CN105449895A - 一种电机用轴系结构及装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机用轴系结构及装配方法，该轴系结构包括：前段轴(62)、后段轴(63)、环形磁钢(61)和合金护套(60)；其中，所述后段轴(63)从前至后依次包括第一轴节(631)和第二轴节(633)，第一轴节(631)的直径小于第二轴节(633)的直径；所述环形磁钢(61)套装于所述后段轴(63)的第一轴节上(631)；所述前段轴(62)的后端外径与所述环形磁钢(61)的外径相同；所述合金护套(60)套装于所述前段轴(62)及环形磁钢(61)上。本发明的方案，可以克服现有技术中结构复杂、装配难度大和安全性差等缺陷，实现结构简单、装配难度小和安全性好的有益效果。

Description

一种电机用轴系结构及装配方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体地，涉及一种电机用轴系结构及装配方法，尤其涉及一种超高速电机用轴系结构及装配方法。

背景技术

电机由转子和定子两部分组成，是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电机转子，是电机中的旋转部件。

通常，转速在1000rpm以上或者超过转子一阶临界转速的转子可以看作高速转子。在专利申请号为“98802132.3”的专利文献中，公开了一种高速机器用转子及其制造方法以及具有该转子的电动机。其中，如图1、图2所示，一种高速机器用转子以及其制造装置中，转子10为高速无刷直流电动机使用，以驱动一离心压缩机。转子10由磁芯12、轴套14、非磁性轴节16、磁性轴节18、间隔件17以及磁性轴承19组成。装配时，加热器11将轴套14加热至400℃～480℃，然后利用摇振工具13插入磁芯12、非磁性轴节16、间隔件17和磁性轴节18。在轴套14迅速冷却，以致轴套14在非磁性轴节16和磁性轴节18、轴套14和磁芯12的外表面周围收缩时，将高达600Mpa的轴向力施加于非磁性轴节16和磁性轴节18上，以使得所述间隔件17和磁芯12预加载而处于压缩状态。

如图3所示的高速永磁电机转子轴，采用与上述专利文献相似的技术方案。其中，转轴由三段拼接而成，磁芯为整圆柱形磁钢23，利用合金护套20与三段主轴间的过盈配合来传递扭矩，其中，第一转轴端件21和第二转轴端件22均为非导磁材料。

上述专利文献给出了一种高速转子轴的结构设计方案以及相应装配装置，但是其存在设计风险：装配时需要高温加热，为防止磁钢退磁以及保证顺利装入，允许装配时间短，需要将三个零件装入高温的合金护套20中，装配时由于磁钢的位置无定位，难以保证合金护套和前、后转轴端件、磁钢的同轴度，影响装配成功率和装配质量。

另外，专利申请号为“03826182.0”的专利文献中，也公开了一种分段转子轴的结构。如图4所示，高速运行转子轴分为三段，依靠轴套将三段短轴套紧，提供运行所需的径向力、轴向力以及扭矩。具体参见图4，高速永磁电机转子采用分段的环形磁钢54，转子也采用分段式(三段)结构，通过一根两端带螺纹的导杆51先把分段的环形磁钢54和两端端件(例如：第一端件52和第二端件53)联结在一起，再通过护套50一次性热装配完成。

但是这类技术中均有螺纹轴向锁紧，轴向锁紧时难以保证三段轴的装配同轴度，会累积疲劳应力，最终影响轴的安全性能。

现有技术中，存在结构复杂、装配难度大和安全性差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述缺陷，提出一种电机用轴系结构及装配方法，以解决三段轴热装时同轴度难以保证的问题。

本发明一方面提供一种电机用轴系结构，包括：前段轴、后段轴、环形磁钢和合金护套；其中，所述后段轴从前至后依次包括第一轴节和第二轴节，第一轴节的直径小于第二轴节的直径；所述环形磁钢套装于所述后段轴的第一轴节上；所述前段轴的后端外径与所述环形磁钢的外径相同；所述合金护套套装于所述前段轴环形磁钢上。

