永磁高速电机、及其转子磁钢固定结构的制作方法

本实用新型涉及一种永磁高速电机、该电机的转子磁钢固定结构，属于电机技术领域。

背景技术：

永磁高速电机可以应用在例如曝气机、压缩机、燃气轮机直驱发电系统等场合，用来代替之前常用的使用低速异步电机加齿轮箱的组合。有着功率密度高，体积小，重量轻，效率高，可靠性高的特点。在各方面性能中都体现出独有的优势。

永磁高速电机的转子磁钢一般采用碳纤维缠绕进行固定，然而，在大功率情况下其存在以下几个技术难点：

第一，磁钢固定问题：因转子线速度高，永磁体产生的离心力大，一方面需要转子防护使得永磁体不产生大的径向位移，以产生转子触碰定子的现象，另一方面也要保证转矩的传递，以及永磁体的机械强度的可靠性；目前采用的碳纤维套筒固定磁钢的方式存在压紧力不够，高速离心力作用下，其磁钢容易与转轴之间产生间隙，产生分离现象，进而导致振动特性劣化，平衡受到威胁；由于碳纤维热涨和冷缩特性均不理想，因此，采用热涨和冷缩法不能消除间隙，不能提供很好的预紧力，高速运转时容易产生离心间隙和振动。

第二，电机散热问题，因转子损耗大，并且由于转子套筒的存在散热困难；很容易出现电机过热的情况，进而导致永磁体发生不可逆失磁。电机转速高，若电机转子设计成柔性转子，则可能存在跨越临界转速的问题，严重时，甚至会因为共振过大损坏电机。

为了避免超高速永磁电机出现过热，本领域技术人员们相继开发出了多种冷却结构，可分为空冷结构、水冷结构、油冷结构及氢冷结构。目前，空冷结构最为普遍，主要因其冷却结构最为简单，而且冷却成本最低，但其冷却效果最为一般，特别是空冷方式还会增加风磨耗，同时还伴随着较大的噪声。对于水冷结构和油冷结构来说，冷却结构大体相同，主要区别在于冷却介质，但目前的水冷结构和油冷结构都只针对于定子的冷却，并未考虑转子的冷却，因此在冷却效果上仍有待提高。

CN 206712615U公开了一种超高速永磁电机空心转子冷却结构，转轴采用空心结构，其中心孔道为转子轴向冷却水道；机座外部套装有冷却水套，冷却水套内部设有定子周向螺旋冷却水道；冷却水套一端设有进水冷却端盖，进水冷却端盖套装在转轴一端；冷却水套另一端设有出水冷却端盖，出水冷却端盖套装在转轴另一端；定子周向螺旋冷却水道依次通过进水冷却端盖及转子轴向冷却水道与出水冷却端盖相连通；在冷却水套上设置有冷却水入口和冷却水出口，冷却水入口与定子周向螺旋冷却水道的进水端相通，冷却水出口与出水冷却端盖的出水端相通。该技术方案是将对定子进行冷却的水冷却引到转轴中心孔中进行冷却。其缺点是对转子和定子之间冷却液交流处制造精度要求高、密封要求高，因此，一种结构简单便于加工制造的具有良好的冷却效果的高速永磁电机成文本领域技术人员一直追求的目标。

因此，能够使碳纤维套筒与磁钢、磁钢与转轴之间的达到理想预紧值，从而可以实现高速下转子运行平稳，无间隙和振动产生的；以及能够很好解决散热问题且易于制造生产的一种永磁高速电机，及其转子磁钢固定结构成为本领域技术人员追求的目标。

技术实现要素：

本实用新型的目的解决现有的永磁高速电机，其转子结构中磁钢预紧固定的预紧力以及预紧值小，进而容易产生离心间隙和振动的技术问题。

本实用新型的另一目的在于解决现有的永磁高速电机，现有超高速永磁电机定子和转子均采用水冷却，其结构复杂，对于转子的密封性要求过高的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种永磁高速电机，其包括转子、定子、机座和端盖；所述转子通过轴承座设在机座上，定子设在转子的外周；所述转子包括转轴、设在转轴外的磁钢以及用于固定磁钢的碳纤维套筒，其特征在于：所述转轴包括用于设置磁钢的呈里大外小的锥形段，在所述的锥形段外设置有一与之匹配的带有锥孔的并与所述锥形段过盈配合的楔形锥套，所述磁钢设在楔形锥套的外表面，在磁钢外设有碳纤维套筒，用于固定磁钢；在所述楔形锥套上设有延伸至楔形锥套内表面的油孔。

