CN106602765B - 高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方法及冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方法及冷却系统，两级压缩的离心机第二级进气端固定叶轮的螺杆、轴上轴心及径向通过钻孔连通构成冷却剂的通路，同时电机壳体上开设数个与大气相通的孔，离心机正常工作时二级进气端的气压在1.5bar（G）以上，电机内部气压较低，压力差使离心机进气端的常温气体通过轴心盲孔和连通盲孔的径向孔带走转轴内部的大部分热量，同时通过转轴的旋转，使转轴表面与气体进行二次换热，最终使转子保持在安全的温度范围内。本发明直接对轴内部和外表面同时进行换热，解决了高速永磁直驱离心机转子的散热问题，使得换热效率更佳，更加实用可靠，结构更简单，成本更低，效果更好。

Description

高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方法及冷却系统

技术领域

本发明涉及高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方式，特别是大功率（≥100kW）超高转速（≥10000RPM）的高速永磁电机离心机装置，主要涉及一种用于大功率高速永磁电机直驱离心机转子散热的冷却方法及冷却系统。

背景技术

高速永磁电机直驱的离心鼓风机和离心压缩机（统称离心机）由于将电机的功能与传统的齿轮箱等传动系统从结构上融为一体，省去了复杂的中间传动环节，具有调速范围宽、转动惯量小、能量消耗少、工作效率高、易于实现无级调速和精密控制等优点，此种装置是离心机产品的未来主推的产品，尤其配上磁浮轴承或空浮轴承，也是高速永磁电机的最主要应用领域之一。但是高速永磁电机发热功率大，容易导致定子、转子温度过高，影响整机效率，甚至还可能会导致转子永磁体不可逆失磁，造成电机的报废、叶轮的损坏。因此，如何保证电机的运行温度（尤其转子永磁体工作温度）在安全范围内是高速永磁电机设计的难点之一。目前常见的此类离心机配套永磁电机转子冷却方式如下：

如图1所示装置，在中间部位装置电机转子10，电机转子10的两端分别连接叶轮8和叶轮9，电机转子10上装有空气径向轴承4和空气止推轴承5，在电机转子10上设置有迷宫式密封6。电机定子7由冷却水从冷却水进口2流向冷却水出口3，实现冷却。电机转子10通过冷却空气入口1注入冷却用压缩空气进行冷却。从冷却空气入口1注入0.2Mpa～0.4Mpa压缩空气，冷却转子表面，同时在轴承4、5上流动，最后排放到大气中。这种冷却空气大约需要0.2Mpa～0.4Mpa压力。此种方案的不足在于冷却空气只在转子中间部位对轴直吹，压力大气流大易造成转子受力不平衡，轴的大部分表面未直接与新鲜冷空气进行换热，换热效率差，且空气压力较大，造成摩擦损失较大。

如图2所示装置，转子轴20的两端分别设置有叶轮21和叶轮22，中间位置是电机转子30。空气50从大气中吸入，从电机转子30的两端吸入，负压冷却空气60通过中间位置贯通定子40，通过真空泵70或者空气喷射器排出，释放到大气中。图2所示中，下部的排气通道与上部的排气通道连通，并共用一个真空泵70。此冷却方式可使摩擦损失降低，但和图1装置同样存在换热效率稍差的问题。

该类机组还有其他换热方式，但是几乎都是在转子外表面进行对流换热，而发热部位在转子内部，这样会造成转子内部温度无法及时有效散热而温度升高。

有鉴于此，该领域技术人员致力于研发一种用于高速永磁电机直驱离心机转子散热的冷却方法及装置，以保证电机的运行温度控制在安全范围内。

发明内容

本发明的任务是提供一种高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方法及冷却系统，可直接对轴内部和外表面同时进行换热，提高了换热效率，解决了上述现有技术所存在的高速永磁直驱离心机转子散热的问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方法，其中一级叶轮通过一级螺杆联接固定在转轴上，二级叶轮通过二级螺杆联接固定在转轴上，一级叶轮、一级螺杆、二级叶轮、二级螺杆以及转轴部件组成机组的整个转子；