优选地，在所述第一轴节和第二轴节之间径向形成环状的第一台阶面，所述环形磁钢的一端抵靠于所述第一台阶面上，所述环形磁钢的另一端抵靠于所述前段轴的后端面上。

优选地，所述后段轴还包括第三轴节，位于所述第二轴节之后；所述第二轴节的直径小于第三轴节的直径，在第二轴节和第三轴节之间径向形成环状的第二台阶面；所述合金护套的一端抵靠于所述第二台阶面上。

优选地，所述前段轴包括从后至前依次设置的第一轴段和第二轴段；其中，所述第一轴段的直径小于第二轴段的直径；在所述第一轴段和第二轴段之间径向形成第三台阶面，所述合金护套的另一端抵靠于所述第三台阶面上。

优选地，所述合金护套分别与所述前段轴的第一轴段、环形磁钢、所述后段轴的第二轴节过盈配合安装。

优选地，所述合金护套的外径与所述前段轴的第二轴段、所述后段轴的第三轴节的直径相同。

优选地，所述环形磁钢被配置为在未充磁时进行装配、且在装配完成后根据预设的定位角度进行充磁。

优选地，所述环形磁钢的材料包括钕铁硼，和/或，所述合金护套的材料包括镍基合金或钛合金。

优选地，所述前段轴的前端、后段轴的后端分别具有中心孔，用于对轴系进行精磨时的定位。

优选地，所述前段轴前端的中心孔带有用于装配的螺纹。

与上述装配方法相匹配，本发明另一方面提供一种电机用轴系的装配方法，基于以上所述的电机用轴系结构，其装配步骤包括：

1)将环形磁钢套装于所述后段轴的第一轴节上，形成第一组件；

2)加热合金护套到预设温度；

3)将第一组件与合金护套装配，形成第二组件；

4)将前段轴与第二组件对接套装装配，形成第三组件，即电机用轴系结构；

其中，步骤1)、2)顺序进行，或者，步骤1)、2)同时进行。优选地，装配所述第二组件与第三组件时采用一次热装工艺完成，在所述合金护套冷却前装配前段轴。

优选地，步骤1)中，利用厌氧胶将环形磁钢粘结在所述后段轴的第一轴节上。

优选地，环形磁钢在未充磁时进行装配；在步骤4)后，对环形磁钢进行充磁。

本发明的方案，通过将前段轴、合金护套、环形磁钢和后段轴分段式组合设置，从而减少轴系零件数量、装配简单、动平衡精度易于保证，避免原有技术中诸多不足的优点。例如：可以避免原三段轴热装时，环形磁钢需在轴向跑动，装配同轴度难以保证问题；可以减少热套过盈装配时装配零件数量，降低装配难度，提高生产效率。

进一步，本发明的方案，对环形磁钢(例如：未充磁的环形磁钢)进行定位，易于保证装配同轴度，提高装配转子的装配精度，同时还减少热装零部件数量，降低装配难度，提高装配成功率和装配效率；避免三段轴热装时，环形磁钢受高温退磁风险。进一步，带螺纹中心孔的设计还可以对装配后的转轴进行精磨，二次提高整轴加工、装配精度，改善超高速电机转子的动平衡精度。例如：轴前端设计带螺纹的中心孔，加工完螺纹孔，再次精磨整轴，可以解决轴前端轴颈较小时轴颈在加工螺纹孔时的变形问题。

由此，本发明的方案，装配时可以先利用后段轴对环形磁钢(例如：未充磁的环形磁钢)进行定位，利用厌氧胶将环形磁钢粘接于后段轴，形成组件，减少热套时零件数量，降低装配难度，提高生产效率。进一步，前段轴设计的带螺纹中心孔，可以在加工完前段轴螺纹孔后利用中心孔对轴系进行支撑，再次精磨后保证整轴的同轴度，修正细段轴段螺纹加工时的变形，降低整轴的不平衡量，提高产品生产质量。从而，克服现有技术中结构复杂、装配难度大和安全性差的缺陷，实现结构简单、装配难度小和安全性好的有益效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为一现有高速机器用转子的详细结构示意图；

