发明内容

本发明提供一种超高速电机转子冷却结构，其目的是要解决现有转子冷却效果无法满足功率密度要求日益增长的超高速电机的转子散热问题，通过冷却工质的相变过程，改善超高速电机转子散热效果，提升转子安全系数。

为达到上述目的，本发明第一方面提出了一种超高速电机转子冷却结构，用于超高速电机转子的冷却，所述电机上设有冷却水套，所述转子包括转轴、转子本体，转轴具有第一端和第二端，其创新点在于：

所述转子冷却结构具备：

集液腔，集液腔的数量为两个，分别为第一集液腔和第二集液腔，两个集液腔位于转轴的两端并且相互之间联通，集液腔中盛放有冷却工质；

轴端进液管道，轴端进液管道位于转轴的第一端，轴端进液管道在靠近转轴第一端的周向上设置有第一进液口，轴端进液管道在远离转轴第一端的周向上设置有第一出液口，在所述转轴的第一进液口处设置有用于将第一集液腔中的冷却工质搅入轴端进液管道的轴端搅液装置；

轴端出液管道，轴端出液管道位于转轴的第二端，轴端出液管道在靠近转轴第二端的周向上设置有第二进液口，轴端进液管道在远离转轴第二端的周向上设置有第二出液口；

冷却流道沿轴向穿过转子本体，两端环形通道将多条轴向流道汇流为鼠笼型流道构型，所述冷却流道分别与第一出液口和第二进液口联通；

冷却腔，冷却腔靠近冷却水套设置，由冷却水套内循环通过的冷却液对冷却腔内的冷却工质进行冷却，冷却腔位于集液腔的上方并与两个集液腔之间相互联通，冷却腔上设有与第二集液腔联通的气化通道、与第一集液腔联通的液化通道。

本发明第二方面提出了一种轴端搅液装置，该轴端搅液装置用于第一方面中的超高速电机转子冷却结构，其创新点在于，所述轴端搅液装置包括：

搅液环，搅液环为套设在转轴上的圆环结构，搅液环套设在转轴的第一进液口处，在搅液环的内壁上开设有与第一进液口相联通的内槽口；

搅液体，搅液体为设置在搅液环周向外表面的凸起结构，搅液体上设有进液部，进液部上设有可供冷却工质进入的进液空间，进液空间在朝向转子转动方向的一侧形成进液开口，进液开口与内槽口相联通，所述进液开口上下侧的内壁面处剖设有靠近搅液环的下壁面和远离搅液环的上壁面，上壁面朝向转子转动方向由下向上倾斜，由上壁面与下壁面之间形成在转子转动时对进入到进液空间内的冷却工质朝向内槽口、第一进液口处挤压的搅液结构。

本发明的有关内容解释如下：

1. 在上述的超高速电机转子冷却结构技术方案中，通过在转轴上设置轴端进液管道、轴端出液管道以及与之相联通的集液腔，设置的冷却流道贯穿转子本体并靠近转子本体的表面，使得冷却作用在转子的表面，使冷却工质直接在电机转子中最需要散热的部位进行高效的散热，利用了高速旋转下冷却工质在液体状态下从轴端进液管道进入到冷却流道中，冷却工质在冷却流道中吸收了转子的大量热量后相变成气体，气体在压力作用下向第二端流动并从轴端出液管道进入第二集液腔，然后气体上移至冷却腔，由冷却腔一侧的冷却水套对气体进行冷凝液化，气体遇冷液化后回流至第一集液腔中，并以此重新开始高效的冷却循环。本发明采用的物理、纯机械结构进行物理性热量传递，利用了冷却工质在液体状态下经由高速旋转的转子进行有效流通、带走热量相变成气体并在气体状态下进入冷却腔冷凝，巧妙地用物理结构去很好得利用液体的流体特性、液体气化及冷凝后的压力变化等物理特性，实现资源节约和能源节约，避免采用复杂结构才能完成良好的转子冷却，而且作为冷凝部位的冷却腔与冷却水套相邻，采用了电机本身的冷却水套来对冷却工质进行冷却，不用额外设置其他的冷凝部件，工质冷却腔与冷却水套的接触面积大，冷却效果好。

