CN113632347A - 屏蔽电机和由该屏蔽电机驱动的泵、以及使用了该屏蔽电机的火箭发动机系统和液体燃料火箭 - Google Patents

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Abstract

提供一种在转子高速旋转的情况下，降低工作液的气化的屏蔽电机。屏蔽电机(10)具有配置于定子室(26)的定子(18)、配置于转子室(12)的转子(14)以及包围转子(14)的定子外壳(7)。屏蔽电机(10)还具有：定子室入口部(43)，该定子室入口部构成为供用于冷却定子(18)的冷却液流入定子室(26)；以及定子室出口部(44)，该定子室出口部构成为供冷却液从定子室(26)流出。

Description

屏蔽电机和由该屏蔽电机驱动的泵、以及使用了该屏蔽电机 的火箭发动机系统和液体燃料火箭
技术领域
本发明涉及一种屏蔽电机和由该屏蔽电机驱动的泵、以及使用了该屏蔽电机的火箭发动机系统和液体燃料火箭。
背景技术
液体燃料火箭是如下的火箭：将液态氢、液态甲烷等低沸点的推进剂(燃料)和液氧等低沸点的氧化剂(均为液体)从各个箱部输送至高压的燃烧室，在燃烧室燃烧而产生的高温的气体，并通过从喷嘴喷射该高温的气体而获得推力。通过泵将推进剂和氧化剂输送至燃烧室的泵方式有被用于液体燃料火箭的情况。
能够使用电动机，例如屏蔽电机来驱动泵。在使用了以往的屏蔽电机的泵中，电机的转子本身浸入于由泵的泵叶片输送的液体(工作液)。在电机的定子的内侧气密地嵌入有金属制或者树脂性外壳(以下，称为“定子外壳”)。在转子的外周配置有作为转子的一部分的金属制或者树脂性外壳(以下称为“转子外壳”)。定子通过定子外壳与泵输送的液体绝缘。液体进入电机内部的转子的外周，起到冷却的作用。以往，屏蔽电机用于输送不希望有工作液的泄漏的化学液体，有毒液体等。
使用了以往的屏蔽电机的泵通常以3600rpm左右的转速使工作液向转子的周围(转子外壳与定子外壳之间的间隙)流动，以利用泵的工作液作为屏蔽电机的冷却液。通过使工作液在转子的周围流动，冷却定子和转子。即，为了产生驱动转子的电磁力，定子具备电线卷线而成的电机线圈，在电机驱动时，由于对电机线圈供给电流，因此在电机线圈产生焦耳热。电机线圈卷绕于定子的硅钢板。定子的发热主要是由于硅钢板的涡电流损失的发热。当通过该焦耳热和涡电流损失使定子的温度上升时，有导致线圈、绝缘体烧损的担忧。另外，虽然转子受到定子产生的电磁作用而产生驱动力，但是转子也和定子同样因电损失而发热。由于发热导致温度上升，磁石会减磁(根据温度和磁石的种类)，有导致功率、效率降低的担忧。因此，通过使工作液向转子的周围转动，能够冷却定子和转子，避免电机的效率的降低。但是，由于定子的一部分作为电机线圈的末端部分的线圈端远离转子外壳与定子外壳之间的间隙，即远离冷却液，因此在以往也是难以冷却的位置。
然而，在使转子高速旋转(1万～10万rpm)的情况下，以往的冷却方法存在以下这样的问题。即，通过由于使转子高速旋转而在定子产生从定子进入转子周围的工作液的大量的热量和由于转子的高速旋转而在流体之间产生的旋转摩擦损失热，容易使转子周围的低沸点的工作液气化。当气化时，线圈端变得更难以冷却，会产生定子的温度上升的问题。并且，由于气化，有转子、其他的旋转体容易产生振动的问题。
在转子高速旋转(1万～10万rpm)的情况下，在以往的冷却方法中，也有以下这样的其他问题。即，因在转子外壳与定子外壳之间的间隙流动的工作液，即因冷却液导致的旋转摩擦损失非常大，泵效率降低。旋转摩擦损失是指因在处于转子表面的转子外壳与工作液(流体)之间产生的摩擦力(作用于流体的剪力)而导致的能量损失。旋转摩擦损失是指电机的输出扭矩中的摩擦力消耗的量。工作液的粘度越高，并且转子和工作液的旋转方向的相对流速越大，旋转摩擦损失越大。根据情况不同，转速可能不会增加到作为泵所需要的规格值的运转转速。
这样一来，在转子高速旋转(1万～10万rpm)的情况下，当想降低工作液的气化时，有想降低因冷却液导致的旋转摩擦损失的情况。优先解决哪个技术问题，取决于屏蔽电机的使用状态、使用目的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭52-137611号
专利文献2：日本特开平2-193546号
专利文献3：日本特开平8-200274号
专利文献4：日本特开2012-213272号
专利文献5：日本特表2016-52744号
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的一方式是为了消除这样的技术问题而完成的，其目的是提供一种在转子高速旋转的情况下，降低工作液的气化的屏蔽电机。
