CN102820742A - 电机转子 - Google Patents

Abstract

一种能在高转速时抗转子零件扩张的电机转子，包括其上开有可容纳转子条的插槽的第一和第二组叠片。一种支撑盘（也开有槽孔）置于叠片组件之间。该支撑盘（其内已插入转子条）能抑制转子条在高转子转速时向外弯曲。由于转子条的末端插入端盘的孔穴中，因此转子条在末端受到端盘的进一步约束。在一些实施方案中，约束环套在端盘的轴向扩展段上，以防在高速时向外弓弯。在可选的实施方案中，转子包括一种加强套筒以增加高转速期间的抗扩张性。

Description

电机转子

技术领域

本发明涉及电机转子的领域，更具体而言，涉及包含适合于高速运转的磁场反应式元件之类的电机转子。

背景技术

在设计驱动能力大于10万转/分速度的电机转子中，特别具有挑战性的方面涉及防止离心力使转子元件沿径向扩张，从而与连接其上的转子轴分离。在感应电机的情况下，重要的是，要防止转子元件离心扩张，避免其接触到定子元件。

转子条通常由成型于铁芯的叠片中的孔穴容纳和支撑。但是发现，在高转速时，由于产生很大的力，这些叠片缺乏足够的强度来保持住转子条。US2010/0308685描述了一组减小了直径的中央叠片，其上套有一个保持环，以增加沿转子条长度的中央位置上叠片的径向强度，从而抗径向扩张。但是，这种解决方案需要制造尺寸交替变化的叠片，并且安装抗扩张环会增加制造的复杂性和成本。因此，希望找到另一种控制转子条扩张的方法。

因此，希望为电机提供一种转子，一种制作转子的方法，旨在解决上述问题和/或提供一般改善。

发明内容

根据本发明，提供了一种按照所附权利要求描述的制造电机转子的方法。此外，根据本发明，还提供了一种电机转子，如所附权利要求中所述。

本文公布的电机转子适合在涡轮增压器和电机通常需要在明显大于10万转/分的高速运行的其他环境中使用。通常情况下，电控涡轮增压器采用高速电机来转动置于相向安装的压缩机与涡轮机之间的涡轮轴。本文公布的实施方案提供了在转子上的中央支撑盘，对转子条提供额外支撑，以尽量减少其在高速运转时的向外变形。

在本发明的实施方案中，提供了一种制造电机转子的方法，该方法包括在支撑盘的两侧装配两组转子叠片；将转子条插入在转子叠片和支撑盘中所开的槽孔内；以及为保持转子条两端的安装手段。构造和装配的支撑盘可以在高速旋转期间径向约束转子条。构造的支撑盘的径向强度明显大于叠片，使叠片保持一种优化其电气性能而不考虑径向强度的结构，利用支撑盘来确保转子条的径向变形最小化或可以忽略。

第一和第二组叠片每组最好都具有第一种厚度，支撑盘具有大于叠片第一种厚度的第二种厚度，从而支撑盘的径向强度大于叠片的径向强度。厚度大于叠片的单件支撑盘，具有明显大于叠片的径向强度。

保持转子条两端的手段最好包括位于转子条两端、其上所开的孔穴与转子条配装的端盘。

支撑盘的直径最好等于叠片的直径，为铁芯提供不变的直径，确保在旋转过程中的最佳平衡。

支撑盘最好是单个零件，从而可以优化结构和简化生产。

支撑盘最好具有电气绝缘性，以防与叠片发生电气干扰。

在本发明的另一实施方案中，提供的电机转子包括沿轴向装配的第一组叠片，即其上开有多个插槽的第一组叠片；沿轴向装配的第二组叠片，即其上开有多个插槽的第二组叠片；位于第一与第二组叠片之间、其上开有多个槽孔的支撑盘，第一和第二组叠片的插槽与支撑盘的槽孔对齐；以及容纳在多个对齐的插槽中的多个转子条。构造和装配的支撑盘在高速旋转期间沿径向约束转子条，防止转子条的径向移动。因此，这种支撑盘可以同时防止转子条和叠片的变形及损坏。