2. 在上述的超高速电机转子冷却结构技术方案中，所述转子本体包括设在转轴周向上的铁芯、磁钢、护套和端板，铁芯套设在转轴上，在铁芯的外圆周贴附有磁钢，磁钢的外侧设置护套，端板位于铁芯、磁钢和护套的两端，这是高速电机转子本体的其中一种结构，这样结构的细长表贴转子在高速高频工作时发热严重，因此十分需要该超高速电机转子冷却结构，以对表贴转子中的磁钢进行快速降温，避免磁钢温度升高后造成电机性能降低、失磁。

3. 在上述的超高速电机转子冷却结构技术方案中，所述转轴的第一端处开设有沿转轴轴向设置的第一中心孔，在第一中心孔处开设有两组前后设置且均沿转轴周向均匀分布的径向通孔，第一中心孔形成轴端进液管道，靠近转轴第一端的径向通孔形成第一进液口，远离转轴第一端的径向通孔形成第一出液口；所述转轴的第二端处开设有沿转轴轴向设置的第二中心孔，在第二中心孔处开设有沿转轴周向均匀分布的径向通孔，靠近转轴的第二端开设有轴向通孔，第二中心孔形成轴端出液管道，远离转轴第二端的径向通孔形成第二进液口，轴向通孔形成第二出液口；轴端进液管道、轴端进液管道采用在转轴上这样的设置方式，可以使转轴的加工更方便，降低转轴加工成本，使与轴端进液管道、轴端出液管道联通的冷却流道、集液腔等部件设计能够更加合理，同样也能对转轴本身进行冷却，以此来进一步提升冷却效果。

4. 在上述的超高速电机转子冷却结构技术方案中，所述铁芯的外表面沿其环形周向开设有多个均匀分布的芯槽，磁钢贴附在铁芯外表面，磁钢的外侧套设护套，单个芯槽以及与该芯槽相邻的两个磁钢侧壁、护套内壁之间形成轴向的冷却流道，圆周方向多个此类轴向冷却流道相并联，通过两端环形通道汇流后，形成鼠笼型流道结构。采用这样的结构，冷却工质能直接流经转子本体的待散热部位，可以达到良好的散热冷却效果。

5. 在上述的超高速电机转子冷却结构技术方案中，所述端板上在朝向铁芯、磁钢的位置处开设有对应第一出液口、第二进液口设置的径向凹槽和对应芯槽设置的环形凹槽，径向凹槽与环形凹槽相联通，环形凹槽与芯槽联通，径向凹槽形成径向的径向通道，环形凹槽形成周向的环形通道。

6. 在上述的超高速电机转子冷却结构技术方案中，所述端板包括端盖板、甩液环、挡液环、隔挡；所述端盖板与转轴、护套密封连接，径向凹槽开设在端盖板上，径向凹槽具有轴孔进液口和轴孔出液口；所述端盖板在轴孔出液口的径向外侧设置挡液环，环形凹槽由挡液环分为位于挡液环径向内侧的第一腔体、位于挡液环径向外侧的第二腔体；所述端盖板在轴孔出液口的径向内侧设置甩液环，所述甩液环的外表面朝向转子轴心方向倾斜；在所述径向凹槽与环形凹槽的连接处设置有用于液位保持的隔挡，所述隔挡为径向凹槽与环形凹槽的连接处之间朝径向外侧设置的挡板。采用以上的结构设计，冷却工质通过径向凹槽流入环形凹槽，环形凹槽自挡液环分为第一腔体和第二腔体两部分；冷却工质首先流入第一腔体，第一腔体内侧设有向内倾斜的甩液环，在转子高速旋转时，冷却工质向右上方甩出，进而进入转子本体上轴向的冷却流道内；而未能进入转子本体上轴向的冷却流道内的冷却工质在离心力作用下会被甩入第二腔体内，挡液环可以限制冷却工质回流至第一腔体，同时在转子高速旋转下可以迫使冷却工质二次进入转子轴向的冷却流道；在这个结构中，隔挡有着液位保持的作用，隔挡能防止冷却工质回流至径向凹槽。以上的这个结构是能够用于将冷却工质更好得输送往轴向的冷却流道并防止冷却工质回流，在转子高速旋转时，迫使冷却工质始终是从第一集液腔、轴端进液管道、冷却流道、轴端出液管道、第二集液腔、冷却腔再到第一集液腔的有序循环。

