电机转子、电机及数控机床

1.本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种电机转子、电机及数控机床。


背景技术：

2.现阶段，数控机床的高精度加工需求越来越多。对于数控机床的核心部件电主轴，其性能高低直接决定整个数控机床的精度、性能和加工质量。然而电主轴中高速电机的转子发热一直是难以解决的工程问题。首先，电机转子属于旋转体，内部没有直接接触的冷媒进行冷却，且与外界热交换的部分只有转轴的端面，一旦转轴发热，会导致转轴热伸长，导致机床加工系统精度降低。
3.传统的电机转子冷却方式，都是对转子的转轴中心进行气冷或者水冷，该种结构都是用外界冷媒流过转轴内部，带走转子热量。但是该种方式占据了原有电机的中空轴的气缸或刀具接口，还需要额外增加动密封来封锁冷却液不进入电机内部，不仅结构复杂，而且热量只能从转子转轴的两端轴端面向外传输，冷却效果较差，无法广泛应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种电机转子、电机及数控机床，以解决上述现有通过对电机转子轴中心进行气冷或者水冷来对电机转子进行冷却的方案，不仅占据了原有电机的中空轴的气缸或刀具接口，而且结构结构复杂，冷却效果较差的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种电机转子，包括用于传输电机输出转矩的转子转轴和设置于所述转子转轴外周的转子本体；其中：
7.所述转子转轴上对应所述转子本体安装的位置设置有冷却液体存储腔；
8.所述转子本体的内端与所述转子转轴的外周面密封连接，所述转子本体内开设有由其内端向其外端延伸的散热通道，且所述散热通道与所述冷却液体存储腔连通形成密封式冷却液流动空间，所述密封式冷却液流动空间内存放有冷却液，所述冷却液能够在所述电机转子的转动离心力作用下沿所述散热通道向其外端流动，以吸收所述转子本体的热量并相变为气体，实现对所述转子本体的蒸发冷却。
9.可选的，所述冷却液体存储腔为开设于所述转子转轴外周面的弧形凹槽。
10.可选的，所述转子本体为具有中心圆柱孔的柱状结构，所述转子本体通过所述中心圆柱孔套设于所述转子转轴外周，所述冷却液体存储腔为开设于所述转子转轴外周面的圆环形凹槽。
11.可选的，所述转子本体内沿其轴向间隔开设有多个所述散热通道，且任意一所述散热通道均为沿所述转子本体外端回转轮廓的径向布置的径向通道，任意一所述径向通道的内端均与所述冷却液体存储腔连通。
12.可选的，所述转子本体内还设置有多个沿其轴向间隔布置的轴向通道，任意一所述轴向通道均沿所述转子本体的轴向延伸，且任意一所述径向通道的外端均连通有至少一
个所述轴向通道。
13.可选的，任意一所述径向通道的外端均连通有两个所述轴向通道，且与同一所述径向通道连通的两所述轴向通道呈“v”型布置。
14.可选的，所述转子本体内还设置有沿其轴向延伸的轴向通道，所述轴向通道位于所述径向通道的远离所述转子转轴的一端，所述轴向通道同时与多个所述径向通道的外端连通。
15.可选的，所述转子本体内还设置有沿其轴向延伸的轴向通道，所述转子本体内沿其周向布置有多列所述径向通道，任意一列所述径向通道均包括多个沿所述转子本体轴向间隔分布的所述径向通道；
16.所述轴向通道为与所述转子转轴同轴分布的环形轴向通道，且所述环形轴向通道位于所述径向通道的外圈，所述转子本体内所有所述径向通道的外端均与所述环形轴向通道连通。
17.本发明还提出一种电机，包括如上任意一项所述的电机转子。
18.本发明还提出一种数控机床，包括如上所述的电机。
19.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