另外，本发明的另一方式的目的在于提供一种在转子高速旋转的情况下，降低因冷却液导致的旋转摩擦损失或者避免因冷却液导致的旋转摩擦损失的屏蔽电机。
用于解决技术问题的技术手段
为了解决上述技术问题，采用如下这样的结构的屏蔽电机，具有：定子，该定子配置于定子室；转子，该转子配置于转子室；转子室入口部，该转子室入口部具有包围所述转子的外壳，并且构成为供用于冷却所述转子的冷却液流入所述转子室；以及转子室出口部，该转子室出口部构成为供所述冷却液从所述转子室流出，在该屏蔽电机中，具有：定子室入口部，该定子室入口部构成为供用于冷却所述定子的冷却液流入所述定子室；以及定子室出口部，该定子室出口部构成为供从所述定子室入口部流入的冷却液从所述定子室流出。
在本实施方式中，向定子室供给冷却液、推进剂(燃料)，例如液体甲烷、液氢等具有电绝缘性的液体。其结果是，定子的线圈端被冷却。由此，降低在定子产生并从定子进入转子周围的工作液的热量，降低转子周围的工作液在高速旋转时进行气化的情况。此外，定子室是指配置有定子的房间或者空间。转子室是指配置有转子的房间或者空间。
为了解决上述其他的技术问题，采用如下这样的结构的屏蔽电机，具有：定子，该定子配置于定子室；转子，该转子配置于转子室；以及外壳，该外壳包围所述转子，该屏蔽电机具有：转子室入口部，该转子室入口部构成为供用于冷却所述转子的冷却气体流入所述转子室；以及转子室出口部，该转子室出口部构成为供所述冷却气体从所述转子室流出。
在本实施方式中，冷却气体流入转子室。因此，向转子的外周(例如转子外壳与定子外壳之间的间隙)供给有氦、氢、甲烷等用于冷却转子的冷却气体。由于因气体导致的旋转摩擦损失比因液体导致的旋转摩擦损失小，因此能够降低因转子的高速旋转而产生的摩擦损失，并且冷却转子。
在方式3中，采用如方式2所述的屏蔽电机的结构，具有：定子室入口部，该定子室入口部构成为供用于冷却所述定子的冷却液流入所述定子室；以及定子室出口部，该定子室出口部构成为供所述冷却液从所述定子室流出。
根据本实施方式，在为了冷却转子而使用冷却气体的情况下，当仅通过冷却气体对转子进行冷却而不能充分地进行定子的冷却时，能够适当地冷却定子。这是因为由于冷却气体与冷却液相比热量较小，因此冷却能力变低，从而有优选直接用冷却液冷却定子的情况。此外，在仅通过冷却气体对转子进行冷却就能够充分地进行定子的冷却时，也可以不冷却定子。
在方式4中，采用如方式1至3中任一项所述的屏蔽电机的结构，所述转子构成为每分钟旋转1万次至10万次。
在方式5中，采用如方式1至4中任一项所述的屏蔽电机的结构，所述冷却液为所述屏蔽电机的工作液。
在方式6中，采用如方式1至5中任一项所述的屏蔽电机的结构，所述屏蔽电机具有：驱动电路，该驱动电路配置于驱动电路室且构成为驱动所述转子；驱动电路室入口部，该驱动电路室入口部构成为供用于冷却所述驱动电路的冷却液流入所述驱动电路室；以及驱动电路室出口部，该驱动电路室出口部构成为供该冷却液从所述驱动电路室流出。
在方式7中，采用如方式6所述的屏蔽电机的结构，所述定子室与所述驱动电路室相对于所述冷却液的流动串联地连接。
在方式8中，采用如下这样的火箭发动机系统的结构，具有多个如方式1至7中任一项所述的屏蔽电机，还具有：燃料供给泵，该燃料供给泵构成为由多个所述屏蔽电机中的一个屏蔽电机驱动；氧化剂供给泵，该氧化剂供给泵构成为由多个所述屏蔽电机中的另一个屏蔽电机驱动；以及燃烧室，该燃烧室构成为由所述燃料供给泵供给燃料，并且由所述氧化剂供给泵供给氧化剂。
在方式9中，采用如下这样的火箭发动机系统的结构，具有多个如方式1至7中任一项所述的屏蔽电机，还具有燃料供给泵，该燃料供给泵构成为由多个所述屏蔽电机中的一个屏蔽电机驱动，所述火箭发动机系统构成为通过所述燃料供给泵，所述燃料向多个所述屏蔽电机供给。
在方式10中，采用如下这样的火箭发动机系统的结构，具有多个屏蔽电机，具有燃料供给泵，该燃料供给泵构成为由所述多个屏蔽电机中的一个屏蔽电机驱动，所述火箭发动机系统构成为通过所述燃料供给泵，所述燃料向所述多个屏蔽电机供给。
在方式11中，采用如下这样的液体燃料火箭的结构，具备如方式8至10中任一项所述的火箭发动机系统。
另外，采用如形态7所述的火箭发动机系统的结构，在用于冷却所述定子的冷却液流入所述定子室的情况下，所述多个屏蔽电机的各个所述定子室相对于用于冷却所述定子的冷却液的流动串联或者并联地连接。
此外，采用如形态7所述的火箭发动机系统的结构，在用于冷却转子的冷却气体或者冷却液流入所述转子室的情况下，多个屏蔽电机的各个所述转子室相对于用于冷却所述转子的冷却气体或者冷却液的流动串联或者并联地连接。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的屏蔽电机的图。
图2是表示本发明的一实施方式的火箭发动机系统的整体结构的框图。
图3是表示本发明的另一实施方式的屏蔽电机的图。