7. 在上述的超高速电机转子冷却结构技术方案中，所述冷却腔为一侧紧贴冷却水套设置或者为冷却水套环绕设置。当冷却腔为一侧紧贴冷却水套设置时，冷却水套的水道流经冷却腔的一侧，已经能够满足在冷却腔中气体的遇冷液化的效果。当冷却腔被冷却水套环绕设置时，其冷凝效果更为突出，能够更快速地将冷却腔中气化的冷却工质液化，从而使液化的冷却工质迅速补充到第一集液腔中。

8. 在上述的超高速电机转子冷却结构技术方案中，所述第一集液腔和第二集液腔之间由管路联通以保持液位平衡，使一部分未经气化的冷却工质能在第一集液腔和第二集液腔之间流通并保持两端的液位平衡。

9. 在上述的轴端搅液装置技术方案中，通过在转轴的第一进液口处设置轴端搅液装置，由轴端搅液装置配合高速旋转的转轴将冷却工质搅入轴端进液管道，使冷却工质能够在第一集液腔、轴端进液管道、冷却流道、轴端出液管道、第二集液腔、冷却腔再到第一集液腔之间有序循环。在转子高速旋转时，带动转轴上的轴端搅液装置一起高速旋转，搅液体上朝向转子转动方向一侧的进液开口在第一集液腔中搅动并将冷却工质纳入到进液空间中，由于搅液体也是跟随转轴高速旋转的，进入到进液空间中的冷却工质会在朝向转子转动方向由下向上倾斜设置的上壁面的压迫下朝向内槽口、第一进液口处挤压，环绕在搅液环周向的多个搅液体一直将冷却工质挤压进轴端进液管道中，使冷却工质能够在不需要使用外部泵阀即可源源不断地参与冷却循环，既不需要设置外部的泵阀也不需要设计额外的驱动冷却工质的管道，优化了超高速电机转子冷却结构设计，使超高速电机转子能在比较简单、合理的结构下就能达成十分优良的散热冷却效果，轴端搅液装置的本身结构也设计的十分巧妙，能够利用设置在转轴第一进液口处的搅液环、设置在搅液环上的搅液体以及电机工作时高速旋转的转轴，搅液动力来自于转轴的高速旋转，通过对搅液体的结构设计，使得冷却工质能够进入到高速旋转的搅液体内，并且能让冷却工质在高速冲击并受到上壁面的向下挤压而产生一定的液压，从而能够更好得让冷却工质在一定的液压驱使下进入到冷却流道中去，即使冷却工质的整个循环通道会比较长，在不使用其他外部驱动力的情况下，仅仅靠电机工作时转子转轴的转动，用轴端搅液装置也能够满足冷却工质长通道的连续、自动循环。

10. 在上述的轴端搅液装置技术方案中，所述内槽口覆盖第一进液口，内槽口为楔形槽，以让进入到进液空间内的冷却工质能够更顺利地进入到轴端进液通道中；所述下壁面与上壁面的倾斜角度一致，在冷却工质受到上壁面的高速冲击并向下挤压的过程中能更快地从进液空间进入到轴端进液通道；所述进液部在进液开口处的背离转子转动方向由下向上倾斜设置有导斜面，该导斜面能够让搅液体转动冲击到冷却工质时，让冷却工质从搅液环与搅液体的朝向转子转动方向的接触位置下方开始进入到进液空间，在搅液体没入冷却工质的液体里面后将大量冷却工质顺势压入进液空间，再配合转轴高转速，能有效地将大量液态的冷却工质不间断地输入到冷却循环中去；所述轴端搅液装置的搅液环通过热套配合与转轴固定，利用热胀冷缩的原理将搅液环精密地装配到转轴上，降低转轴、轴端搅液装置的生产成本、装配成本及装配难度。

