CN108832785B - 密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器 - Google Patents

Abstract

密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，属于电气工程技术领域。本发明需要解决的技术问题是提升加速器的功率密度和获取较大的电磁转矩密度，增强加速器的系统响应。方案：在转子内再设置内定子的结构，转子内外表面设置表贴式永磁体，内、外定子的绕组同时供高频电，双定子和筒式永磁转子结构提升了加速器的功率密度和获取较大的电磁转矩密度，同时具有转动惯量小，系统响应快的特点，加速器强迫多路循环的密闭逆流冷却方式提升了加速器的冷却效力，降低在高速旋转下的系统温升，保证加速器在高频供电加速时系统的稳定运行，此外，由于采用密闭结构，加速器受外界因素干扰小，适用于浸泡在燃料液的场合，不会对冷却系统造成影响。

Description

密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器

技术领域

本发明涉及一种带有冷却系统的转子加速器，具体涉及一种密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，属于电气工程技术领域。

背景技术

高尖端产品的制造对系统性能和发热极限要求极高，特别是某些用于航空航天领域的电磁式精密装置，这类装置要求具备优良的稳定性，准确性，快速性，鲁棒性等，在表现出优越性能的同时，其有效的散热也是关键问题，是核心设计技术之一。

在加速器转子高速旋转时，如果内定子冷却效果欠佳，轻则造成加速器烧毁，重则危及整个系统的安全运行。因此，设计高效的电磁加速器冷却系统十分必要。对于双定子结构的电磁加速装置，一方面内定子较外定子周向尺寸小，内定子线复合较高，使得内定子侧发热严重，另一方面，对于内-外双定子结构的电磁装置，其内定子内置于外定子和转子的最内侧，内定子无法与外界环境进行直接的热交换。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提出了一种密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器。

本发明需要解决的技术问题一是提升加速器的功率密度和获取较大的电磁转矩密度，增强加速器的系统响应，采取的技术手段是：

密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，包括圆筒转子，内定子铁芯，外定子铁芯，转子内层永磁体，转子外层永磁体，内定子绕组，外定子绕组，内定子机壳，外定子机壳，圆筒转子外环轴承，圆筒转子内环轴承；

所述圆筒转子布置于内定子铁芯和外定子铁芯之间，圆筒转子通过圆筒转子外环轴承和圆筒转子内环轴承分别与外定子机壳和内定子机壳连接，圆筒转子的内层和外层分别设置转子内层永磁体和转子外层永磁体；

转子内层永磁体和转子外层永磁体为表贴式等弧度结构，转子内层永磁体和转子外层永磁体沿圆周均匀排布，相邻的转子内层永磁体周向极性相反，相邻的转子外层永磁体周向极性也相反，转子内层永磁体和转子外层永磁体极性沿内外层径向方向相同，且转子内层永磁体和转子外层永磁体厚度相同，内定子绕组和外定子绕组均采用高频供电的方式，且内定子绕组和外定子绕组均为双层绕组结构，内定子绕组端部采用向内渐进弯绕的连接结构，外定子绕组采用向外渐进弯绕的连接结构。

其中，外定子铁芯采用过盈配合的方式直接压入外定子机壳内。

其中，圆筒转子内设置有纵向阻尼条。

本发明需要解决的技术问题二是解决加速器内部发热问题，提升加速器的冷却效力，降低在高速旋转下的系统温升，保证加速器在高频供电加速时系统的稳定运行，在上述技术手段的基础上增加了如下技术手段：

本发明的双定子与筒式永磁转子加速器采用四个独立的风扇压头，外定子风腔压风风扇和外定子风腔抽风风扇设置于外定子风腔冷却器和外定子绕组两者的上端，内定子风腔压风风扇和内定子风腔抽风风扇设置于内定子风腔底部，这种强迫冷却方式使得冷却气体沿着纵向方向沿着多条路径关于整个加速器中心轴对称逆向流动，在外定子风腔压风风扇和内定子风腔抽风风扇的作用下冷却气体沿着内定子纵向风沟自上而下由左至右流动，在外定子风腔抽风风扇和内定子风腔压风风扇的作用下冷却气体沿着内定子纵向风沟自下而上由左至右流动，形成多路交叉逆流冷却循环通道。