图4是表示本发明的另一实施方式的火箭发动机系统的整体结构的框图。
图5是表示本发明的又一实施方式的火箭发动机系统的整体结构的框图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下的各实施方式中，有对相同或类似的部件标注相同的符号并且省略重复的说明的情况。另外，各实施方式中表示的特征只要彼此不矛盾就能够应用于其他实施方式。
图1是表示本发明的一实施方式的屏蔽电机和由该屏蔽电机驱动的泵的图。将该方式的泵称为屏蔽电动泵。本实施方式的屏蔽电机是在转子高速旋转(1万～10万rpm)的情况下，降低转子室中的工作液气化的情况的屏蔽电机。以下，将屏蔽电机称为电机部10，将泵称为泵部19。
具备本实施方式的电机部10和泵部19的泵用于火箭发动机系统。因此，泵部19的工作液是火箭发动机的燃料、氧化剂。此外，本实施方式的屏蔽电机也能够用于除了火箭发动机系统以外的转子高速旋转(1万～10万rpm)的用途。此外，屏蔽电动泵并不限定于高速旋转的情况，将在泵部19的叶轮20升压了的工作液的一部分排出并使其通过形成于壳体54与电机部10之间的主轴28的周围的空间，并且向转子室12供给，从而电机部10被冷却的情况是普遍的。但是，这限定于能够将工作液供给至液态氢、液态甲烷的燃料等的转子室12的情况。此外，在该情况下，不一定需要设置机械密封件33。另一方面，在屏蔽电动泵的工作液为有与转子14反应而着火的可能性的氧化剂(液氧)等危险液体的情况下，需要在泵部19与电机部10之间设置机械密封件等的轴封装置，以防止工作液流入转子室12。在该情况下，为了电机部10的冷却，设置构成为供冷却液流入转子室12的转子室入口部62，由此向转子室12供给其他冷却液。此外，电机的工作液(冷却液)是燃料，泵的工作液为燃料和氧化剂。
电机部10具有配置于定子室26的定子18、配置于转子室12的转子14以及包围转子14的定子外壳7。电机部10具有：定子室入口部43，该定子室入口部43构成为供用于冷却定子18的冷却液流入定子室26；以及定子室出口部44，该定子室出口部44构成为供冷却液从定子室26流出。
转子14以每分钟1万次至10万次旋转。由于高速旋转，因此电机部10的各部的发热增大。为此，采取了各种措施。作为一例，在支承主轴28的两个径向轴承32(滚珠轴承)中，高速旋转下的发热由通过转子室26的燃料冷却。这样，在本实施方式中，冷却液是泵部19的工作液。
在本实施方式中，定子18和转子14的冷却均通过液体的供给而进行。在下文，对定子18的冷却通过液体进行，转子14的冷却通过气体进行的实施方式进行说明。
泵部19由叶轮20和泵壳体21构成。泵壳体21具有吸入罩52和排出壳体54。在罩52设置有吸入口23，在排出壳体54设置有排出口25。工作液从泵壳体21的吸入口23被吸引至叶轮20，通过叶轮20的旋转而升压，并且从泵壳体21的排出口25向泵外部压送。此外，由于泵部19高速旋转，因此以燃料、氧化剂的吸入性能的提高为目的，在泵部19，在叶轮20的近前配置导流器50。
叶轮20通过电机部10而旋转。电机部10具有转子14、定子18、电机壳体3、定子外壳7以及主轴28。叶轮20与固定有转子14的主轴28结合。该主轴28由设置于电机壳体3的径向轴承32而被支承为能够旋转。
电机壳体3也被称为电机外壳或电机框架。电机壳体3具有圆筒状的第一电机框架56、封闭第一电机框架56的两端的轴承罩5、第二电机框架58以及轴承壳体60。圆筒状的定子外壳7配置于第一电机框架56的内侧。虽然第一电机框架56、轴承罩5、第二电机框架58以及轴承壳体60在本实施方式中为单独的零件，但是也能够使这些零件的任意的组合成为一体化的零件。例如，能够使轴承罩5、第一电机框架56以及第二电机框架58成为一体化了的零件。
圆筒状的定子外壳7由轴承罩5、第二电机框架58以及轴承壳体60固定。定子室26由电机壳体3的第一电机框架56、第二电机框架58以及定子外壳7形成。工作液流入该定子室26。在电机壳体3的轴承罩5和轴承壳体60固定有径向轴承32。
在电机壳体3与主轴28之间设置有机械密封件33作为轴封装置。通过机械密封件33来防止液体从泵部19向转子室12流入。在本附图中，虽然在机械密封件33的右侧(电机部10的转子侧)配置有径向轴承32a，但是也可以将径向轴承32a配置于机械密封件33的左侧(泵部19侧)。在该情况下，轴承32a的冷却由叶轮20所排出的工作液进行。此外，也可以是，代替机械密封件33或者除了机械密封件33以外还一同使用浮动环、曲径密封件。
转子14通过设置于定子室26的内部的定子18所产生的电磁作用而产生旋转力。转子14具有绕作为旋转轴的主轴28配置的转子芯90和绕转子芯90配置的转子外壳88。