11. 在上述的轴端搅液装置技术方案中，所述进液开口左右两侧的内壁处剖设有导流槽，导流槽为光滑曲面，导流槽的倾斜角度与上壁面的倾斜角度一致，导流槽可以让冷却工质更好得进入到进液空间、轴端进液通道，光滑曲面的导流槽让冷却工质减少流动阻力，导流槽的倾斜角度与上壁面的倾斜角度一致即可以方便冷却工质的流体流动，又能使进液部中导流槽、上壁面和下壁面的设计生产更加合理、方便。

12. 所述搅液体左右两侧的外表面底部与搅液环的连接处设有下连接面，搅液体左右两侧的外表面从下连接面处至搅液体的上表面处设有上连接面；所述下连接面和上连接面均为沿转子转动方向连续延伸的光滑曲面，且在背离转子转动方向上下连接面和上连接面逐渐缩小；所述搅液体的上表面为一平整的平面，所述上表面在背离转子转动方向由下向上倾斜。通过上述结构的设计，能让轴端搅液装置在第一集液腔内在转轴带动下高速转动并将冷却工质搅动起来的时候，能让冷却工质在经过搅液体的冲击后可以沿下连接面、上连接面流动至紧贴搅液环的后方，避免在轴端搅液装置的搅液体附近形成空腔，从而使高速旋转的轴端搅液装置所压入的冷却工质数量不会减少。

13.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

14.在本发明中，术语、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置装配关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

15. 此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

由于上述方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：

1.本发明的上述方案，通过在转子上设置轴端进液管道、轴端出液管道以及与之相联通的集液腔，设置的冷却流道贯穿转子本体并靠近转子本体的表面，并将冷却腔靠近冷却水套设置，使得冷却作用在转子的表面，使冷却工质直接在电机转子中最需要散热的部位进行高效的散热，巧妙地用物理结构去很好地利用液体的流体特性、液体气化及冷凝后的压力变化等物理特性，实现资源节约和能源节约，避免采用复杂结构才能完成良好的轴承冷却，而且作为冷凝部位的冷却腔与冷却水套相邻，采用了电机本身的冷却水套来对冷却工质进行冷却，不用额外设置其他的冷凝部件，工质冷却腔与冷却水套的接触面积大，冷却效果好。

2. 本发明的上述方案中，冷却工质相变气化时吸热量大，散热效果好，冷却效果得以满足超高速电机功率密度要求，相变的冷却工质以自循环的蒸发冷却方式，不需外部动力，借用现有的定子冷却水套结构进行冷却液化冷介质，结构比较简单；冷却工质液化后自动回流到集液腔，然后再经过轴孔进入冷却循环通路，无需额外设置泵阀装置，系统成本较低，提升了电机转子安全系数。

3. 本发明的上述方案中，通过在转轴的第一进液口处设置轴端搅液装置，让在不使用其他外部驱动力的情况下，仅仅靠电机工作时转子转轴的转动，用轴端搅液装置和转子高速转动的配合也能够满足冷却工质长通道的连续、自动循环；即不需要设置外部的泵阀也不需要设计额外的驱动冷却工质的管道，优化了超高速电机转子冷却结构的整体结构设计，使超高速电机转子冷却结构能用比较简单、合理的结构下就能达成十分优良的散热、冷却效果，轴端搅液装置的本身结构也设计的十分巧妙，能够利用设置在转轴第一进液口处的搅液环、设置在搅液环上的搅液体以及电机工作时高速旋转的转轴，搅液动力来自于转轴的高速旋转。