CN110556950B - 转子内冷式脉冲发电机 - Google Patents

Abstract

一种转子内冷式脉冲发电机，属于电机转子冷却技术领域。本发明针对现有脉冲发电机励磁绕组发热严重使转子冷却困难的问题。它的冷却结构包括冷却出水段、冷却入口段和内部冷却主体，所述内部冷却主体设置于转子轭内部，并沿径向靠近励磁绕组的位置；冷却入口段由转轴端部设置的空腔内引入，并与内部冷却主体的入口连通，内部冷却主体的出口端与冷却出水段连通；所述内部冷却主体包括沿圆周向均匀分布的多个螺旋形冷却管，所述螺旋形冷却管的个数与励磁绕组的个数相对应，并且螺旋形冷却管轴向中心截面在圆周向的位置对应于励磁绕组圆周向的中心位置。本发明对脉冲发电机进行有效的散热，可提高发电机放电能力以及对负载的重复放电频率。

Description

转子内冷式脉冲发电机

技术领域

本发明涉及转子内冷式脉冲发电机，属于电机转子冷却技术领域。

背景技术

脉冲发电机集惯性储能、机电能量转换与功率调节于一体，具有“单元件”的综合性优势，例如具有高能量密度、高功率密度、适合重复放电、脉冲波形调节灵活等优点，在军事、工业和民用领域有着广泛的应用。

相比于传统铁芯电机，空芯脉冲发电机(“空芯”即采用非导磁材料)需要更高的励磁电流，致使励磁绕组损耗更高。励磁绕组的高铜损耗使绕组发热问题更为突出，这种情况限制了脉冲发电机性能的进一步提升。为了提高功率等级、功率密度、放电能力以及重复放电频率，需要有具备高效散热能力的冷却结构。常用的冷却方式包括风冷与水冷，其中风冷的散热能力有限还会增大风摩损耗；水冷则需要配合复杂的供水系统以及循环控制系统。由于空芯脉冲发电机的机壳采用了导热性差的复合材料，使得机壳水冷和转轴蒸发冷却的方式无法适用，因此，对于空芯脉冲发电机来说，对高速旋转的转子进行冷却极为困难。

发明内容

针对现有脉冲发电机励磁绕组发热严重使转子冷却困难的问题，本发明提供一种转子内冷式脉冲发电机。

本发明的一种转子内冷式脉冲发电机，包括内转子外定子结构发电机，所述定子与转子之间为气隙；所述转子包括转轴和转子轭，转子轭套接在转轴上；转子轭的外表面沿圆周方向均匀设置多个励磁绕组；

所述脉冲发电机还包括冷却结构，

所述冷却结构包括冷却出水段、冷却入口段和内部冷却主体，所述内部冷却主体设置于转子轭内部，并沿径向靠近励磁绕组的位置；冷却入口段由转轴端部设置的空腔内引入，并与内部冷却主体的入口连通，内部冷却主体的出口端与冷却出水段连通；

所述内部冷却主体包括沿圆周向均匀分布的多个螺旋形冷却管，所述螺旋形冷却管的个数与励磁绕组的个数相对应，并且螺旋形冷却管轴向中心截面在圆周向的位置对应于励磁绕组圆周向的中心位置。

根据本发明的转子内冷式脉冲发电机，所述内部冷却主体还包括八个入口侧径向导管、四个入口侧端部连通段和四个出口侧端部连通段，所述入口侧径向导管的个数与螺旋形冷却管的个数相同；

四个入口侧端部连通段沿圆周向均匀分布，四个入口侧端部连通段与四个出口侧端部连通段沿圆周向的位置一一对应，螺旋形冷却管连通在入口侧端部连通段和出口侧端部连通段之间；八个入口侧径向导管的入口均与冷却入口段的出口连通，八个入口侧径向导管的出口端沿圆周向均匀分布，每两个入口侧径向导管的出口端连通在一个入口侧端部连通段上；每个入口侧径向导管的出口端对应于一个螺旋形冷却管；每个出口侧端部连通段的出口端与冷却出水段连通。

