地節(jié)約材料。由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，如果把高速電機(jī)與負(fù)載直接相連，可省去傳統(tǒng)的機(jī)械變速裝置，從而提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率，因此高速電機(jī)的研究與應(yīng)用符合節(jié)能減排的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，在高速磨床、飛輪儲(chǔ)能、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。隨著大功率高速和超高速電機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論的發(fā)展，圍繞艦船、飛機(jī)等獨(dú)立電源和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和需要，高速電機(jī)的研究目前已成為國(guó)際電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，同時(shí)作為運(yùn)行于極端條件下的典型電機(jī)系統(tǒng)之一成為我國(guó)電氣科學(xué)與工程領(lǐng)域近年來的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

作為高速電機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，高速電機(jī)損耗計(jì)算模型和保證電機(jī)適當(dāng)溫度水平的高效散熱冷卻技術(shù)的研究一方面與高速電機(jī)的效率密切相關(guān)，另一方面與高速電機(jī)的安全性和可靠性緊密相關(guān)。高速電機(jī)繞組電流和鐵心中磁通交變頻率的增加導(dǎo)致了基本電氣損耗和高頻附加損耗的增大，特別是由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)摩損耗和軸承損耗在總損耗中占有相當(dāng)比重(可達(dá)40％)且與電機(jī)的運(yùn)行速度和散熱冷卻條件密切相關(guān)，因而難以準(zhǔn)確計(jì)算。這樣一來，高速電機(jī)功率密度大幅提升帶來的幾何尺寸減少，使得有效的散熱和冷卻方式成為高速電機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的關(guān)鍵技術(shù)，需要在損耗增加的前提下通過更小的總體散熱面積帶走這些損耗所產(chǎn)生的熱量。

高速永磁電機(jī)的散熱冷卻技術(shù)必須基于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來認(rèn)真審視。為了保證轉(zhuǎn)子具有足夠的剛度和較高的臨界轉(zhuǎn)速，高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般為細(xì)長(zhǎng)型，轉(zhuǎn)子軸向也不可過長(zhǎng)；為了減小離心力，轉(zhuǎn)子直徑應(yīng)選得越小越好，但是為了保證有足夠大的空間放置永磁體和轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)子直徑卻不可過小。因此，為了確保高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子具備足夠的機(jī)械性能，無(wú)法在轉(zhuǎn)子內(nèi)部布設(shè)冷卻通路。盡管與定子鐵心損耗以及繞組銅耗相比，轉(zhuǎn)子渦流損耗很小，但是轉(zhuǎn)子散熱條件差，轉(zhuǎn)子渦流損耗卻可能會(huì)引起轉(zhuǎn)子較高的溫升。由于永磁體材料性能與溫度有關(guān)，尤其是對(duì)于居里點(diǎn)較低、電導(dǎo)率較高、溫度系數(shù)較大的釹鐵硼材料，過高的溫度會(huì)使電機(jī)性能下降，甚至引起永磁體的退磁而損壞電機(jī)。

按冷卻介質(zhì)的形態(tài)區(qū)分，目前在電機(jī)冷卻方面得到廣泛應(yīng)用的方式包括氣冷、氣液冷和液冷三大類。氣體冷卻特別是大氣壓下的空冷由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要額外密封裝置且無(wú)污染，在電機(jī)冷卻中具有天然的優(yōu)勢(shì)，常作為電機(jī)冷卻的首選方案，氣體冷卻介質(zhì)包括空氣和氫氣等；液體冷卻介質(zhì)(包括液體單相冷卻技術(shù)和液體相變冷卻技術(shù))有水、油、氟里昂類介質(zhì)及新型無(wú)污染化合物類氟碳介質(zhì)。盡管空冷方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，但受電機(jī)轉(zhuǎn)速和容量的限制且同容量電機(jī)的體積龐大；氫冷和水冷效率遠(yuǎn)高于空冷且電機(jī)體積相應(yīng)較小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需分別增加氫系統(tǒng)和水系統(tǒng)，運(yùn)行維護(hù)工作量大；基于液體工質(zhì)相變的蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用流體汽化潛熱，具有換熱效率高、電機(jī)各個(gè)部分溫升低、溫度分布均勻且無(wú)局部過熱點(diǎn)等優(yōu)良冷卻特性，具有很好的應(yīng)用潛力，但是該方法在汽液兩相流體的流動(dòng)特性和傳熱的處理上還缺乏準(zhǔn)確的理論，新型的環(huán)境友好的冷卻介質(zhì)尚有待進(jìn)一步研發(fā)和確定穩(wěn)定的物性數(shù)據(jù)。