附图说明

现仅参考下列示图以举例的方式对本发明进行说明，其中：

图1A和1B为根据本发明的一个实施方案、包括在感应电机转子中的零件的分解图。

图2为包括图1A和1B中所示零件的感应电机转子总成沿其轴线的剖视图；

图3为图2中沿剖面线3－3截取的叠片的平面视图；

图4为图3中叠片孔穴的放大图，其中包含转子条；

图5为图2中沿剖面线5－5截取的中央支撑盘的平面视图；

图6为图5中包含转子条的中央支撑盘孔穴的局部放大图；

图7为直接装于转子轴上的感应电机转子总成沿其轴线的剖视图；以及

图8和图9显示的实施方案中，转子按照本发明的各种思路组装。

具体实施方式

在图1A中，感应电机转子200的主要零件包括已组装的转子元件210、约束环204和206、以及装于转子轴240上的加强套筒零件202（图2）。

在图1B和图2中所示的转子元件210包括两个端盘212和214（有时称为“平衡”环），其上开有多个孔穴112和114，并装有多个（通常19个）转子条218、以及在套件216a和216b中多个（通常65个）按轴向对齐叠放的钢叠片。中央支撑盘（本文亦称抗扩张盘）226跨中位于叠片组件216a与216b之间。转子条218穿过并被容纳和保持在钢叠片组件216a和216b的孔穴中、在支撑盘226的孔穴中、以及在端盘212和214的孔穴中。中央支撑盘226的目的是，在高速运转期间，将导致转子条218变形的离心力作用减至最小，如下将做更详细的讨论。

钢叠片216可以使用高强度的电工钢（如Hyperco 50^TM）成型，并经过热处理以提供最大强度，经过表面氧化以防叠片之间的电流损失。转子条218通常使用高强度/密度比率（比模量）和高导电性的合金（如2219Al）制成。

组装时，转子叠片组件216a和216b在支撑盘226的两侧按同轴叠放装配。转子条218分别插入（或注模）叠片216和支撑盘226中的槽孔217（217a－217s）和227（227a－227s）中。端盘212和214装于两端，转子条218的两端分别装入平衡盘212和214的孔穴112和114内。然后沿轴向将总成整体夹在一起以将叠片压缩在一起。然后将转子条218焊接到端盘212和214上。这种焊接通常采用电子束工艺，也可以采用为这种金属提供有效的高强度焊接的任意其他工艺。实施焊接工艺期间，在转子上加装散热片，以尽量减少焊接变形效应。焊接后，对转子总成210上的所有外表面和内径进行机加工，以提高内径与外径的同心度及平衡性。

机加工后，将转子总成210装入加强套筒202内。总成经过平衡后，将加强套筒202压合到转子轴240上。加强套筒202与叠片的内径之间存在一些公差，以防叠片中的预应力，此时将端盘212、214和中央支撑盘226压合到套筒202上，以在极端运行情况下，确保转子总成210固定于转子轴240上。

另一种选择是，使用高压注模工艺成型转子总成210，其中转子叠片组件216a和216b置于模具中，然后将铝熔液注入插槽217和227以成型转子条218。在此工艺中，还同时成型端盘212、214和中央支撑盘226。

端盘212和214最好采用与制造转子条218所使用的相同或类似的合金制造，以尽量减少在高速运行期间转子两端的扩张。而且，制造中央支撑盘226使用与端盘212、214和转子条218相同和类似的合金。

端盘212和214轴向定位并保持转子条218在固定的径向位置上。此外，端盘212和214的作用是抵消转子条218在旋转期间承受的离心力。为了进一步减轻高转速时产生的离心力效应，端盘212和214可以包括轴向扩展段213和215。扩展段213和215的直径小于端盘212和214的主体直径。通过减小端盘扩展段213和215的直径，可以大大减小扩展段承受的离心力，从而在整个大运行速度范围内，使其保持压合加强套筒202和转子轴240。

在一些实施方案中，由高强度钢成型的约束环204和206套住端盘212和214，以进一步确保端盘、加强套筒202和转子轴240之间压合的完整性。在图1A和图2中，约束环204和206装于端盘扩展段213和215上。

采用电控涡轮增压器设计时，电机转子通常会被拉长。即使转子条218的两端受到端盘212和214的约束，仍会担心转子条的长度（如图1B和图2所示）会导致转子条在高转速时承受作用于转子条中央部分的大离心力，使其沿径向方向向外受力，足以对转子——定子气隙产生影响。如果转子条变形太大，转子会接触到定子。