定子18具有：定子芯4，该定子芯4具有许多轴向槽且为大致圆筒形状；以及电机线圈2，该电机线圈2收容于这些轴向槽的内部。在电机线圈2的轴向的两端部有线圈端部2a。通过从例如后述的驱动电路74向电机线圈2供给电力，定子18产生旋转磁场。
在转子14与定子18之间设置有非磁性且电阻率较大的薄壁圆筒状的金属制或树脂性的定子外壳7。转子14配置于定子外壳7的内部，转子14浸没在冷却液中。在本实施方式中，该冷却液为通过泵部19升压了的流体的一部分。
电机部10具有：转子室入口部62，该转子室入口部62构成为供用于冷却转子14的冷却液流入转子室12；以及转子室出口部64，该转子室出口部64构成为供冷却液从转子室12流出。转子室入口部62形成于轴承壳体60内。转子室入口部62具有入口62a和流路68。无论机械密封件33与径向轴承32a的位置关系如何，流路68位于机械密封件33的右侧(电机部10的转子侧)，并且与位于转子芯90的左侧(泵部19侧)的空间连通。换而言之，与机械密封件33与转子芯90之间连通。在图1中，与设置于轴承60与主轴28之间的空间66连通。空间66是转子室12的一部分。
可以在轴承壳体60设置多个转子室入口部62的入口62a。也可以在轴承壳体60设置多个流路68。入口62a与流路68的对应并不限定于一对一，也可以是一对多、多对一、多对多。在一对多的情况下，例如从主轴28(旋转轴)观察，流路68在半径方向上呈放射状地设置有多个。与多个流路68连接的一个入口62a在轴承壳体60的外周在周向上开口。在多对一的情况下，例如一个流路68与多个入口62a连接。
也可以是，转子室入口部62设置于除了轴承壳体60以外的零件，例如第二电机框架58。在该情况下，在本附图中，转子室入口部62贯通第二电机框架58和定子外壳7，并且与转子室12连通。
流路68也可以是在轴承壳体60内在半径方向上呈直线状地设置，也可以呈螺旋状地设置。转子室出口部64设置于轴承罩5，并且在转子芯90与转子室出口部64之间具备径向轴承32b。在本实施方式中，转子室出口部64设置于轴承罩5的中心部。转子室出口部64也可以设置于轴承罩5的中心部以外。另外，也可以在轴承罩5设置多个转子室出口部64。根据情况，也可以将转子室出口部64设置于除了轴承罩5以外的零件，例如第二电机框架58。
转子室12由定子外壳7、轴承罩5以及轴承壳体60形成。从转子室入口部62如箭头70所示的那样流入的冷却液经过空间66、径向轴承32a而流入定子外壳7的内部(径向轴承32a的右侧的转子室12)。冷却液进一步通过定子外壳7的内部(转子14的外周(例如，转子外壳88与定子外壳7之间的间隙)等)以及径向轴承32b。随后，冷却液从转子室出口部64如箭头72所示的那样流出，随后被送往燃烧室。
冷却液也可以与本附图相反地流入。即，冷却液也可以从转子室出口部64流入，从转子室入口部62流出。在冷却液如本图1那样从转子室入口部62流入的情况下，有以下的优点。在从转子室入口部62流入到空间66的冷却液的压力比存在于空间73(经由机械密封件33而与空间66相对的空间)的流体的压力高的情况下，能够防止空间73内的液体向空间66漏出。
在定子外壳7与电机壳体3之间，形成有作为密闭空间的定子室26。定子18配置于该密闭空间内。通过将作为隔壁而发挥功能的定子外壳7设置于定子18的内侧，防止转子室12内的冷却液向定子18浸入。
由于屏蔽电动泵的转子14在浸没于冷却液的状态下旋转，因此在冷却液与转子14之间产生摩擦损失。因此，屏蔽电动泵常用于尤其是不想危险液体等向外部漏出的情况等特殊的用途。
在屏蔽电动泵中，通常将由在转子14、轴承32以及定子外壳7等产生的机械性、电磁损失产生的热量向存在于转子14的周围的冷却液传递。在本附图的例子中，将在叶轮20被加压了的工作液的一部分作为转子14等的冷却液而从转子室入口部62导向转子室12。
转子室12内的冷却液在冷却了本附图的左侧的径向轴承32a后，在通过转子14与定子外壳7的内周面的间隙时去除该部分的发生热。接着，通过本附图的右侧的径向轴承32b而最终从转子室出口部64流出。在定子芯4、电机线圈2产生的电损失而导致的发热的一部分经由配置于定子芯4的内侧的定子外壳7而被转子室12内的冷却液去除。
但是，在转子14高速旋转(1万～10万rpm)的情况下，在定子18产生的电损失比以往的屏蔽电动泵大。因此，当如以往那样从定子向转子周围的工作液释放热量时，由于转子周围的工作液是低沸点的液态氢、液态甲烷等液体燃料，因此通过从定子18接收大量的热量，会促进在定子与转子之间流动的工作液的气体化(气化)。由此，工作液难以在定子与转子之间流动，定子的线圈端的冷却较为困难，其结果是，有定子和转子的温度急剧上升而导致功能停止的担忧。即使没有达到那种程度，由于在定子与转子之间流动的工作液的气体化(气化)，也有转子、其他的旋转体产生振动的担忧。