进一步地：所述外定子风腔压风风扇和外定子风腔抽风风扇周向跨度180°，内定子风腔压风风扇和内定子风腔抽风风扇周向也为跨度180°。如此设置，冷却效果更好。

进一步地：所述外定子横向风道将外定子铁芯沿纵向分为两部分，外定子纵向风沟也被分为下侧外定子纵向风沟和上侧外定子纵向风沟，下侧外定子纵向风沟和上侧外定子纵向风沟的风口错开。如此设置，使上侧外定子纵向风沟的冷却流体尽量多地通过转子横向风道进入到内定子铁芯的内定子横向风道，下侧外定子纵向风沟的冷却依靠流经外定子风腔冷却器的气体进行冷却。

进一步地：与外定子横向风道不同，所述内定子横向风道为多路横向风沟，设置4-6路，内定子铁芯则为5-7段，每一段内定子铁芯开设内定子纵向风沟位置和数目不同，靠近顶部的内定子纵向风沟的数目不少于靠近底部的内定子纵向风沟的数目。

进一步地：所述内定子横向风道为4路，则内定子铁芯为5段，自上而下每一段定子铁芯的内定子纵向风沟分别为第1段内定子纵向风沟，第2段内定子纵向风沟，第3段内定子纵向风沟，第4段内定子纵向风沟，第5段内定子纵向风沟；第2段内定子纵向风沟至第5段内定子纵向风沟的数目相同，第1段内定子纵向风沟的数目大于第2段内定子纵向风沟的数目，除第3段内定子纵向风沟和第4段内定子纵向风沟的风口对齐，其余相邻的每段内定子纵向风沟的风口错开，在第3和第4段内定子铁芯中间的内定子横向风道中间设置内定子纵向导风盘，经内定子纵向导风盘导向后，第3段内定子纵向风沟和第4段内定子纵向风沟的冷却气体交叉逆向对称流动。

进一步地：在加速器顶部的端部区域设置端部转轴横向风沟，端部转轴横向风沟为沿圆周方向等间距离散分布的风沟，将内外定子风腔连通，外定子风腔压风风扇将冷却气体同时压入到内定子纵向风沟和外定子纵向风沟，外定子风腔抽风风扇将同时吸入内定子纵向风沟和外定子纵向风沟冷却气体，外定子风腔的冷却气体再由外定子风腔抽风风扇流向外定子风腔压风风扇，形成外定子风腔冷却气体在加速器顶部的循环流动。

进一步地：在内定子机壳底部设有定子冷却腔道，通过内定子风腔压风风扇和内定子风腔抽风风扇对内定子风腔区域的气体构成流动回路。

本发明所达到的效果为：

为了获得优良的加速性能，本发明提出一种特殊的电磁加速装置结构，采用一种双定子与筒式永磁转子结构，提出在外定子内设置转子，在转子内再设置内定子，转子至于内定子和外定子中间，转子的内外表面均设置表贴式永磁体，内、外定子的绕组同时供电，这种双定子和筒式永磁转子结构可以提升加速器的功率密度和获取较大的电磁转矩密度，同时筒式永磁转子具有小的转动惯量，系统响应快。

在加速器转子高速旋转时，如果内定子冷却效果欠佳，轻则造成加速器烧毁，重则危及整个系统的安全运行。因此，设计高效的电磁加速器冷却系统十分必要。对于双定子结构的电磁加速装置，一方面内定子较外定子周向尺寸小，内定子线复合较高，使得内定子侧发热严重，另一方面，对于内-外双定子结构的电磁装置，其内定子内置于外定子和转子的最内侧，内定子无法与外界环境进行直接的热交换。为了解决这一问题，实现这种双定子与筒式永磁转子结构电磁装置的高效冷却，本发明提出密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，对加速器进行强迫的多路循环的密闭逆流冷却，极大的提升加速器的冷却效力，降低在高速旋转下的系统温升，保证加速器在高频供电加速时系统的稳定运行。由于采用密闭结构，加速器受外界因素干扰小，适用于浸泡在燃料液的场合，不会对冷却系统造成影响。

