一种永磁电机转子及其制造方法与流程

1.本发明涉及高速永磁电机领域，尤其涉及一种永磁电机转子及其制造方法。


背景技术：

2.在高速永磁电机应用领域，当转子表面线速度超过一定值时，高速永磁电 机转子一般采用分块式表贴结构，传统的表贴结构是将永磁体直接粘接在转子 轴套上，同时为了防止高速运转时，离心力使永磁体松动或脱落，永磁体外面 加非导磁金属薄壁护套过盈配合，或用非导磁金属丝、碳纤维带、玻璃纤维带 绑扎的方式来固定永磁体；
3.但上述方式存在以下缺陷：1.由于永磁体或转子轴套的加工工艺原因，永 磁体直接粘接在转子轴套上，两者接触面存在或多或少的间隙，将导致永磁粘 贴固定的可靠性降低，同时导致永磁体在转轴轴方向散热效率不足，影响磁钢 使用寿命；2、永磁电机转子中的永磁体为磁性材料，磁性材料较脆，而转子轴 套的材料一般为40cr合金钢，材料较硬不易变形，转子外层护套或绑扎带固定 永磁体都为过盈配合，永磁体会受到较大的压应力，易导致永磁体粘贴面受力 不均而损坏或产生缺陷，影响电机质量；3、在电机高速运转时，电机转子永磁 体会产生较大的涡流损耗，这些损耗会转化为热量提高电机转子温度，碳纤维 护套导热能力较差，导致磁钢通过与定子之间的气隙散热效果不佳，容易造成 永磁体高温失磁；4、热态高速运行时，转子表面碳纤维复合材料护套的环向热 膨胀系数很小，高温时几乎不发生热膨胀，而其他部件膨胀量较大，从而使接 触面上过盈量大幅增加，进而导致护套环向拉应力的大幅度增加，护套在永磁 体与磁极间隔的交接处，径向压应力变化更加剧烈，弯曲应力急剧增加，严重 威胁转子安全。因此，本发明提出一种永磁电机转子及其制造方法，以解决现 有技术中的不足之处。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种永磁电机转子及其制造方法， 通过在永磁体与转子轴套之间装配应力缓冲环，利用应力缓冲环可塑性较强特 性，能够有效增大永磁体粘贴时的接触面，提高永磁体粘贴固定的稳定性，同 时本发明的应力缓冲环能够改善永磁体粘贴面的应力分布，避免了在绑扎碳纤 维护套时以及高速运转过程中，永磁体粘贴面受力不均而引起永磁体损坏。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种永磁电机转子，包括永磁体、非导磁材料填充体、碳纤维护套、转子 轴套、应力缓冲环、转子前端环和转子后端环，所述转子轴套上装配有应力缓 冲环，所述转子前端环套设在应力缓冲环一端，所述应力缓冲环外侧设有永磁 体，所述应力缓冲环上远离转子前端环的一端套设有转子后端环，所述非导磁 材料填充体设置在永磁体上，所述碳纤维护套设置在非导磁材料填充体外侧；
7.所述应力缓冲环包括外环、中环、内环、外环缓冲齿和内环缓冲齿，所述 外环内侧设有中环，所述中环内侧设有内环，所述外环上设有外环缓冲齿，所 述内环上设有内环缓
冲齿。
8.进一步改进在于：所述外环缓冲齿在外环上呈环形阵列设有多组，多组所 述外环缓冲齿均朝向中环的外侧壁方向。
9.进一步改进在于：所述内环缓冲齿在内环上呈环形阵列设有多组，多组所 述内环缓冲齿均朝向中环的内侧壁方向。
10.进一步改进在于：所述外环缓冲齿与中环的外侧之间以及所述内环缓冲齿 与中环的内侧之间均形成有缓冲齿间隙。
11.一种永磁电机转子的制造方法，包括以下步骤：
12.步骤一：将应力缓冲环设置成由外环、中环和内环组成，并在外环和内环 上分别设置外环缓冲齿和内环缓冲齿，然后将应力缓冲环装配在转子轴套上， 并控制应力缓冲环与转子轴套之间为过盈装配；
13.步骤二：将转子前端环热套于应力缓冲环上，并将永磁体粘贴在应力缓冲 环表面，待永磁体粘贴完毕后将转子后端环热套在永磁体远离转子前端环的一 端；
14.步骤三：将非导磁材料填充体与永磁体进行装配，使其二者构成完整的圆 柱面，再将碳纤维护套与永磁体进行过盈装配，使永磁体紧固，并将永磁体与 应力缓冲环之间进行过盈配合装配；
15.步骤四：将永磁体与应力缓冲环之间的过盈配合量标记为δ1，将应力缓冲环 与转子轴套间的过盈量标记为δ2，δ1和δ2满足一下方程组(1.1)；
[0016][0017]
进一步改进在于：所述步骤一中还包括设置内环、中环和外环的厚度比， 首先将内环的厚度标记为h3，将中环的厚度标记为h2，将外环的厚度标记为h1， 内环、中环和外环的厚度比满足公示(1.2)：
[0018]
h3≤h1《h2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.2)。
[0019]
进一步改进在于：所述步骤一中，在外环和内环上分别设置外环缓冲齿和 内环缓冲齿时，还包括确定缓冲齿间隙的高度，首先将缓冲齿间隙的高度标 记为h4，缓冲齿间隙的高度h4满足公示(1.3)：
