[发明专利]屏蔽电机和由该屏蔽电机驱动的泵、以及使用了该屏蔽电机的火箭发动机系统和液体燃料火箭

说明书

提供一种在转子高速旋转的情况下，降低工作液的气化的屏蔽电机。屏蔽电机(10)具有配置于定子室(26)的定子(18)、配置于转子室(12)的转子(14)以及包围转子(14)的定子外壳(7)。屏蔽电机(10)还具有：定子室入口部(43)，该定子室入口部构成为供用于冷却定子(18)的冷却液流入定子室(26)；以及定子室出口部(44)，该定子室出口部构成为供冷却液从定子室(26)流出。

技术领域

本发明涉及一种屏蔽电机和由该屏蔽电机驱动的泵、以及使用了该屏蔽电机的火箭发动机系统和液体燃料火箭。

背景技术

液体燃料火箭是如下的火箭：将液态氢、液态甲烷等低沸点的推进剂(燃料)和液氧等低沸点的氧化剂(均为液体)从各个箱部输送至高压的燃烧室，在燃烧室燃烧而产生的高温的气体，并通过从喷嘴喷射该高温的气体而获得推力。通过泵将推进剂和氧化剂输送至燃烧室的泵方式有被用于液体燃料火箭的情况。

能够使用电动机，例如屏蔽电机来驱动泵。在使用了以往的屏蔽电机的泵中，电机的转子本身浸入于由泵的泵叶片输送的液体(工作液)。在电机的定子的内侧气密地嵌入有金属制或者树脂性外壳(以下，称为“定子外壳”)。在转子的外周配置有作为转子的一部分的金属制或者树脂性外壳(以下称为“转子外壳”)。定子通过定子外壳与泵输送的液体绝缘。液体进入电机内部的转子的外周，起到冷却的作用。以往，屏蔽电机用于输送不希望有工作液的泄漏的化学液体，有毒液体等。

使用了以往的屏蔽电机的泵通常以3600rpm左右的转速使工作液向转子的周围(转子外壳与定子外壳之间的间隙)流动，以利用泵的工作液作为屏蔽电机的冷却液。通过使工作液在转子的周围流动，冷却定子和转子。即，为了产生驱动转子的电磁力，定子具备电线卷线而成的电机线圈，在电机驱动时，由于对电机线圈供给电流，因此在电机线圈产生焦耳热。电机线圈卷绕于定子的硅钢板。定子的发热主要是由于硅钢板的涡电流损失的发热。当通过该焦耳热和涡电流损失使定子的温度上升时，有导致线圈、绝缘体烧损的担忧。另外，虽然转子受到定子产生的电磁作用而产生驱动力，但是转子也和定子同样因电损失而发热。由于发热导致温度上升，磁石会减磁(根据温度和磁石的种类)，有导致功率、效率降低的担忧。因此，通过使工作液向转子的周围转动，能够冷却定子和转子，避免电机的效率的降低。但是，由于定子的一部分作为电机线圈的末端部分的线圈端远离转子外壳与定子外壳之间的间隙，即远离冷却液，因此在以往也是难以冷却的位置。

然而，在使转子高速旋转(1万～10万rpm)的情况下，以往的冷却方法存在以下这样的问题。即，通过由于使转子高速旋转而在定子产生从定子进入转子周围的工作液的大量的热量和由于转子的高速旋转而在流体之间产生的旋转摩擦损失热，容易使转子周围的低沸点的工作液气化。当气化时，线圈端变得更难以冷却，会产生定子的温度上升的问题。并且，由于气化，有转子、其他的旋转体容易产生振动的问题。

在转子高速旋转(1万～10万rpm)的情况下，在以往的冷却方法中，也有以下这样的其他问题。即，因在转子外壳与定子外壳之间的间隙流动的工作液，即因冷却液导致的旋转摩擦损失非常大，泵效率降低。旋转摩擦损失是指因在处于转子表面的转子外壳与工作液(流体)之间产生的摩擦力(作用于流体的剪力)而导致的能量损失。旋转摩擦损失是指电机的输出扭矩中的摩擦力消耗的量。工作液的粘度越高，并且转子和工作液的旋转方向的相对流速越大，旋转摩擦损失越大。根据情况不同，转速可能不会增加到作为泵所需要的规格值的运转转速。

这样一来，在转子高速旋转(1万～10万rpm)的情况下，当想降低工作液的气化时，有想降低因冷却液导致的旋转摩擦损失的情况。优先解决哪个技术问题，取决于屏蔽电机的使用状态、使用目的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭52-137611号

专利文献2：日本特开平2-193546号

专利文献3：日本特开平8-200274号