叠片216为薄盘元件，用于尽量减少会导致涡流损耗的寄生循环电流。这样，为提高这些元件的电气性能而牺牲了叠片216的强度。结果发现，在高转速时，叠片不能适当地抑制转子条的径向扩张。在一些实施方案中，对单个叠片进行表面氧化，以防止相邻叠片之间的短路，同时防止成型于叠片上的插槽表面与转子条表面之间的短路。如果向外很大的力作用于叠片上，插槽217的表面氧化物可能会磨损，最终导致叠片与转子条之间的短路。

因此，除了端盘212和214之外，沿转子条218的轴向中央位置加装中央支撑盘226，以抑制转子条218的径向扩张。支撑盘226由一个实心、单一结构的单件盘形元件构成。支撑盘226包括多个沿其周边径向向内分布的孔穴，以容纳转子条218。如图2所示，支撑盘226的轴向厚度大于叠片216的轴向厚度。支撑盘226的直径最好等于相邻叠片216的直径，这样使铁芯的直径为常数，有助于旋转期间的铁芯稳定。

支撑盘226最好采用铝合金成型，即为22系列铝合金，端盘212和214最好成型于同样的材料。构造的支撑盘226在旋转过程中能够径向约束转子条218，防止其径向扩张，它还具有明显大于叠片216的径向强度和抗径向变形性。

支撑盘226最好具有电气绝缘性。在一个实施方案中，支撑盘226涂有电气绝缘材料。另一种选择是，支撑盘226经过阳极氧化处理。在另一实施方案中，在间隔盘226与叠片216之间加装用电绝缘材料成型的绝缘间隔元件。在图2所示的实施方案中示出中央支撑盘226位于叠片组件216a与216b之间。在一个实施方案中，转子特别长成为优点，在附加的叠片组件之间加装了至少一个支撑盘。因此，在一个替代的实施方案中存在三个叠片组件，第一个支撑盘装于第一与第二个叠片组件之间，第二个支撑盘装于第二与第三个叠片组件之间。

在图2中，第一个凸缘222和轴向上的第二个凸缘223沿径向方向从加强套筒202向外凸出。在两个凸缘222与223之间的部分的直径较小。这段小直径部分为拆卸提供了一个肩部，使工具能抓紧加强套筒202。

图3为图2中沿剖面线3-3截取的叠片组件216a的剖视图，示出19个插槽217a－217s的分布。在该视图中示出围绕转子轴240的加强筒202。转子条218a－218s插入对应的插槽217a－217s中。

如图4中所见，在叠片组件216a中的插槽217a的放大视图的方向为径向。转子条218a插入插槽217a中。静止时（如图4所示），插槽217a稍大于转子条218a。气隙219存在于插槽217a与转子条218a之间。在高转速时，转子条218a扩张超出叠片组件216a，从而超出插槽217a。因此，在高速时，气隙219被转子条218a占据。气隙开口220提供一种间距，从而在相邻的牙（相邻的插槽之间叠片的径向部分）中形成两极。在图5中，沿图2中的剖面线5-5截取的通过中央支撑盘226剖面图显示19个插槽227a－227s的分布。中央支撑盘226套在压合到转子轴240的加强套筒202上。转子条218a－218s插入对应的插槽217a－217s中。如图6所示的实施方案的详情所见，中央支撑盘226的插槽227a与转子条218a之间不存在气隙，因为转子条218a和中央支撑盘226是用具有类似扩张特性的材料制成。而且，通过消除气隙，支撑盘226抑制转子条218a向外移动。

图7示出直接装在转子轴340上的转子总成300可以在不包括加强零件的环境中使用。转子总成300包括端盘312和314、多个转子条318（在此剖视图上只显示了其中一个）和按轴向对齐叠放的钢叠片组件316a和316b。中央支撑盘326位于中央，具有转子条318穿入其中的槽孔。中央磁盘326提供的刚度，可将高转速时转子条的变形减至最小。从端盘312和314轴向伸出的扩展段313和315，其直径小于端盘312和314主体的直径，以减少压合到转子轴340周围的质量。

