CN112564420B - 一种大负荷高速电机轴承冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种大负荷高速电机轴承冷却装置，包括带注脂孔的端盖、盖板、轴承压板、外轴承支架、轴承、轴承限位环、轴承衬套；其中，在端盖和轴承之间设置有外轴承支架；外轴承支架两边分别设置有轴承；在端盖上开有注脂孔用于注入润滑脂，润滑脂能够通过外轴承支架分别流向两边的轴承，通过端盖和轴承压板的阻挡，使得润滑脂不会流到端盖外部；当轴承内的润滑脂出现损耗时，端盖注脂孔内的润滑脂会在重力的作用下自动补充；所述端盖表面的注脂孔安装有紧定螺钉；所述外轴承支架为环形，在两侧环形端面设置有交错布置的凹槽，通过两端交错布置的凹槽，引导润滑脂能顺畅的流向两边的轴承。

Description

一种大负荷高速电机轴承冷却装置
技术领域
本发明涉及电机领域，特别涉及一种大负荷高速电机轴承冷却装置。
背景技术
在本发明之前，高速电机(>20000rpm)常用的轴承为空气轴承、油气润滑轴承和磁悬浮轴承：空气轴承使用气体作为润滑剂，耐高温、无污染，但负荷能力较低；油气润滑通过外接给气设备不间断向轴承输入润滑冷却的油气，在一些需要密闭真空环境很难应用，同时因其需要外接给气设备增加系统的复杂性以及空间需求；磁悬浮轴承利用磁力作用将转子悬浮在空中，机械磨损小、无需润滑、无油污染，但其造价昂贵，常配合其他类型的轴承一起使用，并且控制系统非常复杂。
同时高速电机的频率随转速以及电机极对数线性增加，而频率增加会导致电机铁芯损耗增加引起电机效率降低以及发热温升增加并对控制系统的电子功率元器件的开关频率提出挑战，因而高速电机尽可能的使用少的极对数，最小的1对极最好：对于小负荷的高速电机(45kW以下)不需要大尺寸，只要电机的转子外径小于当前工艺满足的尺寸(Ф100mm)，即可采用瓦片式径向辐射环充磁的永磁体表贴转子从而满足电机尽量小的极对数电机以降低高速电机的频率；但对于需要大负荷应用的高速电机，即需要较大尺寸空间，一旦转子外径大于一定的尺寸后很难在工艺上实现径向辐射环式充磁的瓦片永磁体表贴方案，因而当前大多数高速大负荷的电机使用的是2对极或以上的多对极内嵌永磁体式方案，使得该类电机的转速提升、效率增加、系统低成本有相当难度。
发明内容
本发明主要目的在于设计一种大负荷高速电机轴承冷却装置，它涉及电机轴承的润滑和冷却、转子小极对数设计。本发明使用脂润滑轴承作为高速电机轴承，通过便捷的轴承润滑脂注入以及轴承冷却装置，解决了脂润滑轴承在高速运转时温升较快，润滑脂损耗大引起电机寿命短的问题，有效降低了电机轴承的发热，延长了电机的寿命；本发明通过电机磁场优化设计调整使用了转子表贴平行充磁瓦片状永磁体方案有效的解决了因大负荷电机较大转子直径无法使用表贴径向辐射环充磁瓦片状永磁体从而无法实现小的极对数而引起的高频率高损耗高发热低效率的问题。本发明适用于大负荷、高转速的电机。
一种大负荷高速电机轴承冷却装置，包括带注脂孔的端盖、盖板、轴承压板、外轴承支架、轴承、轴承限位环、轴承衬套；其中，
在端盖和轴承之间设置有外轴承支架；外轴承支架两边分别设置有轴承；
在端盖上开有注脂孔用于注入润滑脂，润滑脂能够通过外轴承支架分别流向两边的轴承，通过端盖和轴承压板的阻挡，使得润滑脂不会流到端盖外部；当轴承内的润滑脂出现损耗时，端盖注脂孔内的润滑脂会在重力的作用下自动补充；
所述端盖表面的注脂孔安装有紧定螺钉；
所述外轴承支架为环形，在两侧环形端面设置有交错布置的凹槽，通过两端交错布置的凹槽，引导润滑脂能顺畅的流向两边的轴承。
进一步的，在端盖上开有冷却流道，通过第一开口和第二开口与电机主壳体的冷却流道串联联接，将电机主壳体的冷却液引入端盖并通过冷却流道冷却来轴承室从而降低轴承的温度。
进一步的，在端盖上开有的冷却流道的第一开口与第二开口之间另添加独立的冷却液进出口，与电机主壳体的冷却流道并联联接，用于保障在与轴承冷却流道串联的主壳体冷却液因压力不足、堵塞故障时，或需要增大轴承冷却液流量增强轴承冷却散热时，随时开启此并联轴承冷却流道。
