本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种转子轴内蒸发冷却高速冷却永磁电机。
背景技术：
高速电机由于转速高，功率密度大，体积小，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；高速电机可与工作机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音和提高传动系统的效率。高速电机的研究与应用符合节能减排的经济发展需要，目前已成为国际电工领域的研究热点之一，在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、高速离心压缩机、鼓风机、航空航天等具有广泛的应用前景。
永磁电机以其结构简单、力能密度高、无励磁损耗、效率高等优点，最适合于高速电机。高速高频电机与普通电机相比设计难度较大，高速电机转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速度可达200m/s以上，电机在高速旋转的情况下，空气和转子表面的摩擦会给电机带来很大的损耗，转子永磁体的涡流损耗也会很大，同时对高速永磁电机来说，定子铁心损耗和绕组损耗都高达数千瓦甚至上万瓦，造成电机温升过高，尤其是针对转子，由于高速旋转时，永磁体不能承受巨大的离心力，必须采取保护措施，常用的保护措施是永磁体外嵌入合金护套或捆扎碳纤维护套，合金护套由于电导率较大，会在护套中产生很大的涡流损耗，虽然碳纤维护套电导率很低，可以避免较大的转子涡流损耗，但碳纤维护套是热的不良导体，导热特性很差，转子热量难以散出，而且对于高速电机，转子体积很小，特别是转子加入保护套之后，给转子的散热带来了很大的困难，永磁体在温度过高的情况下会发生不可逆退磁，给电机造成严重危害，因此电机的散热成为电机设计的核心问题之一。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种转子轴内蒸发冷却高速冷却永磁电机，通过转轴和转子铁心的中心设置导热管，同时在转子和定子之间设置轴向内风道，以及在机壳上设置冷却套的方式，由此解决大功率高速永磁电机，由于转子损耗大、体积小、损耗密度大、热量难以散出、温升过高而严重影响电机可靠性和运行寿命的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种转子轴内蒸发冷却高速冷却永磁电机，该永磁电机包括机壳、设置在机壳内的定子与转子、及设置在机壳两端的端盖，其特征在于，所述转子包括转轴、转子铁心、永磁体和保护套，转子铁心套在转轴上，永磁体贴在转子铁心的外圆表面，保护套套在在永磁体外围，所述转轴和转子铁心的中心轴线上设置有导热管，该导热管呈封闭结构，分为两端部分和中间部分，两端部分呈锥形体状且设置在转轴中，中间部分呈圆柱状且贯穿整个转子铁心，所述圆锥体的底面直径小于所述圆柱体的底面直径，圆锥体的侧面与圆柱体的侧面形成阶梯，其中，圆锥体的侧面高于圆柱体的侧面，该导热管的两端部分上还开设有导热管充液口和导热管出液口，分别与设置在所述转轴上的充液口和出液口连通，用于向所述导热管中充入冷却液体。
进一步优选地，所述导热管优选采用铜管或铝管，中间部分与所述转子铁心采用过盈配合，两端部分与所述转轴采用过渡配合。
进一步优选地，所述导热管内充入的冷却液体为所述水、酒精或二者的混合液体。
进一步优选地，所述定子包括定子铁心、定子绕组及定子压板，定子绕组设置在定子铁心上，定子压板设置在定子铁心的两端，设置在定子铁心上，定子压板设置在定子铁心的两端。
进一步优选地，所述机壳的外部设置有冷却套，该冷却套采用螺旋状、直槽s状或轴向直槽通道，该冷却套中通入冷却液体或空气进行冷却，其中，冷却液体优选为水或酒精。
进一步优选地，所述定子绕组与所述转子外围之间设置有轴向内风道，在所述机壳上设置有进风口和出风口。
进一步优选地，所述转子保护套优选采用合金护套或碳纤维护套。
进一步优选地，所述导热管优选采用高导热特性的材料，如铜管或铝管。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明的转子轴内蒸发冷却高速永磁电机冷却系统采用机壳冷却、定子槽内风冷、转子空心轴蒸发冷却相结合的冷却方式，实现三管齐下，快速有效的降低电机工作温度，此设计的冷却系统采用多路通道相结合的冷却方式，机壳外冷却结构可以给电机定子散热，带走定子铁心热量，槽内轴向冷却风道既可以给电机定子绕组散热，又可以带走电机转子部分散热，但由于转子热量大，体积小，散热困难，仅靠槽内轴向风道带走转子热量的能力有限，对转子散热效果有限，且容易造成中间温度局部过高的问题，本发明通过在转子中开设蒸发冷却通道，槽内轴向冷却结合转子内部的蒸发冷却共同散热，可以有效的降低转子温度，起到良好的散热效果，不仅解决了大功率高速电机损耗密度大、散热困难、易发生局部温升过高的问题，且能使转子温度更加均匀，避免转子出现较大的温度梯度，防止永磁体因温度过高造成不可逆退磁，致使电机无法正常运行的现象，大大的提高的大功率高速电机的安全运行寿命。
