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Abstract

一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构，包括定子水冷套、定子绕组冷却风道、转子外表面冷却风道、转子内部冷却风道，定子外圆面与定子传热套过盈配合，定子传热套与定子水冷套过盈配合，利用电机高速旋转时离心叶轮的抽力将外部冷却空气吸入电机腔内对电机进行冷却，转子内部冷却风道提供一种额外的转子冷却通道，该结构适用于空气轴承支承的高功率密度的高速离心旋转机械，在不增大整机尺寸的条件下，大幅降低定子、转子和轴承的温升，提高整机效率。

Description

一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构
技术领域
本发明涉及高速永磁电机的冷却技术领域，具体涉及一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构。
背景技术
在电机设计中，电机的散热设计与本身的电磁设计一样重要，因为电机的功率会因为发热严重而下降。高速永磁电机转子中的永磁体对热是最敏感的，因为永磁体过热会导致其永久退磁。假如永磁体采用碳纤维保护套约束以抵抗其离心力，这会造成另一个问题，即碳纤维的导热性能很差，永磁体的热量很难通过它散出去，冷却永磁体将变得非常困难。高速电机的旋转速度高达每分钟数万转甚至十几万转，在非常高的表面线速度下，转子外表面上会产生大量的空气摩擦损耗，这会增加气隙内的温度，造成永磁体过热。同时，由于高速永磁电机转子体积小，散热困难，因此有效的散热和冷却方式是高速永磁电机设计中的一个重要问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构，该结构在不增大整机尺寸的条件下，大幅降低定子、转子和轴承的温升，提高整机稳定性和效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构，包括电机驱动高速离心式空气压缩机，该压缩机的叶轮端轴承座12和推力盘端轴承座16支承转子5，推力盘端轴承座16和端盖17之间形成第一腔S1，导流罩15与压缩机外壳1内表面之间形成第二腔S2，推力盘端轴承座16凸出部分与导流罩15之间形成第三腔S3，叶轮端轴承座12与压缩机外壳1内表面之间形成第四腔S4，叶轮端轴承座12与蜗壳13内表面之间形成第五腔S5，定子冷却水套2内表面均布至少两个半圆形截面的槽，该槽与定子传热套3外表面配合形成冷水套轴向流道2a，冷水套轴向流道2a一端与第二腔S2相通，另一端与第四腔S4相通，定子4内开有定子绕组冷却风道4a，定子与转子之间的气隙形成转子外表面冷却风道4b，定子绕组冷却风道4a、转子外表面冷却风道4b一端均与第三腔S3相通，另一端均与第四腔S4相通，叶轮端轴承座12开有第一进气孔12a，第一进气孔12a一端与第四腔S4相通，另一端第五腔S5相通，推力盘端轴承座16开有第二外进气孔16b和第三内进气孔16a，第二外进气孔16b一端与第一腔S1相通，另一端通过导流罩15上开有的第五进气孔15a与第二腔S2相通，第三内进气孔16a一端与第一腔S1相通，另一端与第三腔S3相通，端盖17上开有第四进气孔17b和中心进气孔17a，外界空气通过第四进气孔17b与第一腔S1相通，蜗壳端盖14上开有第六中心孔14a，推力盘轴段6、保护套7、永磁体8和叶轮端轴段9组成转子5，保护套7与永磁体8过盈配合，配合后一端与叶轮端轴段9连接，另一端与推力盘轴段6连接，离心叶轮10反装在叶轮端轴段9上，转子5开有转子内部冷却风道5a，转子内部冷却风道5a一端与第四中心进气孔17a相通，另一端与第六中心孔14a相通，轴向推力轴承18一面装在端盖17上，另一面装在推力盘端轴承座16上。
所述的离心叶轮10与叶轮端轴段9为间隙配合，并用螺母11紧固。
所述的永磁体8横截面为椭圆形。
所述的叶轮端轴承座12和推力盘端轴承座16装有弹性箔片空气动压径向轴承。
所述的轴向推力轴承18采用弹性箔片空气动压推力轴承。
由于本发明利用电机高速旋转时离心叶轮的抽力将外部冷却空气吸入电机腔内对电机转子和定子绕组进行风冷，利用定子水冷套，通过热传导的方式吸收定子的热量，故而在不增大整机尺寸的条件下，大幅降低定子、转子和轴承的温升，提高整机稳定性和效率。
附图说明
图1为本发明的剖视图。
图2为本发明转子5的剖视图。
