[发明专利]一种转子抽真空冷却的高速永磁电机系统

说明书

本发明公开了一种转子抽真空冷却的高速永磁电机系统。当电机工作时，将转子和定子之间的空气所占据的区域完全密闭，并处于真空状态。在此区域空间的外侧设置有真空泵、电磁阀和真空计，并通过管路与此密闭空间相连。通过真空泵来调控电机气隙内部的空气真空度，可大幅降低高速永磁电机转子的风摩损耗，且风摩损耗可根据转子转速来调控。转子永磁体的风摩生热可以通过对流和辐射传递给定子，经由定子散热系统导出。通过本冷却方案，可以有效解决高速永磁电机体积趋小、散热日益困难、定转子温升局部过高的问题，尤其适于有效解决永磁电机中的永磁体高温失磁问题。

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种转子抽真空冷却的高速永磁电机系统。

背景技术

高速电机具有功率密度大的巨大优势，可以有效地节约材料。由于转动惯量较小，所以动态响应较快，如果把高速电机与负载直接相连，可省去传统的机械变速装置，从而提高传动系统效率，因此高速电机的研究与应用符合节能减排的经济发展需要，在高速磨床、飞轮储能、航空航天等领域应用前景广阔。随着大功率高速和超高速电机设计基础理论的发展，围绕舰船、飞机等独立电源和驱动系统以及可再生能源发电系统的发展和需要，高速电机的研究目前已成为国际电工领域的研究热点，同时作为运行于极端条件下的典型电机系统之一成为我国电气科学与工程领域近年来的重点研究领域。

作为高速电机研究的关键技术之一，高速电机损耗计算模型和保证电机适当温度水平的高效散热冷却技术的研究一方面与高速电机的效率密切相关，另一方面与高速电机的安全性和可靠性紧密相关。高速电机绕组电流和铁心中磁通交变频率的增加导致了基本电气损耗和高频附加损耗的增大，特别是由于转子高速旋转产生的风摩损耗和轴承损耗在总损耗中占有相当比重(可达40％)且与电机的运行速度和散热冷却条件密切相关，因而难以准确计算。这样一来，高速电机功率密度大幅提升带来的几何尺寸减少，使得有效的散热和冷却方式成为高速电机设计中的一个非常重要的关键技术，需要在损耗增加的前提下通过更小的总体散热面积带走这些损耗所产生的热量。

高速永磁电机的散热冷却技术必须基于其自身的结构特点来认真审视。为了保证转子具有足够的刚度和较高的临界转速，高速永磁电机的转子一般为细长型，转子轴向也不可过长；为了减小离心力，转子直径应选得越小越好，但是为了保证有足够大的空间放置永磁体和转轴，转子直径却不可过小。因此，为了确保高速永磁电机转子具备足够的机械性能，无法在转子内部布设冷却通路。尽管与定子铁心损耗以及绕组铜耗相比，转子涡流损耗很小，但是转子散热条件差，转子涡流损耗却可能会引起转子较高的温升。由于永磁体材料性能与温度有关，尤其是对于居里点较低、电导率较高、温度系数较大的钕铁硼材料，过高的温度会使电机性能下降，甚至引起永磁体的退磁而损坏电机。

按冷却介质的形态区分，目前在电机冷却方面得到广泛应用的方式包括气冷、气液冷和液冷三大类。气体冷却特别是大气压下的空冷由于结构简单、不需要额外密封装置且无污染，在电机冷却中具有天然的优势，常作为电机冷却的首选方案，气体冷却介质包括空气和氢气等；液体冷却介质(包括液体单相冷却技术和液体相变冷却技术)有水、油、氟里昂类介质及新型无污染化合物类氟碳介质。尽管空冷方式结构简单，运行维护方便，但受电机转速和容量的限制且同容量电机的体积庞大；氢冷和水冷效率远高于空冷且电机体积相应较小，但结构复杂，需分别增加氢系统和水系统，运行维护工作量大；基于液体工质相变的蒸发冷却技术利用流体汽化潜热，具有换热效率高、电机各个部分温升低、温度分布均匀且无局部过热点等优良冷却特性，具有很好的应用潜力，但是该方法在汽液两相流体的流动特性和传热的处理上还缺乏准确的理论，新型的环境友好的冷却介质尚有待进一步研发和确定稳定的物性数据。