气体经过一级压缩后进入冷却器进行冷却，之后进入二级压缩，最后得到满足设计要求的压力气体；

两级压缩的离心机第二级进气端固定叶轮的螺杆、轴上轴心及径向通过钻孔连通构成冷却剂的通路，同时电机壳体上开设数个与大气相通的孔，这样，离心机正常工作时二级进气端的气压在1.5bar（G）以上，电机内部气压较低，压力差使离心机进气端的常温气体通过轴心盲孔和连通盲孔的径向孔带走转轴内部的大部分热量，同时，通过转轴的旋转，使转轴表面与气体进行二次换热，最终使转子保持在安全的温度范围内。

冷却剂的循环路径为：大气进入一级叶轮到一级蜗壳再到冷却器，然后从二级螺杆进气口进入，经过转轴轴心钻孔和数个气孔，并从气孔流出进入定子绕组外部与电机壳体内部之间的空间，再从电机壳体上的孔流出，由此循环进入大气，转子上产生的热量被气流带走。

一种高速永磁电机直驱离心机转子的冷却系统，它包括电机壳体、定子绕组、电机定子冷却水槽、一级叶轮、一级螺杆、一级蜗壳、第一轴承、第二轴承、二级蜗壳、二级螺杆、转轴以及二级叶轮；

所述一级叶轮通过一级螺杆联接固定在转轴上，二级叶轮通过二级螺杆联接固定在转轴上，一级叶轮、一级螺杆、二级叶轮、二级螺杆以及转轴部件组成机组的整个转子；

所述转轴两侧安装第一轴承和第二轴承，定子绕组安装在转轴外围，电机壳体上开设数个与大气相通的孔；

所述转子连同定子绕组、电机壳体、一级蜗壳、二级蜗壳、第一轴承和第二轴承部件组成高速直驱离心机的机头；

所述二级螺杆设置二级螺杆钻孔，转轴轴心设置转轴钻孔，在转轴上还设置数个气孔，大气经过转轴轴心钻孔和数个气孔，并从气孔流出进入定子绕组外部与电机壳体内部之间的空间，再从电机壳体上的孔流出，大气气流由此循环将转子上产生的热量带走。

所述电机壳体上沿圆周方向均匀布置二至四个通气管路，通气管路最终联接同一个真空泵，真空泵工作在轴表面形成负压，设置相反的气流方向和循环回路，在负压工况下使转子与气体的摩擦损失降到最低，同样达到冷却直驱离心机转子的效果。

所述通气管路靠近轴的一侧均匀开设一条1mm的缝隙。

所述通气管路靠近轴的一侧均匀开设数个小孔。

采用本发明的一种高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方法及冷却系统，直接对轴内部和外表面同时进行换热，解决了高速永磁直驱离心机转子的散热问题，使得换热效率更佳，更加实用可靠，结构更简单，成本更低，效果更好。

本发明的基本思想是从离心机进口处将常温气体引入转子内部，最后从轴上钻通的径向小孔流出，使轴内部和外部同时进行散热，以使换热效率达到最佳，转子温度保持在更加安全的范围内。