在本申请发明中，假定发生以上的现象的情况下，其目的在于，通过尽可能不向转子室12内的冷却液供给来自定子的热量，并且担任除去由转子的高速旋转而产生的旋转摩擦等的损失热量，另一方面，通过定子室26内的冷却液优先进行定子及定子的线圈端的冷却，尽可能不向转子供给来自定子的热量，从而有效地进行屏蔽电机的转子和定子的冷却。
如箭头82所示的那样，冷却液从在定子18与泵部19之间的电机壳体3的外壁所具备的定子室入口部43流入定子室26，并且如箭头84所示的那样，与定子18的泵部19相反的一侧的电机壳体3的外壁所具备的定子室出口部44流出。
为了尽可能不向转子室供给定子室的热量，优选的是，向定子室供给的冷却液的温度为向转子室供给的冷却液的温度以下。由此，定子室的热量难以向转子室传热。另外，为了使向定子室供给的冷却液和向转子室供给的冷却液的关系不成为上游和下游的关系(串联)，优选的是，从供给源分支而串联地单独地向定子室和转子室供给。通过单独地向定子室和转子室供给冷却液，各冷却液能够进行集中于各个冷却对象的冷却。或者，优选的是，向定子室供给的液体的流动方向是与向转子室供给的液体的流动方向在轴向上相同的方向流动。这样，与两个是彼此相对流动(对流)的情况相比，难以进行热交换。另外，或者优选的是，构造上将定子外壳的材料设定为热传递率较低的材料(树脂材料、树脂材料(膜)与金属材料的并用)，将定子外壳设定为两重侧壁构造并将壁间设为真空等来提高隔热效果。这样，定子室的热量难以向转子室传热，各冷却液能够进行集中于各个冷却对象的冷却。此外，优选的是，以上任一方案或者由多个方案的组合而成的方案。这样，例如使向定子室供给的液体的流动的方向与向转子室供给的液体的流动的方向在轴向上为相反方向流动，例如通过使向定子室供给的冷却液的温度为向转子室供给的冷却液的温度以下等来实施本发明。
如上所述，在热学意义上，通过与转子室12内的冷却液不同的冷却液直接对定子18进行冷却。在定子室26内，冷却液与定子芯4和线圈端部2a的外周面直接接触，能够有效地进行定子18的冷却。也可以设置多个定子室入口部43和定子室出口部44。
此外，定子室26内的冷却液的流动方向也可以与本附图相反。即，冷却液也可以在与箭头84相反的方向上从定子室出口部44流入定子室26，并且在与箭头82相反的方向上从定子室入口部43流出。此外，在电机部10设置有用于安装机械密封件33的填料盒148。
接着，在电机部10具有驱动电路室的情况下，通过图1对冷却驱动电路室进行说明。电机部10具有：驱动电路74，该驱动电路74配置于驱动电路室76，并且构成为对转子14进行驱动；驱动电路室入口部78，该驱动电路室入口部78构成为供用于冷却驱动电路74的冷却液流入驱动电路室76；以及驱动电路室出口部80，该驱动电路室出口部80构成为供冷却液从驱动电路室76流出。作为驱动电路74，有能够连续地控制转子14的旋转速度的逆变器等。此外，驱动电路室76也可以在发热量较少的情况下不进行冷却。为了表示有可以不进行冷却的情况，在本附图中，以虚线表示驱动电路室76。
在本附图的实施方式中，对于驱动电路室76，驱动电路室76的框体150通过螺钉等固定件而被固定于第一电机框架56。框体150在安装部152中被固定于第一电机框架56。驱动电路室76也可以被固定于除了第一电机框架56以外的电机部10的零件。驱动电路室76的形状可以是长方体，或者是与第一电机框架56的外形相合的缸体形状。
而且，驱动电路室76也可以是与电机部10各自独立的装置。在本附图中，驱动电路室入口部78配置于向第一电机框架56的安装部。而且，驱动电路室入口部78与定子室出口部44设置于相同的位置。驱动电路室入口部78直接与定子室出口部44连接。驱动电路室入口部78和定子室出口部44也可以设置在不同的位置。在该情况下，也可以通过配管连接。
驱动电路室76内的冷却液如箭头84所示的那样从驱动电路室入口部78流入驱动电路室76。冷却液在驱动电路74的表面流动，从而冷却驱动电路74。随后，冷却液如箭头86所示的那样从驱动电路室出口部80流出。如本附图所示，定子室26与驱动电路室76相对于冷却液的流动串联地连接。即，冷却了定子室26内的冷却液流入驱动电路室76内。此外，也可以是，冷却了驱动电路室76内的冷却液流入定子室26内。另外，也可以是，定子室26和驱动电路室76相对于冷却液的流动并联地连接。
在本实施方式中，在转子室12、定子室26以及驱动电路室76流动的冷却液为相同种类的液体，并且是泵部19的工作液。工作液例如是作为液体燃料火箭的燃料的液态甲烷、煤油以及液态氢等具有电绝缘性的液体。此外，在能够使用相同种类的液体作为在转子室12和定子室26流动的冷却液的情况下，有也可以是在定子外壳7设置贯通孔，转子室12与定子室26直接连结的情况。此时，冷却液经由贯通孔从转子室12向定子室26，或者从定子室26向转子室12流动。
