CN113410952A - 一种具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机 - Google Patents

一种具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机 Download PDF

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Abstract

一种具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，解决了现有物理屏蔽永磁电机由于屏蔽套带来的过热的问题，属于电机领域。本发明包括定子和转子，定子上有定子屏蔽套，转子上有转子屏蔽套，定子屏蔽套和转子屏蔽套之间有气隙，所述气隙形成一次冷却水通道，且定子屏蔽套的气隙侧和转子屏蔽套的气隙侧均分布有仿生荷叶结构，作为一次冷却水通道的内壁，定子屏蔽套气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于转子屏蔽套气隙侧的仿生荷叶结构的接触角。本发明的物理屏蔽永磁电机在定转子屏蔽套中间通有一次冷却水，一次冷却水所在的通道具有荷叶仿生系统，可以避免狭窄的一次冷却水通道堵塞。

Description

一种具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机
技术领域
本发明涉及一种具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，属于电机领域。
背景技术
物理屏蔽永磁电机是化工和航天系统内的关键动力设备，主要用于运送放射性和腐蚀性介质。由于物理屏蔽永磁电机工作环境的特殊性，需要在气隙两侧分别添加定子屏蔽套和转子屏蔽套。屏蔽套是物理屏蔽永磁电机的特有结构件，由耐腐蚀且硬度较高的合金钢材料制成。耐腐蚀合金钢电导率往往较低，因此，屏蔽套在气隙旋转磁场的作用下会不可避免的产生涡流损耗，物理屏蔽永磁电机屏蔽套损耗约占总损耗的50％，屏蔽套损耗作为物理屏蔽永磁电机的主要热源，极大的增大了物理屏蔽永磁电机的热负荷。在气隙两侧的定子屏蔽套和转子屏蔽套把物理屏蔽永磁电机分割成了两部分，导致定子槽内铜绕组产生的热量留在了被定子屏蔽套分割成的腔室里，散热效果变差。定子屏蔽套和转子屏蔽套占用了气隙的空间，使得本就狭窄的气隙变得更小。
发明内容
针对现有物理屏蔽永磁电机由于屏蔽套带来的过热的问题，本发明提供一种具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机。
本发明的一种具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，所述物理屏蔽永磁电机包括定子和转子，定子上有定子屏蔽套4，转子上有转子屏蔽套5，定子屏蔽套4和转子屏蔽套5之间有气隙，所述气隙形成一次冷却水通道7，且定子屏蔽套4的气隙侧和转子屏蔽套5的气隙侧均分布有仿生荷叶结构，作为一次冷却水通道7的内壁，定子屏蔽套4气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于转子屏蔽套5气隙侧的仿生荷叶结构的接触角。
优选的是，所述转子屏蔽套5气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于150°且小于160°，该仿生荷叶结构表面的每个乳突的直径在10到12微米之间，乳突与乳突之间的间距为10微米；
定子屏蔽套4气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于160°，该仿生荷叶结构表面的每个乳突的直径在5到7微米之间，乳突与乳突之间的间距为5微米。
优选的是，所述物理屏蔽永磁电机还包括外部热交换器12；
所述一次冷却水通道7还包括从所述气隙的顶端和底端分别引出并连通的冷却水管道，外部热交换器12设置在该冷却水管道上。
优选的是，所述冷却水管道的拐弯处设置有仿生荷叶乳突。
优选的是，在定子的外壁设置有二次冷却水通道11，二次冷却水通道的表面采用V型沟槽结构。
优选的是，所述V型沟槽结构的高度在25到28微米之间，V型沟槽与V型沟槽之间的间距在30到33微米之间，V型沟槽倾斜角度在55°到60°之间。
优选的是，所述二次冷却水通道11的上部和下部分别设置有二次冷却水出口阀门13和二次冷却水入口阀门14。
优选的是，所述物理屏蔽永磁电机为内转子结构，所述转子包括转轴8、转子铁心9、转子屏蔽套5和偶数个永磁体6；
转子铁心9设置在转轴8的外表面，偶数个永磁体6分布在转子铁心9的外表面，转子屏蔽套5设置在永磁体6的外表面。