附图说明

图1为密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器结构图；

图2为图1的A-A截面图。

图中：

1-圆筒转子，2-内定子铁芯，3-外定子铁芯，4-内定子纵向风沟，5-外定子纵向风沟，6-转子内层永磁体，7-转子外层永磁体，8-内定子绕组，9-外定子绕组，10-外定子风腔冷却器，11-内定子机壳，12-外定子机壳，13-端部转轴横向风沟，14-外定子风腔压风风扇，15-外定子风腔抽风风扇，16-内定子风腔压风风扇，17-内定子风腔抽风风扇，18-内定子冷却腔道，19-圆筒转子外环轴承，20-圆筒转子内环轴承，21-内定子纵向导风盘，22-转子横向风道，23-外定子横向风道，24-内定子横向风道，25-机座，26-阻尼条。

具体实施方式

为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例：参见图1至图2，本实施方式的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，包括圆筒转子1，内定子铁芯2，外定子铁芯3，转子内层永磁体6，转子外层永磁体7，内定子绕组8，外定子绕组9，内定子机壳11，外定子机壳12，圆筒转子外环轴承19，圆筒转子内环轴承20；

所述圆筒转子1布置于内定子铁芯2和外定子铁芯3之间，圆筒转子1通过圆筒转子外环轴承19和圆筒转子内环轴承20分别与外定子机壳12和内定子机壳11连接，圆筒转子1的内层和外层分别设置转子内层永磁体6和转子外层永磁体7；外定子铁芯3采用过盈配合的方式直接压入外定子机壳12内，所述密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器置于机座25上。

转子内层永磁体6和转子外层永磁体7为表贴式等弧度结构，转子内层永磁体6和转子外层永磁体7沿圆周均匀排布，相邻的转子内层永磁体6周向极性相反，相邻的转子外层永磁体7周向极性也相反，转子内层永磁体6和转子外层永磁体7极性沿内外层径向方向相同，且转子内层永磁体6和转子外层永磁体7厚度相同，内定子绕组8和外定子绕组9均采用高频供电的方式，且内定子绕组8和外定子绕组9均为双层绕组结构，内定子绕组8端部采用向内渐进弯绕的连接结构，外定子绕组9采用向外渐进弯绕的连接结构，圆筒转子1内设置有纵向阻尼条26。

另外，根据一种实现方式，参见图1，图2可知，双定子与筒式永磁转子加速器采用四个独立的风扇压头，外定子风腔压风风扇14和外定子风腔抽风风扇15设置于外定子风腔冷却器10和外定子绕组9两者的上端，内定子风腔压风风扇16和内定子风腔抽风风扇17设置于内定子风腔底部，这种强迫冷却方式使得冷却气体沿着纵向方向沿着多条路径关于整个加速器中心轴对称逆向流动，在外定子风腔压风风扇14和内定子风腔抽风风扇17的作用下冷却气体沿着内定子纵向风沟4自上而下由左至右流动，在外定子风腔抽风风扇15和内定子风腔压风风扇16的作用下冷却气体沿着内定子纵向风沟4自下而上由左至右流动，形成多路交叉逆流冷却循环通道。

另外，根据一种实现方式，参见图1可知，所述外定子风腔压风风扇14和外定子风腔抽风风扇15周向跨度180°，内定子风腔压风风扇16和内定子风腔抽风风扇17周向也为跨度180°。如此设置，冷却效果更好。

另外，根据一种实现方式，参见图1，图2可知，所述外定子横向风道23将外定子铁芯3沿纵向分为两部分，外定子纵向风沟5也被分为下侧外定子纵向风沟5-1和上侧外定子纵向风沟5-2，下侧外定子纵向风沟5-1和上侧外定子纵向风沟5-2的风口错开。如此设置，使上侧外定子纵向风沟5-2的冷却流体尽量多地通过转子横向风道22进入到内定子铁芯2的内定子横向风道24，下侧外定子纵向风沟5-1的冷却依靠流经外定子风腔冷却器10的气体进行冷却。

