永磁體雙面強制冷卻型永磁調速器的製作方法

2023-05-09 06:25:57

本實用新型涉及一種力無接觸傳送、傳動軸耦合驅動及轉速調節領域，具體說涉及一種大功率高轉速電機系統調速節能的永磁體雙面強制冷卻型永磁調速器。

背景技術：

永磁調速器替代閥門擋風板控制流量，節電效益顯著。目前永磁調速器普遍存在缺陷：冷卻散熱設計不先進，排熱能力不強，永磁體溫度逐漸升高，磁渦流效應逐漸減弱，導致強負荷條件下無法長期穩定運行。永磁體無積熱且維持始終低於80℃狀態，是永磁耦合調速技術得以推廣應用的關鍵。

風冷卻方式是一種典型的永磁體冷卻方式，在磁轉盤背面或外表面固定外散熱片，擴大散熱面積以強化自然冷卻散熱能力，在功率較大時難以滿足冷卻需求。CN1140042C公開一種可調節磁耦合器，耦合器沒有散熱設計，存在永磁體消磁退磁隱患，現場應用耦合器最大功率受到限制。CN101951116A公開一種永磁調速器，調速器在磁體轉盤外表面和導體圓筒外表面上分別裝有基於自然散熱原理的散熱翅片。CN203261222U公開一種筒形永磁調速器風冷結構，該結構除導體圓筒外表面均勻設置基於自然散熱原理的外散熱翅片外，導體圓筒端面上還開有散熱孔，散熱孔外側端面設置風扇，風扇被固定在導體圓筒端面上，風扇葉片與散熱孔大小相匹配，形成從導體圓筒內側向外的軸向冷卻風。將外散熱片的自然冷卻和散熱孔-風扇強制冷卻相結合，改善了導體圓筒散熱效果，但風機葉片轉動速度不高，由此形成的負壓有限，加上導體圓筒與磁體盤之間氣隙空間小，掃過導體圓筒與磁體盤之間氣隙空間的冷卻風流量偏小，而且冷卻風流量可調控性能差，另外多出額外風扇，要額外消耗電力能源，安裝難度增加，結構變複雜。

開發結構簡單，成本低，能自適應增大冷卻風流量，高強度冷卻排熱並使永磁體溫度始終穩定低於80℃的新型永磁調速器，可以推動永磁調速裝置技術升級進程，從而能更深程度更廣範圍地挖掘電機系統永磁調速節電效益。

技術實現要素：

針對目前永磁調速器普遍存在的導體盤和磁體盤無散熱裝置，外裝散熱片實施風自然冷卻散熱存在的排熱能力不高，或輔加風機抽吸的冷卻風流量小且調控性差、結構複雜且不節能等問題，本實用新型旨在提供一種具有「磁體盤端面中心區域設置多個扇形通風孔且邊緣區域周向均布內低外高梯形翅片」結構特徵，「旋風抽吸氣隙空間內高溫氣流，冷風對流散熱速度和磁體盤轉速正相關，從永磁體內外兩側同時對流散熱，高強度強制排走永磁體生熱」技術特徵，「永磁體溫度始終低於80℃，渦感應效應恆定不變且5000kW永磁調速器能長時間使用」等綜合效果的永磁體雙面強制冷卻型永磁調速器。

永磁體雙面強制冷卻型永磁調速器，主要包括導體盤、磁體盤、眾多永磁體、眾多翅片和眾多通風孔，通風孔呈扇形狀，通風孔周向均布在磁體盤中心區域，磁體盤右端面上通風孔內弧在同一圓周上、外弧在同一圓周上、兩個圓周為以磁體盤右端面中心為圓心的同心圓，通風孔寬度為0.4～0.6倍磁體盤右端面半徑，翅片厚度為1mm～2mm、呈直角梯形狀，翅片下底長度是上底長度的1～3倍、直角腰周向均勻固定在磁體盤右端面上、直角腰和磁體盤右端面半徑線共線、上底和磁體盤右端面上的通風孔外弧所處圓周垂直相交、下底和磁體盤右端面最外圓周垂直相交，永磁體嵌入磁體盤內，永磁體左端面在磁體盤左端面上，磁體盤左端面與導體盤右端面之間存在一個氣隙空間。

高電壓等級、大功率、高轉速電機系統中長時間力負荷無接觸式傳送、轉速傳遞或扭矩傳遞可控調節場所，可以使用本實用新型。

實用新型節能經濟性能良好，成本低、結構簡單、拆裝簡單、高效緊湊、加工安裝調試便捷，永磁體冷卻效果可靠，永磁體溫度始終低於80℃，5000kW以內風冷型永磁調速器能長時間穩定使用。