其中，为了很好冷却电机定子，所述机座包括两个设在端部的呈圆环盘状的端板；在两端板之间依次由内向外固定有内水套、外水套，在所述内水套的外表面或外水套的内表面上连续环绕设有水道壁，所述内水套和外水套插接后，相邻的所述水道壁之间形成环绕的水道。

其中，为了很好冷却电机定子，作为优选，在所述机座的两端板之间、且位于外水套外并与之间隔地设有风套，所述风套与所述外水套、以及两端板之间形成封闭的风道，在所述风道内设置有风条，所述风条的两端至端板之间留有通道；所述风条为多个且沿圆周均布；所述机座两端设有连通机座内腔体和风道的两排风孔。

其中，为了很好冷却电机转子和定子，所述转轴位于磁钢的前方位置设有扇叶，转轴的尾端中心位置设有呈盲孔状的冷却孔，在所述扇叶的前面的位置设有通向中心冷却孔的斜向风孔。所述的前方是指朝向驱动端一侧的方向。

本实用新型提供一种永磁高速电机的转子磁钢固定结构，其包括转轴、磁钢、碳纤维套筒，其特征在于，所述转轴包括用于设置磁钢的呈里大外小的锥形段，在所述的锥形段外设置有一与之匹配的带有锥孔的并与所述锥形段过盈配合的楔形锥套，所述磁钢设在楔形锥套的外表面，在磁钢外设有碳纤维套筒，用于固定磁钢；在所述楔形锥套上设有延伸至楔形锥套内表面的油孔。

其中，所述转轴锥形段和楔形锥套内表面的锥度为：1:50～1:150。

其中，在所述楔形锥套的外端设有法兰，用于磁钢的轴向限位，所述法兰上设有限制所述磁钢周向运动的限位销；在所述转轴上位于所述楔形锥套的外端设有一挡环。

其中，所述楔形锥套内表面与所述注油孔贯通处具有环形槽。

采用上述预紧结构对转子磁钢预紧方法为，首先将磁钢安装在楔形锥套的外表面，并通过楔形锥套端部法兰上的限位销使磁钢周向限位；用碳纤维在磁钢外表面进行绑扎形成碳纤维套筒，用于固定磁钢；将安装好磁钢的楔形锥套套在转轴的锥形段上，然后经楔形锥套的注油孔向楔形锥套和转轴之间注入液压油；待楔形锥套涨开后，将楔形锥套安装到位，然后停止注入高压油，完成楔形锥套与转轴之间的安装和预紧。

本实用新型由于采用上述技术方案，在永磁高速电机的转子磁钢于转轴之间加设一个楔形锥套，转轴在设置磁钢的位置为锥形段，与楔形锥套配合，可以方便楔形锥套套装在转轴上，并且使两者之间为过盈配合，由此可以先将磁钢固定在楔形锥套的外表面，在楔形锥套外固定设置挡环，再通过液压油注入到楔形锥套和转轴配合面之间，在液压油的作用下，使楔形锥套膨胀，进而与转轴安装到位，因此，其提供了可靠的预紧力，能够消除转子高速旋转时磁钢与转轴之间产生离心间隙和振动的可能性。

本实用新型进一步将机座设置为内外套嵌套的结构形式,在内水套的外表面或者外水套的内表面设置螺旋状的水道壁，从而使得水道壁之间形成水流通道,用于定子水冷却。进一步，在外水套的外面设有风套，外水套与风套之间形成风道，风道与电机的腔体连通，因此，电机腔体一侧的热风进入风道，经冷却水道冷却后，再循环汇到电机腔体的另一侧；因此机座的结构一方面保证了电机零件的固定安装的功能，同时对定子提供了有效的冷却，其加工制造简单，而对于转子是则采用风冷的结构形式，冷却转子后的热风经机座外的风道循环冷却后回到腔体内，因此其转子和定子均能够有效地散热，冷却效果甚好。