图3为图1的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构，包括电机驱动高速离心式空气压缩机，该压缩机的叶轮端轴承座12和推力盘端轴承座16支承转子5，推力盘端轴承座16和端盖17之间形成第一腔S1，导流罩15与压缩机外壳1内表面之间形成第二腔S2，推力盘端轴承座16凸出部分与导流罩15之间形成第三腔S3，叶轮端轴承座12与压缩机外壳1内表面之间形成第四腔S4，叶轮端轴承座12与蜗壳13内表面之间形成第五腔S5，定子冷却水套2内表面均布至少两个半圆形截面的槽，该槽与定子传热套3外表面配合形成冷水套轴向流道2a，冷水套轴向流道2a一端与第二腔S2相通，另一端与第四腔S4相通，定子4内开有定子绕组冷却风道4a，用以冷却电机绕组，定子与转子之间的气隙形成的转子外表面冷却风道4b，用以冷却永磁体，定子绕组冷却风道4a、转子外表面冷却风道4b一端与第三腔S3相通，另一端与第四腔S4相通，叶轮端轴承座12开有第一进气孔12a，第一进气孔12a一端与第四腔S4相通，另一端第五腔S5相通，推力盘端轴承座16开有第二外进气孔16b和第三内进气孔16a，第二外进气孔16b一端与第一腔S1相通，另一端通过导流罩15上开有第五进气孔15a与第二腔S2相通，第三内进气孔16a一端与第一腔S1相通，另一端与第三腔S3相通，端盖17上开有第四进气孔17b和中心进气孔17a，外界空气通过第四进气孔17b与第一腔S1相通，蜗壳端盖14上开有第六中心孔14a，转子5开有转子内部冷却风道5a，转子内部冷却风道5a一端与第四中心进气孔17a相通，另一端与第六中心孔14a相通，通过转子内部冷却风道5a，可以单独对永磁体内表面进行冷却，轴向推力轴承18一面装在端盖17上，另一面装在推力盘端轴承座16上。
参照图2，推力盘轴段6、保护套7、永磁体8和叶轮端轴段9组成转子5，保护套7与永磁体8过盈配合，配合后一端与叶轮端轴段9连接，另一端与推力盘轴段6连接，离心叶轮10反装在叶轮端轴段9上，保护套7采用具有高屈服强度的钛合金材料，永磁体8采用耐高温的钐钴。
参照图3，定子冷却水套2内表面均布若干个半圆形截面的槽，并与定子传热套3外表面配合形成轴向流道2a，定子4内开有由定子齿槽形成的定子绕组冷却风道4a，定子与转子之间的气隙形成的转子外表面冷却风道4b，设计转子时，在不影响电机性能的前提下，应尽量增大转子外表面冷却风道4b的横截面积，以加强空气对流换热效果和减小空气摩擦损耗。
所述的离心叶轮10与叶轮端轴段9为间隙配合，并用螺母11紧固。
所述的永磁体8横截面为椭圆形。
所述的叶轮端轴承座12和推力盘端轴承座16装有弹性箔片空气动压径向轴承。
所述的轴向推力轴承18采用弹性箔片空气动压推力轴承。
本发明的工作原理为：
利用电机高速旋转时离心叶轮的抽力将外部冷却空气吸入电机腔内对电机转子和定子绕组进行风冷，利用定子水冷套，通过热传导的方式吸收定子的热量。当转子5高速旋转时，带动离心叶轮10一起旋转，在离心叶轮入口处产生一个负压区，第四进气孔17b与此处负压区形成一个压差以驱动空气流入机腔内，定子4的热量通过其外圆面传导给定子传热套3，定子传热套3将热量传导给定子水冷套2，定子水冷套2中的热量热传导给冷却水循环通道中的冷却水，由绕圆周方向循环流动的冷却水将热量带到外界。
外部冷却气流通过第四进气孔17b被吸入第一腔S1后，进行分流，一部分气流通过推力盘端轴承座16上的第三内进气孔16a进入第三腔S3，剩余部分通过第二外进气孔16b和导流罩15上的第五进气孔15a后进入第二腔S2，进入第三腔S3的气流先冷却定子端部绕组，一部分冷却气流流经定子绕组冷却风道4a，另一部分冷却气流流经转子外表面冷却风道4b，然后汇合对定子另一个端部绕组进行冷却，进入第二腔S2中的气流流经冷水套轴向流道2a后与从第三腔S3流出的气流在第四腔S4内汇合，然后流经叶轮端轴承座12上的第一进气孔12a，进入第五腔S5，最后进入压缩机叶轮入口。
附图中：1为压缩机外壳，2为定子冷却水套，2a为冷水套轴向流道，3为定子传热套，4为定子，4a为定子绕组冷却风道，4b转子外表面冷却风道，5为转子，12为叶轮端轴承座，12a为第一进气孔，13为蜗壳，14为蜗壳端盖，14a为第六中心孔，15为导流罩，15a为第五进气孔，16为推力盘端轴承座，16a为第三内进气孔，16b为第二外进气孔，17为端盖，17a为第四中心进气孔，17b第四进气孔，18为轴向推力轴承，S1为第一腔，S2为第二腔，S3为第三腔，S4为第四腔，S5为第五腔。