优选的是，所述定子包括定子绕组1、定子铁心2、定子槽3、定子屏蔽套4和定子机座10；定子铁心2设置在定子屏蔽套4的外表面，定子铁心2上开有定子槽3，定子槽3内设有定子绕组1，定子基座10设置在定子铁心2的外表面，在定子基座10的外壁设置有二次冷却水通道11。
优选的是，所述定子屏蔽套4和转子屏蔽套5的气隙侧由不锈钢材料制成，对不锈钢材料采用电沉积的加工方式，通过电沉积在不锈钢材料表面形成具有微纳米结构的镍膜作为中间镀层，再以其为催化剂采用化学气相沉积法在中间镀层构筑微纳米尺度的仿生荷叶结构；所述二次冷却水通道11由不锈钢材料制成，采用激光加工，对不锈钢表面进行抛光处理及超声波清洗，从而得到V型沟槽结构。
本发明的有益效果，本发明的物理屏蔽永磁电机在定转子屏蔽套中间通有一次冷却水，一次冷却水所在的通道具有荷叶仿生系统，可以避免狭窄的一次冷却水通道堵塞。在机壳外侧设置二次冷却水通道，该通道采用V型沟槽结构，二次冷却水流动路径为平流，基于沟槽减阻的原理，能减少二次冷却水流动受到的阻力，降低外部热交换器所受到的压力，延长其使用寿命。
附图说明
图1为本发明的物理屏蔽永磁电机的周向剖视图；
图2为本发明的物理屏蔽永磁电机的周向细节剖视图；
图3为图1的A-A向剖视图；
图4为本发明中定子屏蔽套4气隙侧的仿生荷叶结构的示意图；
图5为本发明中转子屏蔽套5气隙侧的仿生荷叶结构的示意图；
图6为本发明中二次冷却水通道的表面细节图；
图7为本发明的V型沟槽结构的最小单元图；
图8为本发明中转子屏蔽套5气隙侧的仿生荷叶结构最小单元图；
图9为本发明中定子屏蔽套4气隙侧的仿生荷叶结构最小单元图。
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。
本实施方式的一种具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，利用定子屏蔽套4和转子屏蔽套5之间有气隙形成一次冷却水通道7，在定子屏蔽套4的气隙侧和转子屏蔽套5的气隙侧均分布有仿生荷叶结构，作为一次冷却水通道7的内壁，定子屏蔽套4气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于转子屏蔽套5气隙侧的仿生荷叶结构的接触角；
本实施方式还可以在定子的外壁设置有二次冷却水通道11，二次冷却水通道的表面采用V型沟槽结构，所述V型沟槽结构的高度在25到28微米之间，V型沟槽与V型沟槽之间的间距在30到33微米之间，V型沟槽倾斜角度在55°到60°之间。
本实施方式的物理屏蔽永磁电机包括定子绕组1、定子铁心2、定子槽3、定子屏蔽套4、转子屏蔽套5、永磁体6、一次冷却水通道7、转轴8、转子铁心9、二次冷却水通道11、定子机座10、外部热交换器12、二次冷却水出口阀门13、二次冷却水入口阀门14；
定子机座内设置有定子铁心，定子屏蔽套设置于定子铁心内壁，转子屏蔽套内壁设置有偶数个均匀分布的永磁体，永磁体内壁设置有转子铁心，转子铁心内壁设置有转轴；
一次冷却水通道7还包括从所述气隙的顶端和底端分别引出并连通的冷却水管道，外部热交换器12设置在该冷却水管道上。
冷却水管道的拐弯处设置有仿生荷叶乳突，保证散热效果均匀。
本实施方式的二次冷却水通道11的上部和下部分别设置有二次冷却水出口阀门13和二次冷却水入口阀门14。
本实施方式中定子屏蔽套4和转子屏蔽套5的气隙侧由不锈钢材料制成，对不锈钢材料采用电沉积的加工方式，通过电沉积在不锈钢材料表面形成具有微纳米结构的镍膜作为中间镀层，再以其为催化剂采用化学气相沉积法在中间镀层构筑微纳米尺度的仿生荷叶结构。本实施方式中二次冷却水通道11由不锈钢材料制成，对不锈钢材料采用激光加工的加工方式，首先对不锈钢表面进行抛光处理，并进行超声波清洗，调节激光参数，对不锈钢表面进行加工，最后进行超声波清洗，从而得到V型沟槽结构。
下面对V型沟槽结构优化散热的原理进行说明，在由层流向湍流转变的过程中会产生流向涡，而流向涡的位置改变减小了黏性阻力，同时由于二次冷却水通道采用了V型沟槽结构，会产生二次涡流，如图8所示。二次涡的存在使得与高速流体接触的沟槽表面积较小，从而使壁面剪切力减小，实现了减阻。
只有当沟槽表面为湍流时，才会有明显的减阻效果，即保证雷诺数大于4000。为了确保二次冷却水管道流体状态为湍流，需要进行雷诺数的计算。对于液体在管道内流动，雷诺数有如下计算公式：
Figure BDA0003131855430000041
其中，ρ为水的密度，v为来流速度，μd为水的运动粘度，d为水力学直径，计算公式如下：
Figure BDA0003131855430000042
其中，A为水流方向的截面面积，P为截面周长。
初始湍流强度计算公式如下：
I＝0.16(Re)-1/8
初始湍流动能计算公式如下：
Figure BDA0003131855430000043