本发明中永磁电机属于大功率（≥100kW）超高转速（≥10000RPM）的装置，转子磁性极强，发热功率密度极大。

本发明中在联接叶轮的螺杆中心钻孔和轴上开通冷却剂的通路必须经过强度计算，以满足强度要求为首要条件。

本发明中轴心上的钻孔孔径可以适当取大，孔深与具体轴结构相匹配，不可钻通。

本发明中关键是要创造出叶轮进口比电机内部压力低的压差工况，方可形成整个冷却剂的通路。

本发明中引入轴内部的气体冷却剂必须是常温的。

与其他转子散热方法相比，使用本发明的冷却方法及冷却系统可以将冷却空气的用量降低一倍，摩擦损失降低到三分之一以下。

本发明的特点可参阅附图及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚的了解。

附图说明

图1和图2为市场上现有或已申请专利的转子冷却方式的高速直驱离心机结构简图。

图3为本发明第一实施方式的高速直驱离心机转子冷却方式结构示意图。

图4为图3中标号为Ⅰ的局部放大图。

图5为本发明第二实施方式的高速直驱离心机转子冷却方式结构示意图。

图6为图5中标号为Ⅰ的局部放大图。

附图标记：

图1中：1为冷却空气入口，2为冷却水进口，3为冷却水出口，4为空气径向轴承，5为空气止推轴承，6为迷宫式密封，7为电机定子，8、9为叶轮，10为电机转子。

图2中：20为转子轴，21、22为叶轮，30为电机转子，40为定子，50为空气，60为负压冷却空气，70为真空泵。

31为一级叶轮，32为一级螺杆，33为一级蜗壳，34为第一轴承，35为第二轴承，36为电机壳体，37为定子绕组，38为电机定子冷却水槽，39为二级蜗壳，41为二级螺杆，42为转轴，43为二级螺杆钻孔，44为转轴钻孔，63为一级螺杆钻孔，65为真空泵，66为通气管路，80为二级叶轮。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本发明。

参见图3至图6，本发明提供一种高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方法，其中一级叶轮31通过一级螺杆32联接固定在转轴42上，二级叶轮80通过二级螺杆41联接固定在转轴42上，一级叶轮31、一级螺杆32、二级叶轮80、二级螺杆41以及转轴42部件组成机组的整个转子。

气体经过一级压缩后进入冷却器进行冷却，之后进入二级压缩，最后得到满足设计要求的压力气体。

两级压缩的离心机第二级进气端固定叶轮的螺杆、轴上轴心及径向通过钻孔连通构成冷却剂的通路，同时电机壳体36上开设数个与大气相通的孔，这样，离心机正常工作时二级进气端的气压在1.5bar（G）以上，电机内部气压较低，压力差使离心机进气端的常温气体通过轴心盲孔和连通盲孔的径向孔带走转轴42内部的大部分热量；同时，通过转轴的旋转，使转轴表面与气体进行二次换热，最终使转子保持在安全的温度范围内。

冷却剂的循环路径为：大气进入一级叶轮31到一级蜗壳33再到冷却器，然后从二级螺杆41进气口进入，经过转轴42轴心钻孔和数个气孔，并从气孔流出进入定子绕组37外部与电机壳体36内部之间的空间，再从电机壳体36上的孔流出，由此循环进入大气，转子上产生的热量被气流带走。

本发明还提供一种高速永磁电机直驱离心机转子的冷却系统，它主要由电机壳体36、定子绕组37、电机定子冷却水槽38、一级叶轮31、一级螺杆32、一级蜗壳33、第一轴承34、第二轴承35、二级蜗壳39、二级螺杆41、转轴42以及二级叶轮80组成。

一级叶轮31通过一级螺杆32联接固定在转轴42上，二级叶轮80通过二级螺杆41联接固定在转轴42上，一级叶轮31、一级螺杆32、二级叶轮80、二级螺杆41以及转轴42部件组成机组的整个转子。

转轴42两侧安装第一轴承34和第二轴承35，定子绕组37安装在转轴42外围，电机壳体36上开设数个与大气相通的孔。

转子连同定子绕组37、电机壳体36、一级蜗壳33、二级蜗壳39、第一轴承34和第二轴承35部件组成高速直驱离心机的机头。

二级螺杆41设置二级螺杆钻孔43，转轴42轴心设置转轴钻孔44，在转轴42上还设置数个气孔，大气经过转轴42轴心钻孔44和数个气孔，并从气孔流出进入定子绕组37外部与电机壳体36内部之间的空间，再从电机壳体（36）上的孔流出，大气气流由此循环将转子上产生的热量带走。

在本发明的一个优选实施例中，两级压缩的离心机第二级进气端固定叶轮的螺杆、轴上轴心及径向通过钻孔连通构成冷却剂的通路，同时，电机壳体上开设数个与大气相通的孔。这样，离心机正常工作时二级进气端的气压较高，一般1.5bar（G）以上，电机内部气压较低，压力差使离心机进气端的常温气体通过轴心盲孔和连通盲孔的径向孔带走轴内部的大部分热量，同时，通过轴的旋转，使轴表面与气体进行二次换热，最终使转子保持在安全的温度范围之内。