Claims (5)

1.一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构，包括电机驱动高速离心式空气压缩机，该压缩机的叶轮端轴承座(12)和推力盘端轴承座(16)支承转子(5)，推力盘端轴承座(16)和端盖(17)之间形成第一腔(S1)，导流罩(15)与压缩机外壳(1)内表面之间形成第二腔(S2)，推力盘端轴承座(16)凸出部分与导流罩(15)之间形成第三腔(S3)，叶轮端轴承座(12)与压缩机外壳(1)内表面之间形成第四腔(S4)，叶轮端轴承座(12)与蜗壳(13)内表面之间形成第五腔(S5)，其特征在于：定子冷却水套(2)内表面均布至少两个半圆形截面的槽，该槽与定子传热套(3)外表面配合形成冷水套轴向流道(2a)，冷水套轴向流道(2a)一端与第二腔(S2)相通，另一端与第四腔(S4)相通，定子(4)内开有定子绕组冷却风道(4a)，定子与转子之间的气隙形成转子外表面冷却风道(4b)，定子绕组冷却风道(4a)、转子外表面冷却风道(4b)一端均与第三腔(S3)相通，另一端均与第四腔(S4)相通，叶轮端轴承座(12)开有第一进气孔(12a)，第一进气孔(12a)一端与第四腔(S4)相通，另一端第五腔(S5)相通，推力盘端轴承座(16)开有第二外进气孔(16b)和第三内进气孔(16a)，第二外进气孔(16b)一端与第一腔(S1)相通，另一端通过导流罩(15)上开有的第五进气孔(15a)与第二腔(S2)相通，第三内进气孔(16a)一端与第一腔(S1)相通，另一端与第三腔(S3)相通，端盖(17)上开有第四进气孔(17b)和中心进气孔(17a)，外界空气通过第四进气孔(17b)与第一腔(S1)相通，蜗壳端盖(14)上开有第六中心孔(14a)，推力盘轴段(6)、保护套(7)、永磁体(8)和叶轮端轴段(9)组成转子(5)，保护套(7)与永磁体(8)过盈配合，配合后一端与叶轮端轴段(9)连接，另一端与推力盘轴段(6)连接，离心叶轮(10)反装在叶轮端轴段(9)上，转子(5)开有转子内部冷却风道(5a)，转子内部冷却风道(5a)一端与第四中心进气孔(17a)相通，另一端与第六中心孔(14a)相通，轴向推力轴承(18)一面装在端盖(17)上，另一面装在推力盘端轴承座(16)上。
2.根据权利要求1所述的一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构，其特征在于：所述的离心叶轮(10)与叶轮端轴段(9)为间隙配合，并用螺母(11)紧固。
3.根据权利要求1所述的一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构，其特征在于：所述的永磁体(8)横截面为椭圆形。
4.根据权利要求1所述的一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构，其特征在于：所述的叶轮端轴承座(12)和推力盘端轴承座(16)装有弹性箔片空气动压径向轴承。
5.根据权利要求1所述的一种电机驱动高速离心式空气压缩机的冷却结构，其特征在于：所述的轴向推力轴承(18)采用弹性箔片空气动压推力轴承。
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