Figure BDA0003131855430000044
其中，m为质量流率。
初始湍流耗散率计算公式如下：
Figure BDA0003131855430000051
Cμ＝0.09
l＝0.07L
其中，Cμ为湍流模型中指定的经验常数，l为湍流尺度，L为管道直径。
假定二次冷却水通道水流平均速度为10.7m/s到22.2m/s之间，即质量流率范围为0.00089kg/s-0.00316kg/s，将平均速度10.7m/s带入公式求得雷诺数为7120，即在此情况下为湍流模型。
针对湍流运动这种十分复杂的运动特征，选择雷诺平均N-S方程求解，方程为
Figure BDA0003131855430000052
其中，
Figure BDA0003131855430000053
为湍流速度的时均值，
Figure BDA0003131855430000054
为雷诺应力张量,
Figure BDA0003131855430000055
为压强。
引入变量
Figure BDA0003131855430000056
扩散系数
Figure BDA00031318554300000512
源项
Figure BDA00031318554300000513
Figure BDA00031318554300000514
可取为不同的变量，这里取代
Figure BDA0003131855430000058
并将扩散系数和源项取为适当表达式，可得到控制方程通用表达形式:
Figure BDA0003131855430000059
对上式进行有限体积离散，方程可写为：
Figure BDA00031318554300000510
将上式在Δt及Δx内做积分，离散后方程为：
Figure BDA00031318554300000511
根据牛顿内摩擦定律得出网格节点上切应力τW；再将各个节点的切应力在整个沟槽表面上进行积分，求出总的切应力：
F＝∫τWdA
再根据总的切应力，求解出光滑面摩阻系数为：
Figure BDA0003131855430000061
以及沟槽面摩阻系数为：
Figure BDA0003131855430000062
其中，Fs，Fg分别为光滑表面以及沟槽表面的总切应力,As,Ag分别为光滑表面以及沟槽表面的截面积。
从而得出减阻率为：
Figure BDA0003131855430000063
根据计算在冷却水流速10.7m/s-22.2m/s的情况下，V型沟槽减阻率为3.177％-4.155％。
由经验公式得出努谢尔特数为
Figure BDA0003131855430000064
其中Pr为普朗特数，μf、μW为动力粘度。
进一步求得对流传热系数为：
Figure BDA0003131855430000065
其中λ是水的导热系数，α为对流换热系数。
分别将光滑平面和V型沟槽面的数据代入，得出光滑面的对流传热系数为2013.66W/(m2·℃)，V型沟槽面的对流传热系数为2234.67W/(m2·℃)，通过理论计算可见采用V型沟槽确实可以改善电机的散热情况。
合理设计V型沟槽形状对于冷却系统散热有着重要影响，经过实验验证，二次冷却水通道表面V型沟槽高度为25到28微米之间，沟槽与沟槽之间的间距为30到33微米之间，沟槽倾斜角度为55到60度之间的散热效果最佳。
下面对仿生荷叶结构优化散热的原理进行说明，当流体流经超疏水表面时，由于表面张力的存在，无法带走微纳结构处滞留的气体，气液接触产生涡垫效应，造成边界层流体速度滑移，稳定近壁面边界层，从而达到减阻效果，同时表观接触角可表示为
cosθc＝f1 cosθ1+f2 cosθ2
其中，θc为表观接触角，f1 f2分别表示为液-固和气-液界面的面积分数，θ1和θ2分别表示为液-固和气-液界面的本征接触角。
仿生荷叶结构的接触角能影响到表面疏水性，从而影响到减阻率和对流换热系数，接触角越大疏水效果也就越好，为了平衡一次冷却水通道两侧水流速，通过相关实验验证，转子屏蔽套5气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于150°且小于160°，该仿生荷叶结构表面的每个乳突的直径在10到12微米之间，乳突与乳突之间的间距为10微米；定子屏蔽套4气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于160°，该仿生荷叶结构表面的每个乳突的直径在5到7微米之间，乳突与乳突之间的间距为5微米，而为了确保近定子屏蔽套侧采用的仿生荷叶结构的接触角要大于160°，需保证仿生荷叶结构表面乳突平均直径在5到7微米之间，乳突与乳突之间的平均间距为5微米，近转子屏蔽套侧仿生荷叶结构最小单元如图8所示，近定子屏蔽套侧仿生荷叶结构最小单元如图9所示。