如图5和图6所示，电机壳体36上沿圆周方向均匀布置二至四个通气管路66，通气管路66最终联接同一个真空泵65，真空泵65工作在轴表面形成负压，设置相反的气流方向和循环回路，在负压工况下使转子与气体的摩擦损失降到最低，同样达到冷却直驱离心机转子的效果。

在通气管路66靠近轴的一侧均匀开设一条1mm的缝隙。也可以在通气管路66靠近轴的一侧均匀开设数个小孔。

在本发明的另一个优选实施例中，常压常温吸气的离心机进气端固定叶轮的螺杆、轴上轴心及径向通过钻孔连通构成冷却剂的通路，同时，电机壳体上除了与小型真空泵相连的开孔外，其余开口完全与大气隔绝。这样，通过真空泵的工作使得电机内部形成负压，使离心机进气端的常温气体通过轴心盲孔和连通盲孔的径向孔带走轴内部的大部分热量，同时，通过轴的旋转，使轴表面与气体进行二次换热，最终使转子保持在安全的温度范围之内。

实施例1：

参见图3和图4，图3所示为一台转速大于50000R/min、功率大于200kW的永磁电机直驱离心机结构，一级叶轮31通过一级螺杆32联接固定在转轴42上，二级叶轮80通过二级螺杆41联接固定在转轴42上，这样一级叶轮31、一级螺杆32、二级叶轮80、二级螺杆41以及转轴42等部件组成机组的整个转子。转子连同定子绕组37、电机壳体36、一级蜗壳33、二级蜗壳39、轴承35与34等部件组成高速直驱离心机的机头。

气体经过一级压缩后进入冷却器进行冷却，之后进入二级压缩，最后得到满足设计要求的压力气体。

从二级进气端引入的压力气体一般表压≥1.2bar，且必须是常温气体才可使用。

转轴42上的钻孔44大小以及二级螺杆41上的钻孔43大小必须经过精确计算，以通过气量满足转轴的散热为基本条件。

最终，冷却剂的循环路径“大气→一级叶轮→一级蜗壳→冷却器→F11→F12→F13→F14→大气”得以形成，转子上产生的热量能够有效地被气流带走。

此种冷却方法在单级压缩离心机或者两级压缩但无中间冷却的离心机中无法使用。

实施例2：

参见图5和图6，图5所示为一台转速大于50000R/min、功率大于200kW的永磁电机直驱离心机结构，一级叶轮31通过一级螺杆32联接固定在转轴42上，二级叶轮80通过二级螺杆41联接固定在转轴42上，这样一级叶轮31、一级螺杆32、二级叶轮80、二级螺杆41以及转轴42等部件组成机组的整个转子。转子连同定子绕组37、电机壳体36、一级蜗壳33、二级蜗壳39、轴承35与34等部件组成高速直驱离心机的机头。

该方案可应用在单级压缩的离心机或者两级压缩的高速直驱离心机上，但需在一级进气端引入冷却气体，一级进气端的气体温度需为常温或者低于常温。

本实施例中转轴42上的钻孔44大小以及二级螺杆41上的钻孔43大小必须经过精确计算，以通过气量满足转轴的散热为基本条件。

本实施例中需在电机壳体36上沿圆周方向均匀布置二至四个通气管路66，通气管路66最终联接同一个真空泵65。在通气管路66靠近轴的一侧均匀开设一条1mm左右的缝隙或者多个小孔。