此外，在向转子室12和定子室26供给冷却液时，如后述的图3所示，也可以向定子室26供给冷却液。即，在电机线圈2的轴向的两端部且线圈端部2a的各自附近的电机壳体3设置定子室入口部431和定子室入口部432。另外，在这些大致之间的位置的电机壳体3设置定子室出口部441，并且如箭头82所示的那样从定子室入口部431和定子室入口部432向定子室供给液体燃料。
所供给的液体燃料通过定子4的间隙154从定子室入口部441如箭头84那样被回收。由此，由于从定子室入口部431和定子室入口部432如箭头82那样被供给的液体燃料与线圈端2a优先接触首先进行冷却，因此能够在轴向的两端部有效地进行对于金属等的固体的传热难以冷却的线圈端2a的冷却。在所供给的液体燃料如箭头154那样通过定子4的间隙并从定子室入口部441如箭头84那样被回收的过程中，能够对定子芯全域进行冷却。
接着，通过图1对屏蔽电机的其他实施方式进行说明，该屏蔽电机具有：转子室入口部62，该转子室入口部62构成为供用于冷却转子14的冷却气体流入转子室12；以及转子室出口部64，该转子室出口部64构成为供冷却气体从转子室12流出。
在本实施方式中，通过供给液体来进行定子18的冷却，通过供给气体来进行转子14的冷却。对于该实施方式，在转子14高速旋转(1万～10万rpm)的情况下，当以冷却液冷却转子14时，因冷却液而产生的旋转摩擦损失较大，对高速旋转产生障碍，而为了解决这样的技术问题，提供一种通过冷却气体来降低旋转摩擦损失的屏蔽电机。
在本实施方式中，冷却气体从转子室入口部62流入转子室12，在转子室12流动，并且从转子室出口部64流出。因此，向转子14的外周(例如，转子外壳88与定子外壳7之间的间隙)供给氦气、氢气、甲烷等的用于冷却转子的冷却气体。由于气体所产生的旋转摩擦损失比液体所产生的旋转摩擦损失小，因此能够降低因转子14的高速旋转而产生的摩擦损失，并且冷却转子14。在该情况下，由于因转子14的高速旋转产生的摩擦损失减少，因此能够降低向电机输入的电量，也能够降低定子的发热损耗。
在上述的实施方式中，冷却液流入转子室12。但是，在本实施方式中，冷却气体流入转子室12。在此，在上述的实施方式与本实施方式中，虽然有用于冷却的物质为液体还是气体的差异，但是泵部19和电机部10的结构可以是相同的。因此，使用图1描述了的部分中与与本实施方式重复的部分省略说明，并且对于新的内容对本实施方式进行说明。
冷却气体例如是氦气。由于在火箭中，氦气用于阀的操作、轴密封用的清扫气体等，因此有搭载于火箭的情况。在氦气没有作为阀的操作、轴密封用的清扫气体等而搭载于火箭的情况下，为了冷却，将氦气搭载于火箭。冷却气体也能够使用对火箭发动机的燃料进行气化而得到的气体。
如箭头70所示的那样从转子室入口部62流入的冷却气体经过空间66和径向轴承32a并流入定子外壳7的内部(转子室12)。冷却气体进一步经过定子外壳7的内部和径向轴承32b并如箭头72所示的那样从转子室出口部64流出。随后，冷却气体向大气中或者宇宙空间放出。此外，在冷却气体是对火箭发动机的燃料气化而得到的气体的情况下，也可以向燃烧室输送冷却气体。
接着，通过图3对设置两个定子室入口部431、432和一个定子室出口部441并从定子室入口部431、432向定子室26内供给冷却液，以使定子2的线圈端2a直接接触冷却液的实施方式进行说明。在本附图所示的实施方式中，从设置于图1所示的定子室入口部43与定子室出口部44的大致中间的位置的定子室出口部441取出定子室内的冷却液。定子室入口部431和定子室入口部432的位置分别与定子室入口部43和定子室出口部44的位置大致相同。定子室出口部441位于定子室入口部43与定子室出口部44的大致中间的位置。此外，图3所示的定子室入口部431、定子室入口部432以及定子室出口部441的位置为一例，也可以是其他位置。优选的是，定子室入口部431和定子室入口部432在电机的轴向上位于定子18的两侧且线圈端2a的附近。
如箭头82所示，冷却液从定子室入口部431和定子室入口部432流入，如箭头154那样朝向定子室出口部441流动。冷却液在冷却了定子18后，如箭头84所示的那样从定子室出口部441流出。
接着，以图2对使用了通过气体对上述的转子进行冷却的实施方式的屏蔽电机的火箭发动机系统进行说明。图2是表示火箭发动机系统92的整体结构的框图。火箭发动机系统92具有两个进行气体冷却的实施方式的屏蔽电机。即，火箭发动机系统92具有：作为燃料供给泵的泵部19a，该泵19a构成为由两个电机部10中的一个(电机部10a)驱动；以及作为氧化剂供给泵的泵部19b，该泵部19b构成为由两个电机部10中的另一个(电机部10b)驱动。