根据一个实施方案将转子总成组装到转子轴上的程序如图8所示。在框图800中，将叠片组件216a和216b装配在支撑盘226的两侧。在框图802中，将插槽对齐，以便将转子条218a－218s穿过216a、216b和226后插入插槽内。在框图804中，将转子条218a－218s滑入端盘212和214上与转子条配装的孔穴内。在框图806中，将总成一起夹住，然后沿轴向压缩叠片。在焊接端环212和214之前，应将散热片装到转子条218上。按照本发明的一种思路，焊接工艺为电子束工艺。在框图800至808中成型转子总成210，如图8中810所标示。转子总成210焊接后，需机加工以提高其同心度和平衡性。在包括约束环204和206的实施方案中，约束环分别配装到扩展段213和215上，见框图814。在框图816中，将转子总成210压合到加强套筒202上。在一个实施方案中，只有端盘212和214和中央支撑盘226被压合到加强套筒上。叠片组件216a和216b的尺寸相对于内径稍大，以避免在组装过程中叠片开裂。在框图818中，将加强套筒202压合到转子轴240上。

在一个实施方案中，端盘、中央支撑盘和转子条由相同的材料如铝合金制成，并且采用注模法生产。在这种实施方案中，制造以叠放叠片组件216a和216b开始，如图9所示，从框图900开始。将叠片组件216a和216b置于注模内，并在成型期间保持固定，见框图902。仍旧在框图902中，模芯应置于叠片内圆中，使铝不会注入到为转子轴240和加强套筒202预留的空间内。将熔融铝合金注入模具中，见框图904。鉴于端盘、中央支撑盘和转子条已成为一个整体零件，当然不能从叠片上拆卸下来。转子总成就是将各个零件组合成型。转子总成从模具中退出之前（框图908）需经冷却（框图906）。在框图908中，将模芯从转子总成中取出。框图组910标示出成型转子总成的工艺步骤。在框图912中，对转子总成进行机加工以清除注模工艺遗留的瑕疵。此外，机加工可以提高尺寸精度，因而提高平衡性和转子总成的配装性。

在包括约束环204和206的实施方案中，约束环分别配装到端盘的扩展段上，见框图914。在框图916中，将转子总成压合到加强套筒202上。在一个实施方案中，只有端盘和中央支撑盘226被压合到加强套筒上。叠片组件216a和216b的尺寸相对于内径稍大，以避免在组装过程中叠片开裂。在框图818中，将加强套筒202压合到转子轴240上。在未使用加强套筒202的实施方案中，转子总成被直接压合到转子轴240上。

此处所示实施方案的性质只是示范，不应被视为是对本文阐明的权利要求范围的限制。

Claims (25)

1.一种制造电机转子（200）的方法，该方法包括：

装配第一组转子叠片（216a、316a）和第二组转子叠片（216b、316b）以形成位于支撑盘（226、326）两侧的叠片组件（216、316）；

将转子条（218、218a－218s）插入在转子叠片（216b、316b）和支撑盘（226、326）上所开的槽孔（217、217a－217s、227、227a－227s）中；以及

保持转子条末端（218、218a－218s）的安装手段；

其中构造和装配的支撑盘（226、326）可以在高速旋转期间径向约束转子条（218、218a－218s）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，装配的步骤中还包括步骤：

构造所述第一和第二组转子叠片（216、316）以获得第一种厚度；以及

构造支撑盘（226、326）以获得大于所述转子叠片（216、316）第一种厚度的第二种厚度，这样所述支撑盘（226、326）的径向强度将大于所述转子叠片216、316）的径向强度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，安装的步骤中还包括利用在所述端盘（212、214、312、314）上为配装所述转子条（218、218a－218s）而开的孔穴（112、114）、将端盘（212、214、312、314）装于所述转子条的末端的步骤。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，装配的步骤中还包括构造所述支撑盘（226、326）、使之直径等于所述转子叠片（216、316）直径的步骤。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，装配的步骤中还包括构造所述支撑盘（226、326）成为一个单一零件的步骤。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，装配的步骤中还包括使所述支撑盘（226、326）电气绝缘的步骤。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，插入转子条（218、218a－218s）的步骤还包括：