20.本发明提出的电机转子，通过在转子转轴上设置冷却液体存储腔，在转子本体上设置散热通道，并利用常规的装配方式将转子转轴与转子本体组装从而在转子转轴与转子本体的装配位置形成密封式冷却液流动空间，在密封式冷却液流动空间内装入能够受热汽化的冷却液，在电机转子高速转动时可利用离心力使冷却液传输到转子本体表面，冷却液通过与转子本体进行热交换，受热相变为气体，而由于液体存在使得气体向转子转轴汇聚，进而实现气体对外界进行散热，快速将转子本体产生的热量导出，实现了高速电机转子热量的快速传导。本发明利用冷却液的相变过程进行热量传导，加快了转子本体热量与转子转轴、外界之间的热交换速率，提高了电机运行时电机转子对外散热能力，增加了电机可靠性运行能力，进而解决了电机在长时件运行条件下，其转子对外散热不好的问题。
21.同时，本发明的电机转子，冷却机构设置于转子本体以及转子转轴与转子本体的组装位置，结构简单，其利用转子转轴与转子本体之间原本的过盈配合等组装方式即可实现密封式冷却液流动空间的密封性，整个转子中，除冷却液之外，没有增加额外的部件，冷却液也没有流入转子转轴的内部，更不存在冷却机构占用转子转轴气缸或刀具接口的问题，其结构简单，制造成本低，可广泛应用，解决了现有技术中转子热量只能从转子轴端两个端面传输的难点问题。
22.在本发明提出的一些技术方案中，还在转子本体内设置了沿转子本体轴向布置的轴向通道，冷却液在转轴离心力作用下到达径向通道的径向最外端后会继续流入轴向通道，促进冷却液在转子本体轴向上的漫布，进而提升了换热过程中冷却液与转子本体外周面的接触面积，可进一步提升转子本体的散热冷却效果。
23.另外，本发明还提出了一种电机，其包含上述的电机转子，能够实现高速电机转子快速散热，有利于提升电机的使用寿命和运行可靠性。
24.另外，本发明还提出了一种数控机床，包括如上所述的电机，具有优良散热功能的电机可提升电主轴的可靠性和稳定性，从而可进一步提升整个数控机床的精度、性能和加工质量。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例所公开的电机转子的轴向剖面示意图；
27.图2为本发明实施例所公开的电机转子的径向剖面示意图；
28.图3为本发明实施例二所公开的轴向通道的布置示意图；
29.图4为本发明实施例三所公开的轴向通道的布置示意图。
30.其中，附图标记为：
31.100、电机转子；
32.1、转子转轴；2、冷却液体存储腔；3、转子本体；31、转子外圈；4、径向通道；5、轴向通道。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的之一是提供一种电机转子，以解决现有通过对电机转子轴中心进行气冷或者水冷来对电机转子进行冷却的方案，不仅占据了原有电机的中空轴的气缸或刀具接口，而且结构结构复杂，冷却效果较差的问题。
35.本发明的另一目的还在于提供一种具有上述电机转子的电机。
36.本发明的再一目的还在于提供一种包含上述电机的数控机床。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.实施例一
39.本实施例提供一种电机转子100，包括用于传输电机输出转矩的转子转轴1和设置于转子转轴1外周的转子本体3；其中，转子转轴1上对应转子本体3安装的位置设置有冷却液体存储腔2。转子本体3的内端与转子转轴1的外周面密封连接，转子本体3内开设有由其内端向其外端延伸的散热通道，且散热通道与冷却液体存储腔2连通形成密封式冷却液流动空间，密封式冷却液流动空间内存放有冷却液，该冷却液体性质为绝缘，其能够在电机转子的转动离心力作用下沿散热通道向其外端流动，以吸收转子本体3的热量并相变(即汽化)为气体，产生的气体，由于密度低于液体，从而被冷却液排斥出转子本体3的散热流道，回归到转子转轴1的冷却液体存储腔2中，之后气体在回流至冷却液体存储腔2的过程中或在位于冷却液体存储腔2内时遇冷重新相变为冷却液，可在电机转子的转动离心力作用下继续沿散热通道向其外端流动，以吸收转子本体3在转动过程中生成的热量，如此往复循环，实现对转子本体3的蒸发冷却，可加快转子本体3热量与转子转轴1、外界之间的热交换速率。