进一步的，在端盖的冷却流道内设有多个凸台，与流道盖板配合形成“S”形流道，并同时对轴承进行冷却。
进一步的，转子由带铁心转轴或一体化转轴支撑并固定，表贴平行充磁瓦片状永磁体粘贴固定在转轴上，同一极性的N或S永磁体以整体成型或分块拼接粘接而成，为减小漏磁不同极性的N和S永磁体之间由非导磁性材料在转轴上间隔固定，所有永磁体通过前后两个轴套在转轴上轴向固定，前后两个轴套用于做动平衡去重或加重使用，最终为保证高速的应力强度转子整体外部嵌套高速耐高温的碳纤维护环。
进一步的，所述端盖表面的注脂孔安装有紧定螺钉，用于定期拧开以检查润滑脂损耗情况，并按需求随时补充。
本发明的优点为：
1、本发明的轴承冷却装置使用脂润滑轴承代替空气轴承，解决了高速电机使用空气轴承时无法应用在大负荷场景的问题；
2、本发明的轴承冷却装置使用脂润滑轴承代替油气润滑轴承，解决了高速电机使用油气润滑轴承时无法满足密闭真空环境使用的需求以及降低了系统的复杂性以及成本；
3、本发明的轴承冷却装置使用脂润滑轴承代替磁悬浮轴承，解决了磁悬浮轴承价格高昂的问题，有效降低了大负荷高速电机及其控制系统的整体成本；
4、本发明的轴承冷却装置有效解决了脂润滑轴承在大负荷高速电机应用场景下轴承温升高、润滑脂损耗快的问题；
5、本发明的轴承冷却装置使用与电机主壳体冷却流道串并联一起的轴承冷却流道保障轴承的冷却以及便捷的润滑脂补充和检测方法，非常有效的延长了轴承的寿命，进一步提高电机的可靠性；
6、本发明的轴承冷却装置使用小的极对数表贴平行充磁瓦片状永磁体方案有效的解决了大负荷(45kW以上功率)电机因其需要大直径转子，在无法使用表贴径向辐射环充磁瓦片状永磁体方案的情况下需使用多对极内嵌式永磁体转子而引起的高频率、高损耗、高发热、低效率、电机控制系统成本高的问题。
附图说明
图1为轴承润滑脂注入流道剖面示意图；
图2为外轴承支架凹槽交错布置示意图；
图3为轴承冷却流道剖面示意图；
图4为轴承冷却流道内增加散热面积的凸台示意图；
图5为轴承冷却“S”流道展开示意图；
图6为转子1对极表贴平行充磁瓦片状永磁体方案示意图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提出一种大负荷高速电机轴承冷却装置以及方法，所述的装置包括带注脂孔的端盖、盖板、轴承压板、外轴承支架、轴承、轴承限位环、轴承衬套等。
在外端盖和轴承(102)之间设置有外轴承支架(104)；
参见图1、图3，在端盖(101)上开有注脂孔，用于润滑脂的快速注入，润滑脂通过外轴承支架(104)分别流向两边的轴承(102)，通过端盖(101)和轴承压板(103)的阻挡，使得润滑脂不会流到外部。
当轴承内的润滑脂出现损耗时，端盖(101)孔内的润滑脂会在重力的作用下自动补充。
如图1所示，端盖(101)上表面安装有紧定螺钉(105)，用于定期拧开以检查润滑脂损耗情况，并按需求随时补充。
外轴承支架(104)为环形，在两侧环形端面设置有交错布置的凹槽，通过两端交错布置的凹槽，在保证支撑强度的同时，引导润滑脂能顺畅的流向两边的轴承。(图2)
在端盖(101)上开有冷却流道(106)，通过第一开口(107)和第二开口(108)与电机主壳体的冷却流道串联联接，将电机主壳体的冷却液引入端盖(101)并通过冷却流道(106)冷却来轴承室从而降低轴承(102)的温度。
参见图3，在端盖(101)上开有的冷却流道(106)的第一开口(107)与第二开口(108)上方另添加独立的冷却液进出口，与电机主壳体的冷却流道并联联接，以保障在与轴承冷却流道(106)串联的主壳体冷却液因压力不足、堵塞等故障时或需要增大轴承冷却液流量增强轴承冷却散热时，随时开启此并联轴承冷却流道。(图3)
在端盖(101)的冷却流道内设有多个凸台(109)，流道盖板(110)上也设置有交错的凸台，冷却流道内设有多个凸台(109)与流道盖板(110)配合形成“S”形流道，增大散热面积，并同时对轴承(102)进行冷却，保证轴承(102)的温度不会出现大的差异，保证了电机运行的稳定性。(图4、图5)