[0020][0021]
进一步改进在于：所述步骤一中，在外环和内环上分别设置外环缓冲齿和 内环缓冲齿时，还包括确定外环缓冲齿和内环缓冲齿的母齿半径和公齿半径， 首先将外环缓冲齿和内环缓冲齿的母齿半径标记为径r6，将外环缓冲齿和内环 缓冲齿的公齿半径标记为径r7，母齿半径r6与公齿半径r7满足公示(1.4)：
[0022]
r6≥r7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.4)。
[0023]
进一步改进在于：所述步骤四中的方程组(1.1)中，u
r_pm
、u
r_buffer
、u
r_sleeve
和u
r_shaft
分别为永磁体径向位移、应力缓冲环径向位移、碳纤维护套径向位移和 转子轴套径向位移；r2、r3和r4分别为碳纤维护套的内径、应力缓冲环的外径 和转子轴套的外径。
[0024]
进一步改进在于：对于所述对于永磁体、应力缓冲环和碳纤维护套，其接 触面的应力与应变满足方程(1.5)：
[0025][0026]
其中，σr、σ
θ
分别为永磁体1的径向和环向应力；r为永磁体内表面半径； εr、ε
θ
分别为永磁体的径向、环向应变；er、e
θ
分别为径向、环向弹性模量； v
θr
、v
rθ
分别为环向径向泊松系数、径向环向泊松系数；ur为径向位移。
[0027]
本发明的有益效果为：本发明的转子结构，通过在永磁体与转子轴套之间 装配应力缓冲环，利用应力缓冲环可塑性较强特性，能够有效增大永磁体粘贴 时的接触面，提高永磁体粘贴固定的稳定性，同时本发明的应力缓冲环能够改 善永磁体粘贴面的应力分布，避免了在绑扎碳纤维护套时以及高速运转过程中， 永磁体粘贴面受力不均而引起永磁体损坏；
[0028]
本发明的转子结构能够提高永磁体向转子轴套方向散热的效率，降低高速 运转过程中永磁体的温度，进而提高电机的性能及可靠性；
[0029]
本发明的通过在应力缓冲环上设置外环缓冲齿和内环缓冲齿，在热态高速 运行时，外环缓冲齿和内环缓冲齿能有效抵消其他部件的膨胀量，减小碳纤维 护套在永磁体与磁极间隔交接处的弯曲应力，保证了碳纤维护套在热态高速运 转时的有效性；同时本发明的转子结构强度高，热态高速性能稳定，所装配的 应力缓冲环结构工艺简单，加工成本较低，且容易安装。
附图说明
[0030]
图1为本发明结构剖视示意图；
[0031]
图2为本发明结构爆炸示意图；
[0032]
图3为本发明应力缓冲环结构示意图；
[0033]
图4为本发明图3中a处结构放大示意图；
[0034]
图5为本发明图4中b处结构放大示意图。
具体实施方式
[0035]
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本 实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
[0036]
根据图1-5所示，本实施例提出一种永磁电机转子，包括永磁体1、非导磁 材料填充体2、碳纤维护套3、转子轴套4、应力缓冲环5、转子前端环6和转 子后端环7，所述转子轴套4上装配有应力缓冲环5一端，所述转子前端环6套 设在应力缓冲环5，所述应力缓冲环5外侧设有永磁体1，所述应力缓冲环5上 远离转子前端环6的一端套设有转子后端环7，所述非导磁材料填充体2设置在 永磁体1上，所述碳纤维护套3设置在非导磁材料填充体2外侧；
[0037]
所述应力缓冲环5包括外环51、中环52、内环53、外环缓冲齿54和内环 缓冲齿55，所述外环51内侧设有中环52，所述中环52内侧设有内环53，所述 外环51上设有外环缓冲齿
54，所述内环53上设有内环缓冲齿55，在本发明实 施了中，外环51和内环53选择刚性相对较低、可塑性较强和热导率相对较高 的合金材料制成，由于永磁体1是粘贴在外环51上的，选择刚性相对较低、可 塑性较强和热导率相对较高的合金材料制成外环，可以使得外环51与永磁体1 过盈装配时，能够有效增大永磁体1粘贴接触面，提高永磁体1与碳纤维护套3 热量转换效率，保证了转子高速运转时永磁体1及时散热，避免永磁体发生高 温退磁；中环52选择刚性较强、可塑性较低的合金材料制成，可以起到保证应 力缓冲环5的结构强度的作用，且在本本发明实施例中，由于内环53可以充分 接触转子轴套4的圆柱面，内环不仅能够提高永磁体1向转子轴套4方向散热 的效率，降低高速运转过程中永磁体的温度，而且还能增大转子轴套4与应力 缓冲环5装配固定的稳定性，进而提高电机的性能及可靠性；
[0038]
所述外环缓冲齿54在外环51上呈环形阵列设有多组，多组所述外环缓冲 齿54均朝向中环52的外侧壁方向。
[0039]