根据本发明的转子内冷式脉冲发电机，所有螺旋形冷却管的螺旋方向相同，同一螺旋形冷却管连接的入口侧端部连通段和出口侧端部连通段包括非正对的入口侧端部连通段和出口侧端部连通段。

根据本发明的转子内冷式脉冲发电机，将四个入口侧端部连通段沿顺时针方向依次设定为10段、11段、12段及13段，则对应的出口侧端部连通段沿顺时针方向依次设定为20段、21段、22段及23段，则10段与21段之间连通两个螺旋形冷却管，11段与22段之间连通两个螺旋形冷却管，12段与23段之间连通两个螺旋形冷却管，13段与20段之间连通两个螺旋形冷却管。

根据本发明的转子内冷式脉冲发电机，所述冷却出水段包括八个，每个出口侧端部连通段连通两个冷却出水段，每个冷却出水段靠近出口侧端部连通段的周向端部。

根据本发明的转子内冷式脉冲发电机，所述定子包括定子轭，定子轭的内表面上设置电枢绕组。

根据本发明的转子内冷式脉冲发电机，所述电枢绕组通过碳纤维支撑体固定于定子轭上。

根据本发明的转子内冷式脉冲发电机，所述励磁绕组通过碳纤维转子绑带固定于转子轭上。

根据本发明的转子内冷式脉冲发电机，所述脉冲发电机还包括机壳，定子轭固定在机壳上。

本发明的有益效果：本发明提出了一种适用于脉冲发电机的转子内冷式冷却结构，通过将冷却结构设置于转子轭内部，来有效降低转子励磁绕组的瞬态温升，从而增强脉冲发电机的散热能力。采用本发明的冷却结构对脉冲发电机进行有效的散热，可提高发电机放电能力以及对负载的重复放电频率，并进一步提高脉冲发电机的功率密度和功率等级。

附图说明

图1是本发明所述的转子内冷式脉冲发电机的剖视图；

图2是本发明中转子冷却引入端的剖视图；图2中10为转子轭的一侧端盖；

图3是本发明中冷却结构的示意图；

图4是励磁绕组与内部冷却主体的局部截面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图4所示，本发明提供了一种转子内冷式脉冲发电机，包括内转子外定子结构发电机，所述定子与转子之间为气隙；所述转子包括转轴1和转子轭2，转子轭2套接在转轴1上；转子轭2的外表面沿圆周方向均匀设置多个励磁绕组3；

所述脉冲发电机还包括冷却结构9，

所述冷却结构9包括冷却出水段9-1、冷却入口段9-2和内部冷却主体9-3，所述内部冷却主体9-3设置于转子轭2内部，并沿径向靠近励磁绕组3的位置；冷却入口段9-2由转轴1端部设置的空腔内引入，并与内部冷却主体9-3的入口连通，内部冷却主体9-3的出口端与冷却出水段9-1连通；

所述内部冷却主体9-3包括沿圆周向均匀分布的多个螺旋形冷却管，所述螺旋形冷却管的个数与励磁绕组3的个数相对应，并且螺旋形冷却管轴向中心截面在圆周向的位置对应于励磁绕组3圆周向的中心位置。

本实施方式中，需要结合外部水泵将过滤控制系统处理后的冷却水通过进水支座引入转轴1端部设置的冷却入口段9-2内；所述转轴1的进水引入端采用半空心结构形成空腔，冷却入口段9-2的入口可设置引入端子，可采用固定支架支撑冷却入口段9-2，并在空腔内填装环氧树脂胶以及绝缘材料对冷却入口段9-2进行固定；内部冷却主体9-3在转子轭内部由转子轭端部延伸至靠近励磁绕组3的底部位置，通过冷却结构9中通入的冷却液将励磁绕组3生成的热量由转子传递出去。