另外，火箭发动机系统92具有：燃烧室94，该燃烧室94构成为通过泵部19a被供给燃料且通过泵部19b被供给氧化剂；以及喷嘴96，该喷嘴96用于喷出通过燃烧室94内的燃烧生成的气体。液态氢、液态甲烷等燃料通过配管100从燃烧箱98被输送至泵部19a，并且通过泵部19a成为高压之后被输送至配管102。
燃料通过分支部104从配管102被分配至朝向喷嘴96的配管106和朝向电机部10的配管108。分支部104例如具有从配管102分支为配管106和配管108的分支配管、分别设置于配管106和配管108的控制阀。通过各控制阀，控制燃料是否在配管106和配管108流动。以下所示的分支部也能够是相同的结构。
此外，在本实施方式中，由于分支部的上游侧比分支部的下游侧高压，因此也可以在分支部不设置控制阀。为了进行喷嘴96和燃烧室94的冷却，燃料通过配管106经过喷嘴96和燃烧室94的外周被输送至燃烧室94内。
另一方面，燃料通过分支部110从配管108被分配至朝向电机部10a的配管112和朝向电机部10b的配管114。燃料在通过配管112被输送至电机部10a且冷却了电机部10a的定子18后，从配管116流出。流出的燃料从配管116通过合流部118而与来自配管106的燃料合流并被输送至配管120，随后被输送至燃烧室94。
另外，另一方面，燃料在通过配管114被输送至电机部10b且冷却了电机部10b的定子18后，从配管122流出。流出的燃料从配管122通过合流部124而与来自配管120的燃料合流并被输送至配管126，随后被输送至燃烧室94。
对用于冷却电机部10的转子14的氦气的输送路径进行说明。氦气通过配管130从氦气箱128被输送至分支部132。氦气通过分支部132从配管130被分配至朝向电机部10a的配管134和朝向电机部10b的配管136。氦气在通过配管134被输送至电机部10a且冷却了电机部10a的转子14后，从配管138流出。流出的氦气向大气中或者宇宙空间放出。氦气在通过配管136被输送至电机部10b且冷却了电机部10b的转子14后，从配管140流出，流出的氦气向大气中或者宇宙空间放出。
接着，对氧化剂的输送路径进行说明。氧化剂通过配管144从氧化剂箱142被输送至泵部19b，并且在通过泵部19b成为高压后被输送至配管146。氧化剂经由配管146被输送至燃烧室94内。
在本附图中，用于冷却电机部10的冷却液(燃料)向电机部10a的定子室26和电机部10b的定子室26并联地供给。同样，用于冷却电机部10的氦气向电机部10a的转子室12和电机部10b的转子室12并联地供给。
冷却液也可以向电机部10a和电机部10b的定子室26串联地供给。同样，氦气也可以向电机部10a和电机部10b的转子室12串联地供给。即，也可以是，将冷却液向电机部10a的定子室26供给后再向电机部10b的定子室26供给，或者相反地将冷却液向电机部10b的定子室26供给后再向电机部10a的定子室26供给。
同样，也可以是，将氦气向电机部10a的转子室12供给后再向电机部10b的转子室12供给，或者相反地将氦气向电机部10b的转子室12供给后再向电机部10a的转子室12供给。
在图2中，虽然将氦气用于转子14的冷却，但是如上所述，也可以将燃料用于转子14的冷却。对此，通过图4、5进行说明。图4、5是表示本发明的另一实施方式的火箭发动机系统的整体结构的框图。本附图表示将通过燃料泵加压了的燃料向氧化剂用、燃烧用的各屏蔽电机的转子室供给的情况(即，图1)下的屏蔽电机的冷却方法。
在图4、5中，在驱动氧化剂用泵的电机部10b中，向转子室12用的入口62a供给燃料。向电机部10b的定子室26用的定子室入口部43供给燃料。燃料通过分支部158从配管114被分配至朝向入口62a的配管160和朝向定子室入口部43的配管162。燃料在通过了转子室12和定子室26后，经过未图示的配管和该配管的合流部向配管122流出。
在驱动燃料用泵的电机部10a中，使燃料以与氧化剂泵相同的方法，或者不使用入口62a而从机械密封件33的间隙或者不设置机械密封件33地排出，通过形成于壳体54与转子室12之间的主轴28的周围的空间，向转子室12供给。在与氧化剂泵为相同方法的情况下，燃料通过分支部168从配管112被分配至朝向入口62a的配管170和朝向定子室入口部43的配管172。配管170向转子室12用的入口62a供给燃料。配管172向定子室26用的定子室入口部43供给燃料。燃料在通过了转子室12和定子室26后，经过未图示的配管和该配管的合流部向配管116流出。
图5的实线156表示不使用入口62a而从机械密封件33的间隙或者不设置机械密封件33地排出，通过形成于壳体54与转子室12之间的主轴28的周围的空间而向转子室12供给的燃料的流动。燃料从配管112向定子室26用的定子室入口部43供给。燃料在通过了转子室12和定子室26后，经过未图示的配管和该配管的合流部向配管116流出。液体燃料火箭能够具有图2、4、5所示的火箭发动机系统。