所述内环缓冲齿55在内环53上呈环形阵列设有多组，多组所述内环缓冲 齿55均朝向中环52的内侧壁方向。
[0040]
所述外环缓冲齿54与中环52的外侧之间以及所述内环缓冲齿55与中环 52的内侧之间均形成有缓冲齿间隙56，缓冲齿间隙56可以抵消热态高速运行 时转子部件的热膨胀量，保证转子外表面碳纤维护套3的有效性。
[0041]
一种永磁电机转子的制造方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤一：将应力缓冲环5设置成由外环51、中环52和内环53组成，并在 外环51和内环53上分别设置外环缓冲齿54和内环缓冲齿55，然后将应力缓冲 环5装配在转子轴套4上，并控制应力缓冲环5与转子轴套4之间为过盈装配；
[0043]
然后设置内环53、中环52和外环51的厚度比，首先将内环53的厚度标记 为h3，将中环52的厚度标记为h2，将外环51的厚度标记为h1，内环53、中环 52和外环51的厚度比满足公示(1.2)：
[0044]
h3≤h1《h2ꢀꢀꢀꢀ
(1.2)；
[0045]
在外环51和内环53上分别设置外环缓冲齿54和内环缓冲齿55时，还包 括确定缓冲齿间隙56的高度，首先将缓冲齿间隙56的高度标记为h4，缓冲 齿间隙56的高度h4满足公示(1.3)：
[0046][0047]
在外环51和内环53上分别设置外环缓冲齿54和内环缓冲齿55时，还包 括确定外环缓冲齿54和内环缓冲齿55的母齿半径和公齿半径，首先将外环缓 冲齿54和内环缓冲齿55的母齿半径标记为径r6，将外环缓冲齿54和内环缓冲 齿55的公齿半径标记为径r7，母齿半径r6与公齿半径r7满足公示(1.4)：
[0048]
r6≥r7ꢀꢀꢀꢀ
(1.4)
[0049]
步骤二：将转子前端环6热套于应力缓冲环5上，并将永磁体1粘贴在应 力缓冲环5表面，待永磁体1粘贴完毕后将转子后端环7热套在永磁体1远离 转子前端环6的一端；
[0050]
步骤三：将非导磁材料填充体2与永磁体1进行装配，使其二者构成完整 的圆柱面，再将碳纤维护套3与永磁体1进行过盈装配，使永磁体1紧固，并 将永磁体1与应力缓冲环5之间进行过盈配合装配；
[0051]
步骤四：将永磁体1与应力缓冲环5之间的过盈配合量标记为δ1，将应力缓 冲环5与转子轴套4间的过盈量标记为δ2，δ1和δ2满足一下方程组(1.1)；
[0052][0053]
方程组(1.1)中，u
r_pm
、u
r_buffer
、u
r_sleeve
和u
r_shaft
分别为永磁体1径向位移、 应力缓冲环5径向位移、碳纤维护套3径向位移和转子轴套4径向位移；r2、r3和r4分别为碳纤维护套3的内径、应力缓冲环5的外径和转子轴套4的外径；
[0054]
对于所述对于永磁体1、应力缓冲环5和碳纤维护套3，其接触面的应力与 应变满足方程(1.5)：
[0055][0056]
其中，σr、σ
θ
分别为永磁体1的径向和环向应力；r为永磁体1内表面半径； εr、ε
θ
分别为永磁体1的径向、环向应变；er、e
θ
分别为径向、环向弹性模量； v
θr
、v
rθ
分别为环向径向泊松系数、径向环向泊松系数；ur为径向位移。
[0057]
本发明的转子结构，通过在永磁体1与转子轴套4之间装配应力缓冲环5， 利用应力缓冲环5可塑性较强特性，能够有效增大永磁体1粘贴时的接触面， 提高永磁体1粘贴固定的稳定性，同时本发明的应力缓冲环5能够改善永磁体 1粘贴面的应力分布，避免了在绑扎碳纤维护套3时以及高速运转过程中，永磁 体1粘贴面受力不均而引起永磁体1损坏；
[0058]
本发明的转子结构能够提高永磁体1向转子轴套4方向散热的效率，降低 高速运转过程中永磁体1的温度，进而提高电机的性能及可靠性；
[0059]
本发明的通过在应力缓冲环5上设置外环缓冲齿54和内环缓冲齿55，在热 态高速运行时，外环缓冲齿54和内环缓冲齿55能有效抵消其他部件的膨胀量， 减小碳纤维护套3在永磁体1与磁极间隔交接处的弯曲应力，保证了碳纤维护 套3在热态高速运转时的有效性；同时本发明的转子结构强度高，热态高速性 能稳定，所装配的应力缓冲环结构工艺简单，加工成本较低，且容易安装。
[0060]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应 该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说 明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变 化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护 范围由所附的权利要求书及其等效物界定。