附图说明

图1 A、1B 是本实用新型的永磁高速电机的剖面示意图和端面视图；

图2是本实用新型的永磁高速电机的转子磁钢固定结构示意图；

图3是本实用新型的永磁高速电机的楔形锥套的剖视图；

图4A、4B是本实用新型的永磁高速电机的机座的剖面图和结构示意图。

其中，转子1、转轴11、锥形段12、磁钢13、磁钢端孔131、楔形锥套14、法兰141、法兰孔142、注油孔143、环形槽144碳纤维套筒15、隔磁桥16、挡环17、限位销18、扇叶19、冷却孔110、斜向风孔111、定子2、机座3、端板31、内水套32、外水套33、水道壁34、水道35、风套36 、风道37、风条38、支座39、风孔310、非驱端盖41 、驱动端端盖42、径向轴承 51、轴承座52、轴承53、轴承盖54、径向轴承55、推力轴承56、轴承57、轴承座58、轴承盖59、出线盒7。

具体实施方式

实施例1，参见图1，图中展示了本实用新型所述的永磁高速电机，其包括转子1、定子2、机座3(或称机壳)，设在两端的非驱端盖41和驱动端端盖42；其中，转子1通过轴承座设在非驱端盖41、驱动端端盖42以及机座3上，非驱端盖41固定于机座3 的端部,其包括与机座3连接的盖板以及向外延伸的呈阶梯状的两部分套筒，其里端套筒处设置有径向轴承 51，外端套筒处设有轴承座52，用于安装轴承53，在轴承53外侧设有轴承盖54；驱动端端盖42具有用于设置轴承的套筒部分，其内依次由内向外设有径向轴承55、推力轴承56和轴承57，轴承57通过轴承座58固定在驱动端端盖外端，轴承座58端部设有轴承盖59；机座3上面设有出线盒7。

定子2设在转子1磁钢的外周；转子1包括转轴11和设在转轴11外的磁钢13，转轴11通过轴承53、57、径向轴承51、55、推力轴承56固定在机座3内；碳纤维套筒15设在磁钢外用于固定磁钢13；其中，转轴11的用于设置磁钢13的位置系呈里大外小的锥形段12，在该锥形段12外设置有一与之匹配的带有锥孔的并与所述锥形段12过盈配合的楔形锥套14，磁钢13设在楔形锥套14的外表面，在磁钢13外设有碳纤维套筒15，用于固定磁钢13；在楔形锥套14上设有延伸至楔形锥套14内表面的注油孔143（图3所示），为了压力油均匀进入，在楔形锥套14内表面与注油孔143贯通的位置设有环形槽144。

进一步，结合图4A、4B，机座3包括两个设在端部的端板31，端板31呈圆环盘状，其底部设有支座39；端板31用于非驱端盖41和驱动端端盖42的固定安装；在两端板31之间依次由内向外固定有内水套32、外水套33，在所述内水套32的外表面或外水套33的内表面上连续环绕设有水道壁34，所述内水套32和外水套33插接后，相邻的所述水道壁34之间形成环绕的水道35。

所述水道35为螺旋环绕设置或者为多个U形水道。

在两端板31之间、且位于外水套33外设有风套36，风套36与外水套33、以及两端板31之间形成封闭的风道37，在所述风套36和外水套33之间设置有风条38，风条38的两端至端板31之间留有通道。所述风条38为数条沿圆周均布。风道37的两端，即在内水套32和外水套33的端部设有连通机座3内腔体和风道37的两排风孔310。机座3腔体内的热风经风孔310进入风道37，热风冷却后，由另一侧风孔310进入腔体，与腔体内定子2、转子1热交换。

转轴11位于磁钢的靠近驱动端一侧的前方位置设有扇叶19，在转轴的11尾端中心位置设有呈盲孔状的冷却孔110，在扇叶19的前面的位置设有通向中心冷却孔110的斜向风孔111。扇叶19位于靠近驱动端、磁钢13的前方，且朝向磁钢（朝向非驱动端设置），将风吹向磁钢和定子之间的缝隙；斜向风孔111设在所述扇叶19的靠近驱动端的前方；扇叶19与轴为一体结构，扇叶19凸出于转轴11圆柱表面3-6mm（优选4-5mm），扇叶19长度方向与转轴11的轴向呈一定角度k倾斜地布置，所述角度k介于23-30度之间。

如图1所示，由于转子1与定子2之间存在间隙，在转轴11旋转工作时，扇叶19将向间隙送风，使得位于间隙处的热空气被吹到间隙定子的非驱动一侧腔体内，从而将磁钢13所产生的热量及时带走，起到对磁钢13降温的作用；并经机座3上的风孔310进入风道37，经水冷却的空气在风条38的导向作用下从机座3驱动端一侧的风孔310流出。