根据本发明的一个实施例，转子由带铁心转轴或一体化转轴(111)支撑并固定，表贴平行充磁瓦片状永磁体(113)通过高强度AB胶，例如乐泰E-120HP，粘贴固定在转轴(111)上，同一极性的N或S永磁体(113)可以整体成型或分块拼接粘接而成，为减小漏磁不同极性的N和S永磁体(113)之间可由非导磁性材料(115)在转轴上间隔固定，所有永磁体(113)通过前后两个轴套(114)在转轴(111)上轴向固定，前后两个轴套(114)也可做动平衡去重或加重使用，最终为保证高速的应力强度转子整体外部嵌套高速耐高温的碳纤维护环(112)。(图6)
本发明的装置通过轴承润滑脂注入以及轴承冷却装置，满足了高速电机在大负荷场景应用并降低了系统的复杂性及其成本。
通过润滑脂注入及其引导流道设计，满足了轴承润滑油脂损耗后的任意补充及其正确流向并润滑轴承。
通过轴承冷却流道与电机主壳体流道的串并联设计，降低了在与轴承冷却流道串联的主壳体冷却液因压力不足、堵塞等故障时或需要增大轴承冷却液流量增强轴承冷却散热而无法实现时的轴承损害风险。
通过可达1对极的最小极对数表贴式平行充磁瓦片状永磁体方案，满足了高速电机在大负荷场景应用并可提升转速、增加效率、降低温升、降低电机及其系统成本。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种大负荷高速电机轴承冷却装置，其特征在于，包括带注脂孔的端盖、流道盖板、轴承压板、外轴承支架、轴承、轴承限位环以及轴承衬套；其中，
在端盖和轴承(102)之间设置有外轴承支架(104)；外轴承支架(104)两边分别设置有轴承(102)；
在端盖(101)上开有注脂孔用于注入润滑脂，润滑脂能够通过外轴承支架(104)分别流向两边的轴承(102)，通过端盖(101)和轴承压板(103)的阻挡，使得润滑脂不会流到端盖外部；当轴承内的润滑脂出现损耗时，端盖(101)注脂孔内的润滑脂会在重力的作用下自动补充；在端盖(101)上开有的冷却流道(106)的第一开口(107)与第二开口(108)之间另添加独立的冷却液进出口，与电机主壳体的冷却流道并联联接，用于保障在与轴承冷却流道(106)串联的主壳体冷却液因压力不足，堵塞故障时，或需要增大轴承冷却液流量增强轴承冷却散热时，随时开启此并联轴承冷却流道；
所述端盖(101)表面的注脂孔安装有紧定螺钉(105)；
所述外轴承支架(104)为环形，在两侧环形端面设置有交错布置的凹槽，通过两端交错布置的凹槽，引导润滑脂能顺畅的流向两边的轴承。
2.根据权利要求1所述的一种大负荷高速电机轴承冷却装置，其特征在于，在端盖(101)上开有冷却流道(106)，通过第一开口(107)和第二开口(108)与电机主壳体的冷却流道串联联接，将电机主壳体的冷却液引入端盖(101)并通过冷却流道(106)冷却来轴承室从而降低轴承(102)的温度。
3.根据权利要求1所述的一种大负荷高速电机轴承冷却装置，其特征在于，在端盖(101)的冷却流道内设有多个凸台(109)，与流道盖板(110)配合形成S形流道，并同时对轴承(102)进行冷却。
4.根据权利要求1所述的一种大负荷高速电机轴承冷却装置，其特征在于，
采用1对极的表贴式平行充磁瓦片状永磁体(113)粘贴固定在转轴(111)上。
5.根据权利要求1所述的一种大负荷高速电机轴承冷却装置，其特征在于，转子由带铁心转轴或一体化转轴(111)支撑并固定，表贴平行充磁瓦片状永磁体(113)粘贴固定在转轴(111)上，同一极性的N或S永磁体(113)以整体成型或分块拼接粘接而成，为减小漏磁不同极性的N和S永磁体(113)之间由非导磁性材料(115)在转轴上间隔固定，所有永磁体(113)通过前后两个轴套(114)在转轴(111)上轴向固定，前后两个轴套(114)用于做动平衡去重或加重使用，最终为保证高速的应力强度转子整体外部嵌套高速耐高温的碳纤维护环(112)。
6.根据权利要求1所述的一种大负荷高速电机轴承冷却装置，其特征在于，所述端盖(101)表面的注脂孔安装有紧定螺钉(105)，用于定期拧开以检查润滑脂损耗情况，并按需求随时补充。
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