附圖說明

圖1為永磁體雙面強制冷卻型永磁調速器垂直剖面圖。

圖2為永磁體雙面強制冷卻型永磁調速器磁體盤2右視圖。

圖1和圖2中，1為導體盤,2為磁體盤,3為永磁體,4為翅片，5為通風孔。

具體實施方式

下面結合附圖對實用新型作進一步的說明。

如附圖1和附圖2所示，永磁體雙面強制冷卻型永磁調速器，主要包括導體盤1，磁體盤2，眾多永磁體3，眾多翅片4和眾多通風孔5。永磁體3嵌入磁體盤2內。除永磁體3外，磁體盤2材料為導電性良好的非鐵磁性材料鋼材。導體盤1材料為導電性良好的銅材或鋁材。磁體盤2左端面與導體盤1右端面之間存在一個氣隙空間。磁體盤2可在軸套上加裝滑動軸承和調節裝置，實現導體盤1與磁體盤2之間氣隙空間寬度調節，即導體盤1右端面與磁體盤2左端面之間水平方向間距調節，以改變磁力線作用面積，最終實現調速功能。

通風孔5呈扇形狀，通風孔5周向均布在磁體盤2端面中心區域，數量為3～8個。磁體盤2右端面上通風孔5內弧在同一圓周上，外弧在同一圓周上，兩個圓周為以磁體盤2右端面中心為圓心的同心圓。通風孔5寬度為0.4～0.6倍磁體盤2右端面半徑。通風孔5設置不影響磁體盤2與風機、水泵或壓縮機負載軸的連接，也不影響磁體盤2永磁體3的布置。相鄰兩通風孔5間壁寬度能保證磁體盤2轉動所必須承受的機械強度。磁體盤2設置通風孔5,一方面可以供氣隙空間內熱風軸向流出氣隙空間，另一方面可以有效減輕磁體盤2重量，提高扭矩傳遞效率，減少對軸及軸承的徑向危害。

翅片4為由厚1mm～2mm薄銅片或薄鋁片加工製成的散熱翅片。翅片4呈直角梯形狀，翅片4下底長度是上底長度的1～3倍，翅片4直角腰周向均勻固定在磁體盤2右端面上，翅片4垂直於磁體盤2右端面，向翅片4直角腰和磁體盤2右端面半徑線共線，翅片4呈向外均勻輻射狀固定在磁體盤2右端面上，翅片4上底和磁體盤2右端面上的通風孔5外弧所處圓周垂直相交，翅片4下底和磁體盤2右端面最外圓周垂直相交。

永磁體3呈扇形、矩形、橢圓形或圓形。磁體盤2左端面開有眾多安裝孔，永磁體3固定在安裝孔內，嵌入磁體盤2的永磁體3左端面在磁體盤2左端面上，永磁體3周圍的磁體盤2材料為鋼材以封閉磁場。永磁體3嵌入磁體盤2時，按「磁體異極相鄰安裝」原則安裝，最大限度減少永磁體3磁力線之間幹擾影響。

導體盤1通過軸套軸承和電機主軸相連接，磁體盤2通過軸套軸承和風機、水泵或壓縮機負載轉軸相連接。磁體盤2上永磁體3分N、S極相鄰排布，磁力先穿過相對應的導體盤1,當兩者之間相對運動時，導體盤1分別切割磁力線，在導體盤1中產生渦電流，渦電流進而產生反感磁場，阻止兩者之間的相對運動，從而實現兩者之間的扭矩傳遞。電機主軸帶動導體盤1旋轉時，磁體盤2永磁體3產生的磁力線對導體盤1進行磁力線切割，在導體盤1內形成交變渦電流，從而產生對應的感應磁場，形成相互作用的磁極，從而帶動磁體盤2同向轉動，實現動力無接觸傳送、柔性啟動、無級變速並能隔離振動，可重複的、可調整的、可控制的輸出扭矩和轉速，調速節能等目的。兩者之間穿過的磁場強度越大，相對運動越快，轉速差越大，傳遞扭矩也就越大。

翅片4既提供強化磁體盤2右端面散熱的擴展散熱表面，又驅動磁體盤2右斷面附近區域空氣高速旋轉流動。翅片4厚1mm～2mm能承受驅動空氣高速旋轉時承受的扭矩作用而不致於受損變形。隨磁體盤2一起高速旋轉的翅片4在快速冷卻永磁體3右端面同時，驅動磁體盤2右端面外側空氣作同向等速旋轉流動，形成圓錐體狀空氣高速旋流流動區域，高速旋流風使得磁體盤右端面通風孔區域即錐頂區域呈現一定負壓，該負壓強有力地抽吸氣隙空間內因吸收永磁體3全部生熱而形成的大量熱風，外界等量冷風從磁體盤2邊緣快速流入氣隙空間內，冷風快速流過氣隙空間即快速冷卻永磁體3左端面，使氣隙空間內始終無積熱，永磁體3溫度始終低於80℃，保證永磁渦流感應效應始終不減弱，從而保持始終穩定不變的負載軸轉速。