电机壳体除与通气管路66相通大气外，其余位置必须密封以防泄露。

使用的冷却用通气管路应采用不锈钢或者其他非磁性材质，避免给永磁转子增加磁吸力。

最终，依靠真空泵65的工作在轴表面形成一定的负压，使得一级进气端的气体首先流经一级螺杆32上的钻孔63，其次通过转轴42上的钻孔44，再被吸入到通气管路66里面，最终通过真空泵65将与轴换热后的热空气排入大气。最终，冷却剂的循环路径“大气→F21→F22→F23→F24→大气”得以形成，转子上产生的热量能够有效地被气流带走。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方法，其特征在于：一级叶轮（31）通过一级螺杆（32）联接固定在转轴（42）上，二级叶轮（80）通过二级螺杆（41）联接固定在转轴（42）上，一级叶轮（31）、一级螺杆（32）、二级叶轮（80）、二级螺杆（41）以及转轴（42）部件组成机组的整个转子；

气体经过一级压缩后进入冷却器进行冷却，之后进入二级压缩，最后得到满足设计要求的压力气体；

两级压缩的离心机第二级进气端固定叶轮的螺杆、轴上轴心及径向通过钻孔连通构成冷却剂的通路，同时电机壳体（36）上开设数个与大气相通的孔，这样，离心机正常工作时二级进气端的气压在1.5bar（G）以上，电机内部气压较低，压力差使离心机进气端的常温气体通过轴心盲孔和连通盲孔的径向孔带走转轴（42）内部的大部分热量，同时，通过转轴的旋转，使转轴表面与气体进行二次换热，最终使转子保持在安全的温度范围内。

2.按照权利要求1所述的高速永磁电机直驱离心机转子的冷却方法，其特征在于：冷却剂的循环路径为：大气进入一级叶轮（31）到一级蜗壳（33）再到冷却器，然后从二级螺杆（41）进气口进入，经过转轴（42）轴心钻孔和数个气孔，并从气孔流出进入定子绕组（37）外部与电机壳体（36）内部之间的空间，再从电机壳体（36）上的孔流出，由此循环进入大气，转子上产生的热量被气流带走。

3.一种高速永磁电机直驱离心机转子的冷却系统，其特征在于：它包括电机壳体（36）、定子绕组（37）、电机定子冷却水槽（38）、一级叶轮（31）、一级螺杆（32）、一级蜗壳（33）、第一轴承（34）、第二轴承（35）、二级蜗壳（39）、二级螺杆（41）、转轴（42）以及二级叶轮（80）；

所述一级叶轮（31）通过一级螺杆（32）联接固定在转轴（42）上，二级叶轮（80）通过二级螺杆（41）联接固定在转轴（42）上，一级叶轮（31）、一级螺杆（32）、二级叶轮（80）、二级螺杆（41）以及转轴（42）部件组成机组的整个转子；

所述转轴（42）两侧安装第一轴承（34）和第二轴承（35），定子绕组（37）安装在转轴（42）外围，电机壳体（36）上开设数个与大气相通的孔；

所述转子连同定子绕组（37）、电机壳体（36）、一级蜗壳（33）、二级蜗壳（39）、第一轴承（34）和第二轴承（35）部件组成高速直驱离心机的机头；

所述二级螺杆（41）设置二级螺杆钻孔（43），转轴（42）轴心设置转轴钻孔（44），在转轴（42）上还设置数个气孔，大气经过转轴（42）转轴钻孔（44）和数个气孔，并从气孔流出进入定子绕组（37）外部与电机壳体（36）内部之间的空间，再从电机壳体（36）上的孔流出，大气气流由此循环将转子上产生的热量带走。

4.按照权利要求3所述的高速永磁电机直驱离心机转子的冷却系统，其特征在于：所述电机壳体（36）上沿圆周方向均匀布置二至四个通气管路（66），通气管路（66）最终联接同一个真空泵（65），真空泵（65）工作在轴表面形成负压，设置相反的气流方向和循环回路，在负压工况下使转子与气体的摩擦损失降到最低，同样达到冷却直驱离心机转子的效果。

5.按照权利要求4所述的高速永磁电机直驱离心机转子的冷却系统，其特征在于：所述通气管路（66）靠近轴的一侧均匀开设一条1mm的缝隙。

6.按照权利要求4所述的高速永磁电机直驱离心机转子的冷却系统，其特征在于：所述通气管路（66）靠近轴的一侧均匀开设数个小孔。