图2为一现有高速机器用转子制造装置的结构示意图；

图3为一现有高速永磁电机转子轴的简化结构示意图；

图4为另一现有高速运行转子的结构示意图；

图5为本发明的电机用轴系结构的优选实施例的结构示意图。

结合附图1、附图2，本发明实施例中附图标记如下：

10-转子；11-加热器；12-磁芯；13-摇振工具；14-轴套；16-非磁性轴节；17-间隔件；18-磁性轴节；19-磁性轴承。

结合附图3，本发明实施例中附图标记如下：

20-合金护套；21-第一转轴端件；22-第二转轴端件；23-整圆柱形磁钢。

结合附图4，本发明实施例中附图标记如下：

50-护套；51-导杆；52-第一转轴端件；53-第二转轴端件；54-环形磁钢。

结合附图5，本发明实施例中附图标记如下：

60-合金护套；61-环形磁钢；62-前段轴；621-第一轴段；622-第三台阶面；623-第二轴段；63-后段轴；631-第一轴节；632-第一台阶面；633-第二轴节；634-第二台阶面；635-第三轴节；64-带螺纹中心孔；65-后段轴中心孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。

根据本发明的实施例，如图5所示，提供一种电机用轴系结构。所述电机用轴系结构包括：前段轴62、后段轴63、环形磁钢61和合金护套60。其中，所述后段轴63从前至后依次包括第一轴节631和第二轴节633，第一轴节631的直径小于第二轴节633的直径；所述环形磁钢61套装于所述后段轴63的第一轴节631上。所述前段轴62的后端外径与所述环形磁钢61的外径相同。所述合金护套60套装于所述前段轴62及环形磁钢61上。此时，前段轴62的后端面与后段轴63的前端面相抵接。通过将环形磁钢61套装于后段轴63的第一轴节631上，再将合金护套60套装于所述前段轴62及环形磁钢61上，可以避免原三段轴热装时环形磁钢需在轴向跑动而导致装配同轴度难以保证的问题，减少热套过盈装配时装配零件数量，降低装配难度，提高生产效率。

由于第一轴节631的直径小于第二轴节633的直径，在第一轴节631和第二轴节633之间径向形成第一台阶面632，安装时，所述环形磁钢61的一端抵靠于所述第一台阶面632上，所述环形磁钢61的另一端抵靠于所述前段轴62的后端面上。通过将环形磁钢端面抵靠于径向环状的台阶面，可以增加环形磁钢安装、定位的可靠性，有利于提高电机运行的稳定性和安全性。

其中，环形磁钢61为电机转子所需磁钢，且被配置为：在装配时，环形磁钢未充磁，装配完主轴(即轴系)后依据定位角度对环形磁钢进行充磁。

优选地，所述合金护套60分别与所述前段轴62、环形磁钢61过盈配合安装。通过过盈配合联结，联结可靠性高，有利于提高电机运行的可靠性和安全性。

优选地，所述后段轴63还包括第三轴节635，位于所述第二轴节633之后，以方便装配和结构调整。所述第二轴节633的直径小于第三轴节635的直径，在第二轴节633和第三轴节635之间径向形成第二台阶面634(例如：优选为环状结构)。所述第二轴节633的外径与所述环形磁钢61的外径相同，所述合金护套60套装于所述前段轴62、环形磁钢61及第二轴节633上，所述合金护套60的一端抵靠于所述第二台阶面634上。通过将合金护套端面抵靠于径向环状的台阶面，可以更好地进行装配定位，增加合金护套安装的可靠性，以更好的保护环形磁钢，从而提高环形磁钢磁场的稳定性和可靠性。

优选地，合金护套60的外径与所述第三轴节635的直径相同。通过将合金护套的外径设置为与后段轴的第三轴节的直径相同，可以进一步增加装配的便捷性和运行的可靠性及高效性。

优选地，所述前段轴62包括从后至前依次设置的第一轴段621和第二轴段623，第一轴段621的直径小于第二轴段623的直径，在第一轴段621和第二轴段623之间径向形成第三台阶面622(例如：优选为环状结构)。其中，第一轴段(621)的直径与所述环形磁钢(61)的外径相同。装配时，所述合金护套60的另一端抵靠于所述第三台阶面622上。通过将前段轴分轴段设置形成台阶面，可以更好地进行装配定位，更稳固地联结于合金护套，有利于提高装配的便捷性和可靠性。