如图2所示，所述转轴11的尾端沿轴向还形成有盲孔形式的冷却孔110，所述冷却孔110的内侧端又通过3-6个斜向风孔111连通至所述转轴11表面，在本实施例中，所述斜向风孔111的出口与所述扇叶19均位于所述间隙的同一侧（即位于所述定子靠近驱动端一侧）；为了形成较佳的换热循环，在转轴11尾端的轴承座上设有自电机腔体内部到所述转轴冷却孔110的回风通道，该部分内容在本申请人的另一公司申请的201721683880.2号实用新型专利中已经描述，此处不在赘述。

由此，上述特定结构，位于定子2外的冷却水道35对电机的定子进行冷却，同时，设在转轴11上的扇叶19向转子和定子之间的间隙之间进行风冷，机座3内的热风从一端(非驱动端)风孔310进入冷却水道35外的风道37冷却后回到机座3驱动端的腔体内；冷却水道35通过进出口接入冷却水对定子2以及风道37内热空气进行冷却。转子的冷却是通过在转轴11上设置冷却扇叶19进行冷却，热风通过设在机座外边面的冷却风道37以及尾端(非驱动端)轴承座上的回风通道回到转轴冷却孔110中，并通过斜向风孔111回到驱动端的腔体内，其能够快速降低定子2以及转子磁钢13的温度，有效提高散热效果。

实施例2,参见图2，图中展示了永磁高速电机的转子磁钢固定结构，其包括转轴11,设在转轴11表面的磁钢13,相邻极间设有隔磁桥16;在磁钢13外表面设有碳纤维套筒15，该碳纤维套筒15用于固定磁钢13；如上实施例所述,本实用新型的特点是,转轴11用于设置磁钢13的位置,系里大外小的锥形段12，在锥形段12上设置有一与之匹配的带有锥孔的并与所述锥形段12过盈配合的楔形锥套14，此时，将磁钢13设在楔形锥套14的外表面，碳纤维套筒15设在磁钢13外，用于磁钢的固定；参见图3，在楔形锥套14的端部设有延伸至楔形锥套14内表面的注油孔143，该注油孔143用于向楔形锥套14 与转轴11 之间注入高压油，从而将楔形锥套14 涨开，并将楔形锥套14 安装到位。

其中，转轴锥形段12和楔形锥套14内表面的锥度为：1:50～1:150，最好为1:60～1:100，本实施例选用的比例为1:80。

楔形锥套14与转轴11之间的预紧量根据转轴的转速、磁钢的离心力确定，一般选择0.1—1.5mm。

在楔形锥套14的外端设有法兰141，用于磁钢13的轴向限位，在法兰141上和磁钢13端面分别设有用于设置限位销18的法兰孔142和磁钢端孔131，限位销18限制磁钢13做周向运动。在所述转轴上位于所述楔形锥套14的外端设置挡环17。挡环17可以通过螺纹或者采用过盈配合与转轴11固定连接。

本实用新型上述永磁高速电机的转子磁钢通过以下方法进行预紧：

首先，将磁钢13安装在楔形锥套14的外表面，并通过楔形锥套14端部法兰141上的限位销18使磁钢13周向限位；

第二，用碳纤维在磁钢13外表面进行绑扎形成碳纤维套筒15，用于固定磁钢13；

第三，将安装好磁钢13的楔形锥套14套在转轴11的锥形段12上，然后在楔形锥套14的注油孔143（工艺油孔）向楔形锥套14和转轴11之间注入液压油。

第四，待楔形锥套14涨开后，将楔形锥套14推装到位，然后停止注入高压油，完成楔形锥套与转轴之间的安装和预紧。

由此，可以对碳纤维套筒实现再涨紧，保证了碳纤维套筒压紧力；防止电机高速运转下，因离心力太大产生离心间隙和振动，保证了电机运行低噪音。减少振动隐患，大大提高了电机的动力学特性；

以上实施例仅仅是对本实用新型进行示范说明，而非限制本申请的保护范围，本领域技术人员能够在上述实施例的基础上，进行常规的修改或替换，例如：楔形锥套和转轴之间的预紧量，改变楔形锥套的锥度，但这些修改或替换仍然应当属于本申请的保护范围。