40.本实施例中，冷却液体存储腔2为开设于转子转轴1外周面的弧形凹槽。现有的转子本体3具有多种结构形式，以转子本体3为具有中心圆柱孔的柱状结构为例，转子本体3通过其中心圆柱孔套设于转子转轴1外周，此时冷却液体存储腔2可为开设于转子转轴1外周面的圆环形凹槽；转子本体3套设于圆环形凹槽外部，并与转子转轴1通过过盈配合等机械连接方式进行连接，圆环形凹槽在轴向上被转子本体3全部覆盖，圆环形凹槽的槽壁与转子本体3的中心圆柱孔壁之间形成封闭腔体，转子本体3中的散热通道与该封闭腔体连通，形成密封式冷却液流动空间。实际操作中，本实施例中的散热通道不仅适用于上述整体式的柱状结构转子，还可以适应性地应用于其他结构转子，如鼠笼型和绕线型转子等。
41.本实施例中，散热通道可以设置一个或多个，当设置一个散热通道时，可以通过在转子本体3的内圈开设凹槽的形式实现，该凹槽在转子本体3的轴向上和径向上延伸，在径向上延伸至转子本体3外周面但不贯穿转子本体3的外周面，轴向上延伸至转子本体3的轴向两端但不贯穿转子本体3的轴向两端，以确保冷却液能够覆盖整个转子本体3的轴向，达到对转子本体3整体冷却的效果。但是考虑到这种单个散热通道的设置结构使得转子本体3呈空心结构，会影响转子本体3本身的强度，所以本实施例还是优选多个散热通道的设置方案。如图1～图4所示，转子本体3内沿其轴向间隔开设有多个散热通道，且任意一散热通道均为沿转子本体3外端回转轮廓的径向布置的径向通道4，径向通道4优选为直线型通道，组装状态下，任意一径向通道4的内端均贯穿转子本体3的中心圆柱孔壁与冷却液体存储腔2连通。任意一径向通道4的外端均延伸至转子本体3的外圆面但不贯穿转子本体3的外圆面。
42.实际操作中，为了提高转子本体3的冷却效果，优选转子本体3内均布径向通道4。比如，在转子本体3内沿其周向布置有多列径向通道4，任意一列径向通道4均包括多个沿转子本体3轴向间隔分布的径向通道4。
43.下面对本实施例上述电机转子100的工作原理作具体说明。
44.使用时需将电机转子100的转子转轴1与电机的扭矩输出端相连。在电机未启动转动的情况下，密封式冷却液流动空间内的冷却液在其重力作用下位于转子本体3下方的径向通道4内和部分冷却液体存储腔2内，在电机启动转动后，电机转子100转动，密封式冷却液流动空间内的冷却液由于受到离心力作用，沿各径向通道4径向径向向外流动，电机转子100转速越高，冷却液流动速度越高，同时越远离转子转轴1流动，一般情况下冷却液均能够达到径向通道4的最外端。在冷却液在径向通道4内径向向外流动过程中和冷却液达到径向通道4的径向最外端后，冷却液吸收转子本体3产生的热量，进而气化，产生的气体，由于密度低于液体，从而排斥出径向通道4，沿径向通道4径向向内流动以回流到冷却液体存储腔2内中，在气体回流过程中温度逐渐降低，一般在回流至冷却液体存储腔2后会重新恢复为液体，之后可再次在离心力作用下向径向通道4的径向最外端流动对转子本体3进行吸热。
45.由此可见，本技术方案提出的电机转子实质为一种具有密封式蒸发冷却机构的电机转子，其通过在转子转轴和转子本体之间装配形成密封式冷却液流动空间，并在密封式冷却液流动空间内装入能够受热汽化的冷却液，在电机转子高速转动时可利用离心力使冷却液传输到转子本体表面，冷却液通过与转子本体进行热交换，受热相变为气体，而由于液体存在使得气体向转子转轴汇聚，进而实现气体对外界进行散热，快速将转子本体产生的热量导出，实现了高速电机转子热量的快速传导。
46.本技术方案利用冷却液的相变过程进行热量传导，加快了转子本体热量与转子转
轴、外界之间的热交换速率，提高了电机运行时电机转子对外散热能力，增加了电机可靠性运行能力，进而解决了电机在长时件运行条件下，其转子对外散热不好的问题。同时本技术方案的电机转子，冷却机构设置于转子本体以及转子转轴与转子本体的组装位置，结构简单，利用转子转轴与转子本体之间原本的过盈配合等组装方式即可实现密封式冷却液流动空间的密封性，整个转子中，除冷却液之外，没有增加额外的部件，冷却液也没有流入转子转轴的内部，更不存在冷却机构占用转子转轴气缸或刀具接口的问题，其结构简单，制造成本低，可广泛应用，解决了现有技术中转子热量只能从转子轴端两个端面传输的难点问题。