优选地，合金护套60的外径与所述第二轴段623的直径相同。通过将合金护套的外径设置为与前段轴的第二轴段的直径相同，可以进一步增加装配的便捷性和运行的可靠性及高效性。

优选地，所述合金护套60分别与所述前段轴62的第一轴段621、环形磁钢61、后段轴63的第二轴节633过盈配合安装。通过过盈配合联结，联结可靠性高，有利于提高电机运行的可靠性和安全性。

优选地，所述环形磁钢61为永磁材料。更优选地，所述环形磁钢的材料包括钕铁硼。通过选用钕铁硼等永磁材料，可以保证环形磁钢在充磁后磁场的稳定性，有利于提高电机运行的可靠性和安全性。优选地，环形磁钢采用后充磁方式，即，为避免转轴热装退磁，采用装完环形磁钢后再充磁的工艺。

优选地，所述合金护套60的材料为高强度材料；更优选地，选用镍基合金或钛合金等。通过使用高强度的合金材料，在高速旋转时，由于合金护套60的保护作用，使得永磁转子可以安全运行。

例如：所述合金护套60，可以为圆柱套形结构。通过圆柱套形结构，可以减小装配难度，提高电机运行稳定性。

优选地，前段轴62的前端具有中心孔，后段轴63的后端也具有后段轴中心孔65，用于对轴系进行精磨时的定位，以减小加工变形量，保证加工精度。通过端部中心孔的设计可以对装配后的转轴进行精磨，二次改善整轴装配的同轴度，降低整轴的不平衡量，保证轴系运行尤其是超高速运行的安全性和可靠性。

更优选地，前段轴62前端的中心孔带有用于装配的螺纹，形成带螺纹中心孔64。前段轴设计的带螺纹中心孔，可以在加工完前段轴螺纹孔后利用中心孔对轴系进行支撑，再次精磨后保证整轴的同轴度，修正细段轴段螺纹加工变形，降低整轴的不平衡量，提高产品生产质量。

例如：在前段轴62前端设置带有螺纹的中心孔，且在后段轴63后端设置常规中心孔，在主轴(即轴系)精磨时，可以先加工完前后中心孔再精磨，减小主轴(即轴系)的加工变形量，保证加工精度。

经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过将前段轴、合金护套、环形磁钢和后段轴分段式组合设置，从而减少轴系零件数量、装配简单、动平衡精度易于保证，避免了原有技术中的诸多不足。

根据本发明的实施例，还提供一种电机用轴系装配方法。该装配方法包括：

1)将环形磁钢61套装于所述后段轴63的第一轴节631上，形成第一组件；

2)加热合金护套60到指定温度；该指定温度即前述预设温度，可以根据过盈量量而定，一般可为300℃到700℃。

3)将第一组件与合金护套60装配，形成第二组件；

4)将前段轴62与第二组件对接套装装配，形成第三组件，即电机用轴系结构。

由此，通过将环形磁钢先套装于后段轴后再进行装配，易于保证装配同轴度，同时还减少热装零部件数量，降低装配难度。

其中，步骤1)、2)顺序进行，或者，步骤1)、2)同时进行；装配第二组件与第三组件时需要一次热装工艺完成，不能等合金护套冷却再装前段轴。通过一次热装工艺可以快速将前段轴与前述安装有环形磁钢的后段轴、合金护套同轴安装，安装的可靠性高，所得轴系结构的稳定性好、装配精度高。

优选地，步骤1)中，利用厌氧胶将环形磁钢粘结在所述后段轴的第一轴节上。通过粘结实现定位联结，可以更好地保证安装时的同轴度。

优选地，环形磁钢61在未充磁时进行装配；在步骤4)后，对环形磁钢61进行充磁。通过对未充磁的环形磁钢进行热套装配，可以避免加热套装时退磁，在装配完成后进行充磁，不会因为对充磁磁钢进行热套装配时由于加热而使磁钢退磁，有利于提高轴系工作的可靠性和安全性。