所述螺旋形冷却管可配合转子旋转产生的离心力，为冷却介质提供更有效吸收热量的通路。

进一步，结合图2和图3所示，所述内部冷却主体9-3还包括八个入口侧径向导管、四个入口侧端部连通段和四个出口侧端部连通段，所述入口侧径向导管的个数与螺旋形冷却管的个数相同；

四个入口侧端部连通段沿圆周向均匀分布，四个入口侧端部连通段与四个出口侧端部连通段沿圆周向的位置一一对应，螺旋形冷却管连通在入口侧端部连通段和出口侧端部连通段之间；八个入口侧径向导管的入口均与冷却入口段9-2的出口连通，八个入口侧径向导管的出口端沿圆周向均匀分布，每两个入口侧径向导管的出口端连通在一个入口侧端部连通段上；每个入口侧径向导管的出口端对应于一个螺旋形冷却管；每个出口侧端部连通段的出口端与冷却出水段9-1连通。

冷却液由冷却入口段9-2引入，随着转子轭的旋转，在旋转离心力作用下，冷却入口段9-2内的冷却介质分流至八个入口侧径向导管内，再进入到相应的螺旋形冷却管内，由于螺旋形冷却管沿径向的位置靠近励磁绕组3，因此可将励磁绕组产生的热量随冷却液的流动带走，实现对励磁绕组的冷却；最后冷却液在离心力作用下由冷却出水段9-1排出。在实际使用中，可设置收集装置用来收集冷却液，再结合相应的冷却装置和控制系统对收集后的冷却液净化并冷却，输送到冷却入口段9-2再循环。所述收集装置需要具有密封结构，来防止冷却液进入转子内腔。

为了使冷却介质流动的更顺畅，可使入口侧径向导管与螺旋形冷却管的连通处一一对应，如图3所示。

本实施方式中采用的螺旋形的转子冷却结构，可提高励磁电流密度，进一步提高电机功率等级和功率密度以及保证电机可靠运行。

再进一步，结合图3所示，所有螺旋形冷却管的螺旋方向相同，同一螺旋形冷却管连接的入口侧端部连通段和出口侧端部连通段包括非正对的入口侧端部连通段和出口侧端部连通段。

通过在圆周内不处于同一圆周角度范围内的入口侧端部连通段和出口侧端部连通段来连接螺旋形冷却管，满足螺旋形冷却管的螺旋需求。

作为示例，结合图3所示，将四个入口侧端部连通段沿顺时针方向依次设定为10段、11段、12段及13段，则对应的出口侧端部连通段沿顺时针方向依次设定为20段、21段、22段及23段，则10段与21段之间连通两个螺旋形冷却管，11段与22段之间连通两个螺旋形冷却管，12段与23段之间连通两个螺旋形冷却管，13段与20段之间连通两个螺旋形冷却管。

再进一步，结合图3所示，所述冷却出水段9-1包括八个，每个出口侧端部连通段连通两个冷却出水段9-1，每个冷却出水段9-1靠近出口侧端部连通段的周向端部。

在每个出口侧端部连通段连接两个冷却出水段9-1，可使循环出的冷却液更顺畅的排出。

再进一步，结合图1所示，所述定子包括定子轭7，定子轭7的内表面上设置电枢绕组6。

再进一步，结合图1所示，所述电枢绕组6通过碳纤维支撑体5固定于定子轭7上。通过碳纤维支撑体5固定电枢绕组6，可保证放电过程中电枢绕组的安全性和可靠性，防止电枢绕组在放电过程中受电磁力作用出现变形或分层。

再进一步，结合图1和图2所示，所述励磁绕组3通过碳纤维转子绑带4固定于转子轭2上。

所述励磁绕组3采用铝筒水切割获得的铝条制成。由于励磁绕组3中的电流为直流电，因此所述励磁绕组3采用较大截面积的铝条，在降低转子质量的同时还可降低励磁绕组的离心力，以防止励磁绕组分层。