本发明可以对定转子屏蔽套和永磁体进行有效冷却，带走定转子屏蔽套和永磁体上的热量，同时还能避免冷却水杂质沉积造成的管道堵塞，改善一次冷却水通道散热不均匀的问题，降低冷却水流动受到的阻力，加强了物理屏蔽永磁电机冷却系统的散热效果，降低了运行维护成本。
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 (10)

1.一种具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，所述物理屏蔽永磁电机包括定子和转子，定子上有定子屏蔽套(4)，转子上有转子屏蔽套(5)，定子屏蔽套(4)和转子屏蔽套(5)之间有气隙，其特征在于，所述气隙形成一次冷却水通道(7)，且定子屏蔽套(4)的气隙侧和转子屏蔽套(5)的气隙侧均分布有仿生荷叶结构，作为一次冷却水通道(7)的内壁，定子屏蔽套(4)气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于转子屏蔽套(5)气隙侧的仿生荷叶结构的接触角。
2.根据权利要求1所述的具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，其特征在于，所述转子屏蔽套(5)气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于150°且小于160°，该仿生荷叶结构表面的每个乳突的直径在10到12微米之间，乳突与乳突之间的间距为10微米；
定子屏蔽套(4)气隙侧的仿生荷叶结构的接触角大于160°，该仿生荷叶结构表面的每个乳突的直径在5到7微米之间，乳突与乳突之间的间距为5微米。
3.根据权利要求2所述的具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，其特征在于，所述物理屏蔽永磁电机还包括外部热交换器(12)；
所述一次冷却水通道(7)还包括从所述气隙的顶端和底端分别引出并连通的冷却水管道，外部热交换器(12)设置在该冷却水管道上。
4.根据权利要求3所述的具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，其特征在于，所述冷却水管道的拐弯处设置有仿生荷叶乳突。
5.根据权利要求4所述的具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，其特征在于，在定子的外壁设置有二次冷却水通道(11)，二次冷却水通道的表面采用V型沟槽结构。
6.根据权利要求4所述的具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，其特征在于，所述V型沟槽结构的高度在25到28微米之间，V型沟槽与V型沟槽之间的间距在30到33微米之间，V型沟槽倾斜角度在55°到60°之间。
7.根据权利要求6所述的具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，其特征在于，所述二次冷却水通道(11)的上部和下部分别设置有二次冷却水出口阀门(13)和二次冷却水入口阀门(14)。
8.根据权利要求1所述的具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，其特征在于，所述物理屏蔽永磁电机为内转子结构，所述转子包括转轴(8)、转子铁心(9)、转子屏蔽套(5)和偶数个永磁体(6)；
转子铁心(9)设置在转轴(8)的外表面，偶数个永磁体(6)分布在转子铁心(9)的外表面，转子屏蔽套(5)设置在永磁体(6)的外表面。
9.根据权利要求6所述的具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，其特征在于，所述定子包括定子绕组(1)、定子铁心(2)、定子槽(3)、定子屏蔽套(4)和定子机座(10)；定子铁心(2)设置在定子屏蔽套(4)的外表面，定子铁心(2)上开有定子槽(3)，定子槽(3)内设有定子绕组(1)，定子基座(10)设置在定子铁心(2)的外表面，在定子基座(10)的外壁设置有二次冷却水通道(11)。
10.根据权利要求1所述的具有表面微结构的物理屏蔽永磁电机，其特征在于，所述定子屏蔽套(4)和转子屏蔽套(5)的气隙侧由不锈钢材料制成，对不锈钢材料采用电沉积的加工方式，通过电沉积在不锈钢材料表面形成具有微纳米结构的镍膜作为中间镀层，再以其为催化剂采用化学气相沉积法在中间镀层构筑微纳米尺度的仿生荷叶结构；所述二次冷却水通道(11)由不锈钢材料制成，采用激光加工，对不锈钢表面进行抛光处理及超声波清洗，从而得到V型沟槽结构。
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