47.实施例二
48.本实施例提出一种电机转子100，其在实施例一的基础上，还在转子本体3内设置了多个沿其轴向间隔布置的轴向通道5，任意一轴向通道5均沿转子本体3的轴向延伸，此处“沿转子本体3的轴向延伸”既包含轴向通道5与转子本体3的轴向平行的情况，也包含轴向通道5与转子本体3的轴向呈夹角(非90度)布置的情况。轴向通道5有利于冷却液达到径向通道4的外端后，在转子本体3轴向上的延伸，可进一步提升冷却液与转子本体3外周面的接触面积，进而提升转子本体的散热冷却效果。其中，任意一径向通道4的外端均连通有一个轴向通道5时，轴向通道5优选与转子本体3的轴向平行布置，轴向通道5和对应的径向通道4呈t型或l型布置。除此之外，任意一径向通道4的外端均连通有两个以上轴向通道5，以连接两个轴向通道5为例，如图3所示，与同一径向通道4连通的两轴向通道5呈“v”型布置。所述“v”型的夹角，即与同一径向通道4连通的两轴向通道5的夹角优选为10
°
～60
°
。一般情况下，轴向通道5靠近转子热源(若电机为永磁同步电机，则转子热源为永磁体，若电机为异步电机，则转子热源为导条)安装，以便冷却液吸收热源的热量。
49.本实施例提出的电机转子100中，密封式冷却液流动空间是由冷却液体存储腔2、所有轴向通道5和所有径向通道4构成。当电机转子100处于静止状态时，密封式冷却液流动空间中的冷却液在自重作用下流动到位于转子本体3下方的径向通道4和轴向通道5中。在电机转子100转动过程中，冷却液在转轴离心力作用下到达径向通道4的径向最外端后会继续流入轴向通道5，促进冷却液在转子本体3轴向上的漫布，进而提升了换热过程中冷却液与转子本体3外周面的接触面积，可在实施例一的基础上进一步提升转子本体3的散热冷却效果。
50.实施例三
51.本实施例提出一种电机转子100，如图4所示，本实施例中转子本体3内还设置有沿其轴向延伸的轴向通道5，轴向通道5位于径向通道4的远离转子转轴1的一端，该轴向通道5与实施例二中轴向通道5的区别在于，本实施例为连续式轴向通道，实施例二中的为间断布置的轴向通道5，除此之外，电机转子100中的其余结构和电机转子100的冷却原理均与实施例二相同，在此不再赘述。本实施例的连续式轴向通道同时与多个径向通道4的外端连通。
52.实际操作中，根据不同的冷却需求以及转子本体3本身结构的差异，上述连续式轴向通道的布置形式也是不同的。连续式轴向通道均优选为沿转子本体3的轴向延伸的长条形轴向通道，且长条形轴向通道的设置数量与转子本体3内径向通道4的设置列数相同，且长条形轴向通道与每列径向通道4一一对应设置，即同一列的径向通道4与同一长条形轴向通道相连通，如图4所示。
53.实施例四
54.本实施例提出一种电机转子100，其与实施例三的区别仅在于，任意相邻轴向通道5在转子本体3周向上相互连通，从而形成与转子转轴1同轴分布的环形轴向通道，且该环形轴向通道位于径向通道4的外圈，转子本体3内所有径向通道4的外端均与环形轴向通道连通。基于此种环形轴向通道的电机转子100，其在冷却方式以及冷却效果上均与实施例二和实施例三相同，在此不再赘述。
55.实施例五
56.本实施例提出一种电机，包括实施例一、实施例二、实施例三和实施例四中任意一项的电机转子100。该电机由于安装了上述的电机转子100，能够实现高速电机转子快速散热，有利于提升电机的使用寿命和运行可靠性。
57.上述电机一般为高速电机，即转速超过10000r/min的电机。
58.实施例六
59.本实施例提出一种数控机床，包括如实施例五所公开的电机，该电机安装于数控机床的核心部件电主轴中，具有优良散热功能的电机可提升电主轴的可靠性和稳定性，从而可进一步提升整个数控机床的精度、性能和加工质量。其中，电主轴为一种现有部件，其具体结构形式、在数控机床中的安装方式以及使用原理均为现有技术，在此不再赘述。