另外，根据一种实现方式，参见图1可知，与外定子横向风道23不同，所述内定子横向风道24为多路横向风沟，设置4-6路，内定子铁芯2则为5-7段，每一段内定子铁芯2开设内定子纵向风沟4位置和数目不同，靠近顶部的内定子纵向风沟4的数目不少于靠近底部的内定子纵向风沟4的数目。

另外，根据一种实现方式，参见图1可知，所述内定子横向风道24为4路，则内定子铁芯2为5段，自上而下每一段定子铁芯2的内定子纵向风沟4分别为第1段内定子纵向风沟4-1，第2段内定子纵向风沟4-2，第3段内定子纵向风沟4-3，第4段内定子纵向风沟4-4，第5段内定子纵向风沟4-5；第2段内定子纵向风沟4-2至第5段内定子纵向风沟4-5的数目相同，第1段内定子纵向风沟4-1的数目大于第2段内定子纵向风沟4-2的数目，除第3段内定子纵向风沟4-3和第4段内定子纵向风沟4-4的风口对齐，其余相邻的每段内定子纵向风沟4的风口错开，在第3和第4段内定子铁芯2中间的内定子横向风道24中间设置内定子纵向导风盘21，经内定子纵向导风盘21导向后，第3段内定子纵向风沟4-3和第4段内定子纵向风沟4-4的冷却气体交叉逆向对称流动。

另外，根据一种实现方式，参见图1可知，在加速器顶部的端部区域设置端部转轴横向风沟13，端部转轴横向风沟13为沿圆周方向等间距离散分布的风沟，将内外定子风腔连通，外定子风腔压风风扇14将冷却气体同时压入到内定子纵向风沟4和外定子纵向风沟5，外定子风腔抽风风扇15将同时吸入内定子纵向风沟4和外定子纵向风沟5冷却气体，外定子风腔的冷却气体再由外定子风腔抽风风扇15流向外定子风腔压风风扇14，形成外定子风腔冷却气体在加速器顶部的循环流动。

另外，根据一种实现方式，参见图1可知，在内定子机壳11底部设有定子冷却腔道18，通过内定子风腔压风风扇16和内定子风腔抽风风扇17对内定子风腔区域的气体构成流动回路。

本实施例的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器为在外定子内设置转子，在转子内再设置内定子的结构，转子内外表面设置表贴式永磁体，内、外定子的绕组同时供高频电，这种双定子和筒式永磁转子结构可以提升加速器的功率密度和获取较大的电磁转矩密度，同时具有转动惯量小，系统响应快的特点，所提出的加速器强迫多路循环的密闭逆流冷却方式可极大的提升加速器的冷却效力，降低在高速旋转下的系统温升，保证加速器在高频供电加速时系统的稳定运行，此外，由于采用密闭结构，加速器受外界因素干扰小，适用于浸泡在燃料液的场合，不会对冷却系统造成影响。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (9)

1.密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，其特征在于：包括圆筒转子(1)，内定子铁芯(2)，外定子铁芯(3)，转子内层永磁体(6)，转子外层永磁体(7)，内定子绕组(8)，外定子绕组(9)，内定子机壳(11)，外定子机壳(12)，圆筒转子外环轴承(19)，圆筒转子内环轴承(20)；

所述圆筒转子(1)布置于内定子铁芯(2)和外定子铁芯(3)之间，圆筒转子(1)通过圆筒转子外环轴承(19)和圆筒转子内环轴承(20)分别与外定子机壳(12)和内定子机壳(11)连接，圆筒转子(1)的内层和外层分别设置转子内层永磁体(6)和转子外层永磁体(7)；

转子内层永磁体(6)和转子外层永磁体(7)为表贴式等弧度结构，转子内层永磁体(6)和转子外层永磁体(7)沿圆周均匀排布，相邻的转子内层永磁体(6)周向极性相反，相邻的转子外层永磁体(7)周向极性也相反，转子内层永磁体(6)和转子外层永磁体(7)极性沿内外层径向方向相同，且转子内层永磁体(6)和转子外层永磁体(7)厚度相同，内定子绕组(8)和外定子绕组(9)均采用高频供电的方式，且内定子绕组(8)和外定子绕组(9)均为双层绕组结构，内定子绕组(8)端部采用向内渐进弯绕的连接结构，外定子绕组(9)采用向外渐进弯绕的连接结构；