本實用新型通風孔5可以開設在導體盤1端面中心區域上。

本實用新型結構特徵、技術特徵及其有益綜合效果詳細描述如下：

實用新型結構特徵是「磁體盤端面中心區域設置多個扇形通風孔且邊緣區域周向均布內低外高梯形翅片」。實用新型磁體盤2端面中心區域被鏤空成通風孔5，邊緣區域設計成「永磁體3-鋼板」結構，永磁體3外表面接氣隙空間、鋼板外表面接翅片4，翅片4為沿磁體盤2右端面半徑線呈向外均勻輻射狀布置的系列翅片4，翅片4內低外高。目前常規永磁調速器永磁體背面布置矩形翅片者居多,通常是盤或圓筒的一面塞進永磁體,另一面布滿了矩形翅片，翅片僅僅拓展了永磁體背後鋼板散熱表面積，通過翅片的散熱以自然對流散熱途徑為主，散熱速度跟不上永磁體生熱速度，在大功率高轉速條件下避免不了永磁體升溫退磁問題。CN203261222U導體圓筒外表面均勻布滿了矩形翅片，翅片高速轉動形成不了負壓區，更談不上驅動導體圓筒和磁體盤之間氣隙空間熱風順利流出，翅片主要功能僅僅是以自然對流方式帶走導體圓筒吸熱。CN203261222U導體圓筒端面中心區域開設了通風孔，但通風孔口外側正對的是輔助風機，吸引一定量的冷風掃過整個永磁調速器，可完成一定量的永磁調速器整體散熱冷卻任務，但風機轉速恆定，在導體圓筒端面中心區域內形成的負壓小，難以抽吸出氣隙空間內大量熱風，另外使永磁調速器結構變複雜，額外增加風機電力消耗，降低了永磁調速器節能效益。本實用新型磁體盤2端面中心區域鏤空設計，能將翅片4驅動的旋風負壓抽吸力作用到氣隙空間內，進而使氣隙空間內熱風順利流出。鋼板導熱性能良好，能將永磁體3生熱快速傳遞到鋼板外表面。輻射狀布置的翅片內低外高，在磁體盤右端面附近形成圓錐狀高速旋流氣流，負壓值最大的錐頂落在磁體盤2端面中心區域即通風孔區域，強化了氣隙空間內散熱，即加快永磁體3外表面對流散熱速度。翅片4轉動驅動的高速旋流氣流也會高速掃過翅片4表面，用強制對流換熱過程替代常規永磁體背面翅片自然對流換熱過程，無疑提高了氣壁對流換熱係數，強化了翅片4散熱功能。翅片4既是永磁體3背面拓展散熱體，又為錐形旋風區形成提供原動力，即永磁體3外表面強制對流換熱動力。翅片4提供了永磁體3生熱散失的原動力。由翅片4驅動的排走永磁體3生熱具有「排熱過程自啟動、排熱速度自適應調整」兩個特徵。磁體盤2轉動時，永磁體3開始生熱即開始需要排熱，此時錐形旋風區已形成並開始發揮排熱功能，無需額外風機作用。此後磁體盤2轉速越快，永磁體渦感應生熱越多，錐形旋風旋流強度越大，和鋼板連接的翅片4對流散熱也越多，氣隙空間熱風流出帶熱也越多，永磁體3生熱和散熱達到動態平衡，永磁體3溫度始終處於低於80℃溫度狀態。排走永磁體3全部生熱相關的永磁體3、眾多翅片4和眾多通風孔5全部集中於磁體盤2一體，使磁體盤2為新型高度緊湊式等溫永磁體盤。實用新型技術特徵一是旋風抽吸氣隙空間內高溫氣流；二是自啟動永磁體3強制對流散熱；三是永磁體3生熱散失速度和磁體盤2轉速正相關；四是從永磁體內外兩側同時強制對流散熱；五是高強度強制排走永磁體生熱。實用新型結構特徵和技術特徵直接形成的有益綜合效果一是永磁體溫度始終低於80℃；二是永磁渦感應強度恆定不變，扭矩及轉速恆定不變；三是風冷型永磁耦合器功率上限能提高到5000kW等。

高電壓等級、大功率、高轉速電機系統中力負荷傳遞、轉速傳遞或扭矩傳遞可控調節工業應用，電機系統永磁耦合調速節能新裝置加工製造，風機、水泵、壓縮機及電力拖動裝置永磁耦合調速節能技術改造等場所，均可以使用本實用新型。

工業應用表明：實用新型結構簡單、拆裝簡單、高效緊湊、加工安裝調試便捷，排熱能力強，永磁體冷卻效果可靠，傳遞扭矩大，永磁體溫度始終低於80℃，負載軸轉速恆定不變，5000kW以內電機系統風冷型永磁調速器及耦合器能長期穩定使用，替代閥門擋風板調控流量裝置使用時相對節電率高達45％。