60.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
61.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种电机转子，其特征在于，包括用于传输电机输出转矩的转子转轴和设置于所述转子转轴外周的转子本体；其中：所述转子转轴上对应所述转子本体安装的位置设置有冷却液体存储腔；所述转子本体的内端与所述转子转轴的外周面密封连接，所述转子本体内开设有由其内端向其外端延伸的散热通道，且所述散热通道与所述冷却液体存储腔连通形成密封式冷却液流动空间，所述密封式冷却液流动空间内存放有冷却液，所述冷却液能够在所述电机转子的转动离心力作用下沿所述散热通道向其外端流动，以吸收所述转子本体的热量并相变为气体，实现对所述转子本体的蒸发冷却。2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述冷却液体存储腔为开设于所述转子转轴外周面的弧形凹槽。3.根据权利要求2所述的电机转子，其特征在于，所述转子本体为具有中心圆柱孔的柱状结构，所述转子本体通过所述中心圆柱孔套设于所述转子转轴外周，所述冷却液体存储腔为开设于所述转子转轴外周面的圆环形凹槽。4.根据权利要求3所述的电机转子，其特征在于，所述转子本体内沿其轴向间隔开设有多个所述散热通道，且任意一所述散热通道均为沿所述转子本体外端回转轮廓的径向布置的径向通道，任意一所述径向通道的内端均与所述冷却液体存储腔连通。5.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述转子本体内还设置有多个沿其轴向间隔布置的轴向通道，任意一所述轴向通道均沿所述转子本体的轴向延伸，且任意一所述径向通道的外端均连通有至少一个所述轴向通道。6.根据权利要求5所述的电机转子，其特征在于，任意一所述径向通道的外端均连通有两个所述轴向通道，且与同一所述径向通道连通的两所述轴向通道呈“v”型布置。7.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述转子本体内还设置有沿其轴向延伸的轴向通道，所述轴向通道位于所述径向通道的远离所述转子转轴的一端，所述轴向通道同时与多个所述径向通道的外端连通。8.根据权利要求4所述的电机转子，其特征在于，所述转子本体内还设置有沿其轴向延伸的轴向通道，所述转子本体内沿其周向布置有多列所述径向通道，任意一列所述径向通道均包括多个沿所述转子本体轴向间隔分布的所述径向通道；所述轴向通道为与所述转子转轴同轴分布的环形轴向通道，且所述环形轴向通道位于所述径向通道的外圈，所述转子本体内所有所述径向通道的外端均与所述环形轴向通道连通。9.一种电机，其特征在于，包括如权利要求1～8任意一项所述的电机转子。10.一种数控机床，其特征在于，包括如权利要求9所述的电机。

技术总结
本发明公开一种电机转子，通过在转子转轴上设置冷却液体存储腔，在转子本体上设置散热通道，将转子转轴与转子本体组装从而在转子转轴与转子本体的装配位置形成密封式冷却液流动空间，在密封式冷却液流动空间内装入能够受热汽化的冷却液，在电机转子高速转动时可利用离心力使冷却液传输到转子本体表面，利用冷却液的相变过程进行热量传导，加快了转子本体热量与转子转轴、外界之间的热交换速率，提高了电机运行时电机转子对外散热能力，增加了电机可靠性运行能力，进而解决了电机在长时件运行条件下，其转子对外散热不好的问题。本发明还提出了一种电机，其包含上述的电机转子。本发明还提出一种数控机床，包括如上所述的电机。包括如上所述的电机。包括如上所述的电机。


技术研发人员：曹继伟 刘家曦 张成明 李立毅
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/9/23