2、本发明通过采用两端部分与中间部分形成阶梯的导热管，导热管中充入冷却液体的方式，转子铁心处的温度较高，转轴处温度较低，冷却液体在蒸发降低带走转子铁心中的热量并降低其温度，蒸发后的冷却液体朝两端部分运动，在两端部分预冷冷凝后，由于阶梯结构回流至导热管中间部分，从而进行循环蒸发散热。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的转子轴内蒸发冷却的高速永磁电机的整体结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的转子结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的转子导热管结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的定子机壳螺旋通道结构示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的定子机壳s型通道结构示意图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的定子机壳轴向通道结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1.进风口，2.冷却外壳，3.定子压板，4.定子铁心，5.定子绕组，6.机壳冷却套，7.轴向内风道，8.保护套，9.转子铁心，10.永磁体，11.绕组端部，12.出风口，13.电机机壳，14.充液口，15.电机端盖，16.轴承，17.冷却液，18.出液口，19.转子轴内蒸发冷却通道，20.转轴，21.导热管，22.高温蒸发区，23.充液口低温冷凝区，24.出液口低温冷凝区，25.导热管出液口，26.导热管充液口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的转子轴内蒸发冷却的高速永磁电机的整体结构示意图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的转子结构示意图，如图1和2所示，一种转子轴内蒸发冷却的高速永磁电机，采用机壳冷却套6、槽内轴向内风道7和转子轴内蒸发冷却通道19相结合的冷却结构，电机机壳13和设置在机壳13内的定子与转子，机壳13的两端设置有端盖15，定子包括定子铁心4、定子绕组5和定子压板3，在机壳13的外部设置有冷却套6和冷却外壳2，在定子绕组5内设置有轴向内风道7，在机壳13上两端设置有通风道的进风口1和出风口12，转子包括转轴20、转子铁心9、永磁体10以及保护套8，转轴20和转子铁心9为空心结构。
图4是按照本发明的优选实施例所构建的定子机壳螺旋通道结构示意图，图5是按照本发明的优选实施例所构建的定子机壳s型通道结构示意图，图6是按照本发明的优选实施例所构建的定子机壳轴向通道结构示意图，如图4,5和6所示，机壳外冷却套6可为螺旋状、直槽s状和轴向通道，通道内可通过冷却液体17水或酒精，也可采用空气冷却。定子绕组5与转子外围之间设置有轴向内风道7，轴向内风道内为空气冷却，在机壳13两端设置有空气进风口1和出风口12。
转轴20和转子铁心9为空心结构，该空心结构内设导热管21，组成转子轴内蒸发冷却通道19。转子保护套8为合金护套或碳纤维护套，转轴20空心结构与转子铁心9处的空心结构形成阶梯状，在转子空心结构处内设导热管21，组成转子轴内蒸发冷却通道19，该导热管呈封闭结构，从充液口26充入冷却液体后，该导热管封闭，导热管分为两端部分和中间部分，两端部分呈锥形体状且设置在转轴中，中间部分呈圆柱状且贯穿整个转子铁心，圆锥体的底面直径小于所述圆柱体的底面直径，圆锥体的侧面与圆柱体的侧面形成阶梯，在转轴20空心结构两端设置有出液口18和充液口14。图3是按照本发明的优选实施例所构建的转子导热管结构示意图，如图3所示，转轴20和转子铁心9内设导热管21为高导热特性的铜管或铝管，导热管21与转子空心结构相同，转子铁心9处导热管21半径大，转轴20处的导热管21半径逐渐减小，导热管21为一体化封闭结构，导热管21两端开设有导热管充液口26和导热管出液口25。导热管21插入转子铁心9中，导热管21与转子铁心9采用过盈配合，导热管21与转轴20采用过渡配合。转轴20两端设置有充液口14和出液口18，且可以互为充液口和出液口，充液口14与出液口18通过在转轴20上内设管道分别与导热管充液口26和导热管出液口25相连接。通过转轴上的充液口14，在转子铁心的导热管阶梯状的充液槽中充入冷却液17，冷却液17可以为水和酒精，也可为两者混合液体。
本发明的高速永磁电机冷却系统采用机壳冷却套6、定子槽内轴向内风道7、转子轴内蒸发冷却通道19相结合的冷却方式，机壳冷却6可采用螺旋通道、直槽s型通道、轴向通道，冷却介质可以为水或空气。轴向风冷系统开设在定转子之间，在定子槽内轴向内风道7，冷风从机壳一侧的进风口1流入，经过绕组端部11，轴向内风道7，带走定转子热量后，经过定子绕组5另一端的绕组端部11，从机壳13另一端的出风口12流出；转子上开设密封空心轴结构，在空心轴中加入密封导热管21，导热管21与转子铁心9成过盈配合，在转轴20处是过渡配合，在转子铁心9的阶梯状充液槽中充入水和酒精的混合液体，由于电机损耗主要集中在转子铁心上，转子铁心9处的温度较高，转轴20处温度较低，在转子铁心9处形成高温蒸发区22，带走转子热量，在转轴20两端形成低温凝固区23和24，冷凝液体，由于导热管两段部分的圆锥体侧面与中间部分的圆柱体侧面形成阶梯状，且圆锥体侧面高于圆柱体侧面，使得冷凝后的液体回流至导热管21中间部分，进行循环蒸发散热，在转轴两端开设有出液口18和充液口14，两者可以互为充液口和出液口，已便充入液体和排除液体。此设计的冷却系统采用多路通道相结合的冷却方式，机壳外冷却套6可以给电机定子散热，带走定子铁心热量，槽内轴向内风道7既可以给电机定子绕组散热，又可以带走电机转子部分散热，但由于转子热量大，体积小，散热困难，仅靠槽内轴向内风道7带走转子热量的能力有限，对转子散热效果有限，且容易造成中间温度局部过高的问题，本发明通过在转子中开设转子轴内蒸发冷却通道19，通过转子两端较大的温差，形成高温蒸发区22和低温冷凝区23和24，通过液体的相变带走转子热量，通过低温冷凝24循环利用，槽内轴向内风道7结合转子内部的蒸发冷却共同散热，可以有效的降低转子温度，起到良好的散热效果，不仅解决了大功率高速电机损耗密度大、散热困难、易发生局部温升过高的问题，且能使转子温度更加均匀，避免转子出现较大的温度梯度，防止永磁体因温度过高造成不可逆退磁，致使电机无法正常运行的现象，大大的提高的大功率高速电机的安全运行寿命
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。