一般地，超高速转子设计时需要考虑提高转子的动平衡精度，以确保转子在超高速运行时的安全性能。而上述方案，与专利申请号为“98802132.3”的专利文献相比，相应的轴系结构中环形磁钢未充磁，不会有磁钢受热装高温退磁风险；并且，先将未充磁的环形磁钢装到后段轴上形成第一组件，从而将高温装配时现有技术中的3个装配件降低到2个，减小了装配难度；同时，先装好第一组件，可以对未充磁的环形磁钢进行定位，易于保证装配同轴度。

由于本实施例的装配方法所实现的处理及功能基本相应于前述轴系结构的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，对未充磁的环形磁钢进行定位，易于保证装配同轴度，提高装配转子的装配精度，同时还减少热装零部件数量，降低装配难度，提高装配成功率和装配效率；避免三段轴热装时，磁钢受高温退磁风险。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (14)

1.一种电机用轴系结构，其特征在于，包括：前段轴(62)、后段轴(63)、环形磁钢(61)和合金护套(60)；其中，

所述后段轴(63)从前至后依次包括第一轴节(631)和第二轴节(633)，第一轴节(631)的直径小于第二轴节(633)的直径；所述环形磁钢(61)套装于所述后段轴(63)的第一轴节上(631)；

所述前段轴(62)的后端外径与所述环形磁钢(61)的外径相同；

所述合金护套(60)套装于所述前段轴(62)及环形磁钢(61)上。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，在所述第一轴节(631)和第二轴节(633)之间径向形成第一台阶面(632)，所述环形磁钢(61)的一端抵靠于所述第一台阶面(632)上，所述环形磁钢(61)的另一端抵靠于所述前段轴(62)的后端面上。

3.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述后段轴(63)还包括第三轴节(635)，位于所述第二轴节(633)之后；

所述第二轴节(633)的直径小于第三轴节(635)的直径，在第二轴节(633)和第三轴节(635)之间径向形成第二台阶面(634)；

所述合金护套(60)的一端抵靠于所述第二台阶面(634)上。

4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述前段轴(62)包括从后至前依次设置的第一轴段(621)和第二轴段(623)；其中，

所述第一轴段(621)的直径小于第二轴段(623)的直径；

在所述第一轴段(621)和第二轴段(623)之间径向形成第三台阶面(622)，所述合金护套(60)的另一端抵靠于所述第三台阶面(622)上。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述合金护套(60)分别与所述前段轴(62)的第一轴段(621)、环形磁钢(61)、所述后段轴(63)的第二轴节(633)过盈配合安装。

6.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述合金护套(60)的外径与所述前段轴(62)的第二轴段(623)、所述后段轴(63)的第三轴节(635)的直径相同。

7.根据权利要求1-6之一所述的结构，其特征在于，所述环形磁钢(61)被配置为在未充磁时进行装配、且在装配完成后根据预设的定位角度进行充磁。

8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述环形磁钢(61)的材料包括钕铁硼，和/或，所述合金护套(60)的材料包括镍基合金或钛合金。

9.根据权利要求1-8之一所述的结构，其特征在于，所述前段轴(62)的前端、后段轴(63)的后端分别具有中心孔，用于对轴系进行精磨时的定位。

10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述前段轴(62)前端的中心孔带有用于装配的螺纹。

11.一种电机用轴系的装配方法，其特征在于，基于权利要求1-10任一所述的电机用轴系结构，其装配步骤包括：

1)将环形磁钢(61)套装于所述后段轴(63)的第一轴节(631)上，形成第一组件；

2)加热合金护套(60)到预设温度；

3)将第一组件与合金护套(60)装配，形成第二组件；

4)将前段轴(62)与第二组件对接套装装配，形成第三组件，即电机用轴系结构；

其中，步骤1)、2)顺序进行，或者，步骤1)、2)同时进行。

12.根据权利要求11所述的装配方法，其特征在于，装配所述第二组件与第三组件时采用一次热装工艺完成，在所述合金护套(60)冷却前装配前段轴(62)。

13.根据权利要求11或12所述的装配方法，其特征在于，步骤1)中，利用厌氧胶将环形磁钢(61)粘结在所述后段轴(63)的第一轴节(631)上。

14.根据权利要求11-13之一所述的装配方法，其特征在于，环形磁钢(61)在未充磁时进行装配；在步骤4)后，对环形磁钢(61)进行充磁。