使用注模法将所述转子条（218、218a－218s）注入所述槽孔中；以及

在进行所述注模前，对齐所述转子叠片（216、316）和所述中央支撑盘（226、326）上的所述槽孔（217、217a－217s、227、227a－227s）。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

沿轴向夹住所述端盘（212、214、312、314）并连同所述转子叠片（216、316）和所述支撑盘（226、326）夹在其中；以及

将所述转子条（218、218a－218s）的尖端焊接到所述端盘（212、214、312、314）上。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述转子叠片（216、316）、所述转子条（218、218a－218s）、保持所述转子条（218、218a－218s）末端的所述手段、以及所述支撑盘（226、326）组成一个转子总成（210、300），该方法还包括步骤：

提供焊接期间与所述转子总成（210、300）接触的散热片。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括步骤：

机加工所述转子总成（210、300）的外表面以提高所述转子总成（210、300）在所述转子总成（210、300）旋转期间的平衡性。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，还包括将所述转子总成（210、300）压合到加强套筒（202）上的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将所述加强套筒（202）压合到所述转子轴（240、340）上的步骤。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括将所述转子总成（210、300）压合到所述转子轴（240、340）上的步骤。

14.一种电机转子（200），包括：

一种沿轴向装配的第一组叠片（216a、316a），即其上开有多个插槽（217、217a－217s）的所述第一组叠片（216a、316a）；

一种沿轴向装配的第二组叠片（216b、316b），即其上开有多个插槽（217、217a－217s）的所述第二组叠片（216b、316b）；

一种其上开有多个槽孔（227、227a－227s）的支撑盘（226、326），位于所述第一与第二组叠片（216、316）之间，并且所述第一和第二组叠片（217、217a－217s）的插槽与所述支撑盘（227、227a－227s）的槽孔对齐；以及

一组容纳于所述多个对齐的槽孔内的转子条（218、218a－218s）；其中构造和装配的所述支撑盘（226、326）可以在高速旋转期间径向约束所述转子条（218、218a－218s），以防所述转子条218、218a－218s）在径向移动。

15.根据权利要求14所述的转子，其特征在于，所述第一和第二组叠片（216、316）每组都具有第一种厚度，所述支撑盘（226、326）具有大于所述叠片（216、316）第一种厚度的第二种厚度，这样所述支撑盘（226、326）的径向强度将大于所述叠片（216、316）的径向强度。

16.根据权利要求14或15所述的转子，其特征在于，所述支撑盘（226、326）的直径等于所述叠片（216、316）的直径。

17.根据权利要求14至16之一所述的转子，其特征在于，所述支撑盘（226、326）是一个单一的零件。

18.根据权利要求14至17之一所述的转子，其特征在于，所述支撑盘（226、326）经过电气绝缘。

19.根据权利要求14至18之一所述的转子，其特征在于，还包括其上开有孔穴（112、114）的第一和第二个端盘（212、214、312、314），所述转子条（218、218a－218s）的第一个末端与所述第一个端盘的所述孔穴（112、114）配装，所述转子条（218、218a－218s）的第二个末端与所述第二个端盘的所述孔穴配装。

20.根据权利要求19所述的转子，其特征在于，所述转子条（218、218a－218s）的所述第一个末端焊接于所述第一个端盘上，所述转子条的第二个末端焊接于所述第二个端盘上。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的转子，其特征在于，还包括：

一种加强套筒（202），其上的一种转子总成（210、300）包括所述转子叠片（216、316）、所述转子条（218、218a－218s）、保持所述转子条（218、218a－218s）末端的所述手段，以及所述支撑盘（226、326）被压合到所述加强套筒（202）上；以及

一种转子轴（240、340），其上所述的加强套筒（202）被压合到所述转子轴（240、340）上。

22.根据权利要求21所述的转子，其特征在于，所述加强套筒（202）包括一种从所述加强套筒（202）沿径向向外凸出的凸缘（222、223），凸缘（222、223）之间为拆卸工具提供一个肩部。

23.根据权利要求21或22所述的转子，其特征在于，还包括：一种转子（240、340），其上所述的转子总成（210、300）被压合到所述转子轴（240、340）上。

24.一种制造电机转子的方法，如之前大致描述并参考、和/或如图1至图9所示。

25.一种电机转子，如之前大致描述并参考、和/或如图1至图9所示。

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