以上，虽然对本发明的实施方式的例子进行了说明，但是上述的发明的实施方式是为了容易理解本发明而非限定本发明。本发明能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行变更、改良，并且本发明包含其等同物，这是不言而喻的。另外，在能够解决上述的问题中至少一部分的范围，或者是至少起到效果的一部分的范围内，能够将本发明要求保护的范围和说明书中所记载的各结构要素任意地组合或省略。
符号说明
2...电机线圈
2a...线圈端部
3...电机壳体
4...定子芯
5...轴承罩
6...转子
7…定子外壳
10…电机部
10a…电机部
10b…电机部
12…转子室
14…转子
18…定子
19…泵部
19a…泵部
19b…泵部
20…叶轮
21…泵壳体
23…吸入口
25…排出口
26…定子室
28…主轴
32…径向轴承
43…定子室入口部
44…定子室出口部
52…吸入罩
54…排出壳体
56…第一电机框架
58…第二电机框架
60…轴承壳体
62…转子室入口部
62a…入口
64…转子室出口部
66…空间
68…流路
74…驱动电路
76…驱动电路室
78…驱动电路室入口部
80…驱动电路室出口部
88…转子外壳
90…转子芯
92…火箭发动机系统
94…燃烧室
96…喷嘴
98…燃烧箱
128…氦气箱
142…氧化剂

Claims (11)

1.一种屏蔽电机，具有：
定子，该定子配置于定子室；
转子，该转子配置于转子室；
转子室入口部，该转子室入口部具有包围所述转子的外壳，并且构成为供用于冷却所述转子的冷却液流入所述转子室；以及
转子室出口部，该转子室出口部构成为供所述冷却液从所述转子室流出，该屏蔽电机的特征在于，具有：
定子室入口部，该定子室入口部构成为供用于冷却所述定子的冷却液流入所述定子室；以及
定子室出口部，该定子室出口部构成为供从所述定子室入口部流入的冷却液从所述定子室流出。
2.一种屏蔽电机，具有：
定子，该定子配置于定子室；
转子，该转子配置于转子室；以及
外壳，该外壳包围所述转子，该屏蔽电机的特征在于，具有：
转子室入口部，该转子室入口部构成为供用于冷却所述转子的冷却气体流入所述转子室；以及
转子室出口部，该转子室出口部构成为供所述冷却气体从所述转子室流出。
3.如权利要求2所述的屏蔽电机，其特征在于，具有：
定子室入口部，该定子室入口部构成为供用于冷却所述定子的冷却液流入所述定子室；以及
定子室出口部，该定子室出口部构成为供所述冷却液从所述定子室流出。
4.如权利要求1至3中任一项所述的屏蔽电机，其特征在于，
所述转子构成为每分钟旋转1万次至10万次。
5.如权利要求1至4中任一项所述的屏蔽电机，其特征在于，
所述冷却液为所述屏蔽电机的工作液。
6.如权利要求1至5中任一项所述的屏蔽电机，其特征在于，
所述屏蔽电机具有：驱动电路，该驱动电路配置于驱动电路室且构成为驱动所述转子；
驱动电路室入口部，该驱动电路室入口部构成为供用于冷却所述驱动电路的冷却液流入所述驱动电路室；以及
驱动电路室出口部，该驱动电路室出口部构成为供该冷却液从所述驱动电路室流出。
7.如权利要求6所述的屏蔽电机，其特征在于，
所述定子室与所述驱动电路室相对于所述冷却液的流动串联地连接。
8.一种火箭发动机系统，其特征在于，
具有多个权利要求1至7中任一项所述的屏蔽电机，还具有：
燃料供给泵，该燃料供给泵构成为由多个所述屏蔽电机中的一个屏蔽电机驱动；
氧化剂供给泵，该氧化剂供给泵构成为由多个所述屏蔽电机中的另一个屏蔽电机驱动；以及
燃烧室，该燃烧室构成为由所述燃料供给泵供给燃料，并且由所述氧化剂供给泵供给氧化剂。
9.一种火箭发动机系统，其特征在于，
具有多个权利要求1至7中任一项所述的屏蔽电机，
还具有燃料供给泵，该燃料供给泵构成为由多个所述屏蔽电机中的一个屏蔽电机驱动，
所述火箭发动机系统构成为通过所述燃料供给泵，所述燃料向多个所述屏蔽电机供给。
10.一种火箭发动机系统，其特征在于，
具有多个屏蔽电机，
具有燃料供给泵，该燃料供给泵构成为由所述多个屏蔽电机中的一个屏蔽电机驱动，
所述火箭发动机系统构成为通过所述燃料供给泵，所述燃料向所述多个屏蔽电机供给。
11.一种液体燃料火箭，其特征在于，
具备权利要求8至10中任一项所述的火箭发动机系统。
CN202080024102.0A 2019-03-26 2020-03-10 屏蔽电机和由该屏蔽电机驱动的泵、以及使用了该屏蔽电机的火箭发动机系统和液体燃料火箭 Pending CN113632347A (zh)

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