双定子与筒式永磁转子加速器采用四个独立的风扇压头，外定子风腔压风风扇(14)和外定子风腔抽风风扇(15)设置于外定子风腔冷却器(10)和外定子绕组(9)两者的上端，内定子风腔压风风扇(16)和内定子风腔抽风风扇(17)设置于内定子风腔底部，在外定子风腔压风风扇(14)和内定子风腔抽风风扇(17)的作用下冷却气体沿着内定子纵向风沟(4)自上而下由左至右流动，在外定子风腔抽风风扇(15)和内定子风腔压风风扇(16)的作用下冷却气体沿着内定子纵向风沟(4)自下而上由左至右流动，形成多路交叉逆流冷却循环通道。

2.根据权利要求1所述的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，其特征在于：所述外定子风腔压风风扇(14)和外定子风腔抽风风扇(15)周向跨度180°，内定子风腔压风风扇(16)和内定子风腔抽风风扇(17)周向也为跨度180°。

3.根据权利要求1或2所述的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，其特征在于：外定子横向风道(23)将外定子铁芯(3)沿纵向分为两部分，外定子纵向风沟(5)也被分为下侧外定子纵向风沟(5-1)和上侧外定子纵向风沟(5-2)，下侧外定子纵向风沟(5-1)和上侧外定子纵向风沟(5-2)的风口错开。

4.根据权利要求3所述的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，其特征在于：内定子横向风道(24)为多路横向风沟，设置4-6路，内定子铁芯(2)则为5-7段，每一段内定子铁芯(2)开设内定子纵向风沟(4)位置和数目不同，靠近顶部的内定子纵向风沟(4)的数目不少于靠近底部的内定子纵向风沟(4)的数目。

5.根据权利要求4所述的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，其特征在于：所述内定子横向风道(24)为4路，则内定子铁芯(2)为5段，自上而下每一段定子铁芯(2)的内定子纵向风沟(4)分别为第1段内定子纵向风沟(4-1)，第2段内定子纵向风沟(4-2)，第3段内定子纵向风沟(4-3)，第4段内定子纵向风沟(4-4)，第5段内定子纵向风沟(4-5)；第2段内定子纵向风沟(4-2)至第5段内定子纵向风沟(4-5)的数目相同，第1段内定子纵向风沟(4-1)的数目大于第2段内定子纵向风沟(4-2)的数目，除第3段内定子纵向风沟(4-3)和第4段内定子纵向风沟(4-4)的风口对齐，其余相邻的每段内定子纵向风沟(4)的风口错开，在第3和第4段内定子铁芯(2)中间的内定子横向风道(24)中间设置内定子纵向导风盘(21)，经内定子纵向导风盘(21)导向后，第3段内定子纵向风沟(4-3)和第4段内定子纵向风沟(4-4)的冷却气体交叉逆向对称流动。

6.根据权利要求3所述的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，其特征在于：在加速器顶部的端部区域设置端部转轴横向风沟(13)，端部转轴横向风沟(13)为沿圆周方向等间距离散分布的风沟，将内外定子风腔连通，外定子风腔压风风扇(14)将冷却气体同时压入到内定子纵向风沟(4)和外定子纵向风沟(5)，外定子风腔抽风风扇(15)将同时吸入内定子纵向风沟(4)和外定子纵向风沟(5)冷却气体，外定子风腔的冷却气体再由外定子风腔抽风风扇(15)流向外定子风腔压风风扇(14)，形成外定子风腔冷却气体在加速器顶部的循环流动。

7.根据权利要求6所述的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，其特征在于：在内定子机壳(11)底部设有定子冷却腔道(18)，通过内定子风腔压风风扇(16)和内定子风腔抽风风扇(17)对内定子风腔区域的气体构成流动回路。

8.根据权利要求1所述的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，其特征在于：外定子铁芯(3)采用过盈配合的方式直接压入外定子机壳(12)内。

9.根据权利要求1或8所述的密闭循环多路逆流冷却的双定子与筒式永磁转子加速器，其特征在于：圆筒转子(1)内设置有纵向阻尼条(26)。