所述励磁绕组3和冷却结构9均可以通过碳纤维转子绑带4进行固定，以保证强度需求，从而在转子旋转产生高速离心力及放电产生电磁力时，转子结构不会损坏。

再进一步，结合图1所示，所述脉冲发电机还包括机壳8，定子轭7固定在机壳8上。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种转子内冷式脉冲发电机，包括内转子外定子结构发电机，所述定子与转子之间为气隙；所述转子包括转轴(1)和转子轭(2)，转子轭(2)套接在转轴(1)上；转子轭(2)的外表面沿圆周方向均匀设置多个励磁绕组(3)；

所述脉冲发电机还包括冷却结构(9)，

所述冷却结构(9)包括冷却出水段(9-1)、冷却入口段(9-2)和内部冷却主体(9-3)，所述内部冷却主体(9-3)设置于转子轭(2)内部，并沿径向靠近励磁绕组(3)的位置；冷却入口段(9-2)由转轴(1)端部设置的空腔内引入，并与内部冷却主体(9-3)的入口连通，内部冷却主体(9-3)的出口端与冷却出水段(9-1)连通；

所述内部冷却主体(9-3)包括沿圆周向均匀分布的多个螺旋形冷却管，所述螺旋形冷却管的个数与励磁绕组(3)的个数相对应，并且螺旋形冷却管轴向中心截面在圆周向的位置对应于励磁绕组(3)圆周向的中心位置；

其特征在于，所述内部冷却主体(9-3)还包括八个入口侧径向导管、四个入口侧端部连通段和四个出口侧端部连通段，所述入口侧径向导管的个数与螺旋形冷却管的个数相同；

四个入口侧端部连通段沿圆周向均匀分布，四个入口侧端部连通段与四个出口侧端部连通段沿圆周向的位置一一对应，螺旋形冷却管连通在入口侧端部连通段和出口侧端部连通段之间；八个入口侧径向导管的入口均与冷却入口段(9-2)的出口连通，八个入口侧径向导管的出口端沿圆周向均匀分布，每两个入口侧径向导管的出口端连通在一个入口侧端部连通段上；每个入口侧径向导管的出口端对应于一个螺旋形冷却管；每个出口侧端部连通段的出口端与冷却出水段(9-1)连通。

2.根据权利要求1所述的转子内冷式脉冲发电机，其特征在于，所有螺旋形冷却管的螺旋方向相同，同一螺旋形冷却管连接的入口侧端部连通段和出口侧端部连通段包括非正对的入口侧端部连通段和出口侧端部连通段。

3.根据权利要求2所述的转子内冷式脉冲发电机，其特征在于，

将四个入口侧端部连通段沿顺时针方向依次设定为10段、11段、12段及13段，则对应的出口侧端部连通段沿顺时针方向依次设定为20段、21段、22段及23段，则10段与21段之间连通两个螺旋形冷却管，11段与22段之间连通两个螺旋形冷却管，12段与23段之间连通两个螺旋形冷却管，13段与20段之间连通两个螺旋形冷却管。

4.根据权利要求3所述的转子内冷式脉冲发电机，其特征在于，所述冷却出水段(9-1)包括八个，每个出口侧端部连通段连通两个冷却出水段(9-1)，每个冷却出水段(9-1)靠近出口侧端部连通段的周向端部。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子内冷式脉冲发电机，其特征在于，所述定子包括定子轭(7)，定子轭(7)的内表面上设置电枢绕组(6)。

6.根据权利要求5所述的转子内冷式脉冲发电机，其特征在于，所述电枢绕组(6)通过碳纤维支撑体(5)固定于定子轭(7)上。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的转子内冷式脉冲发电机，其特征在于，所述励磁绕组(3)通过碳纤维转子绑带(4)固定于转子轭(2)上。

8.根据权利要求7所述的转子内冷式脉冲发电机，其特征在于，所述脉冲发电机还包括机壳(8)，定子轭(7)固定在机壳(8)上。

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