CN109831047A - 一种高强度高速永磁电机转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度高速永磁电机转子结构，包括左曲轴、内部护套和右曲轴，内部护套内设置圆柱永磁体和扇环形永磁体，内部护套外设置外部护套；左曲轴和内部护套设置为一体结构，右曲轴与内部护套过盈装配于一体，外部护套与内部护套过盈装配于一体；内部护套包括外圆环和中心环，外圆环和中心环之间设置加强筋，中心环内部形成截面为圆形的永磁体槽，相邻加强筋之间形成截面为扇环形的永磁体槽；圆柱永磁体过盈配合装配于截面为圆形的永磁体槽内，扇环形永磁体过盈配合装配于截面为扇环形的永磁体槽内。本发明基于多层永磁体设计理论和组合后壁圆筒理论，采用护套增设加强筋措施，应用过盈配装工艺，具有机械强度高、电磁性能好等优点。

Description

一种高强度高速永磁电机转子结构

技术领域

本发明涉及高速永磁同步电机领域，更具体的说，是涉及一种高强度高速永磁电机转子结构。

背景技术

高速电机具有运行效率高、功率密度大等优点，逐步被成功应用于航空航天、飞轮储能、高速机床、压缩机、微型燃气轮机、电动工具等领域。尤其是将高速电机应用于传统的多机械传动应用场合，可省却变速箱、多传动轴及机械连接部件，使得整个系统在机械传动效率、可靠性和故障率等方面得到了明显的改善。因此，国内外的学术研究机构和电机研发企业也在不断加大在高速电机研发中的投入，旨在研发具有更高功率密度、效率和转速的高速电机。

在高速电机中，高速永磁电机由于具有运行效率高、功率因数高等优点，尤其是在电机功率等级低、体积小的情况下，展现了更加突出的性能优势。

相对中、低速电机，高速电机的设计更加复杂。由于高速电机的运行转速高，可达每分钟几万转、甚至几十万转，其绕组中加载的激励的频率也相应较高，电机中存在的谐波磁场会在电机的定子和转子中产生更多的铁耗，会导致电机的温升变高。同时，转子高速旋转产生的较大风磨损耗进一步提高温升。此外，由于高速电机的运行转速较高，转子高速旋转会产生较大的离心力，需要提高转子机械强度以保证高速电机安全、平稳的运行。

以上所阐述的高速电机设计所面临的特殊问题，在高速永磁电机的设计中更加复杂。一方面，高速永磁电机中由于永磁材料的存在，使得对电机的运行温度更加敏感。过高的温升所造成的较高运行温度，会降低永磁材料的性能。严重情况下，会导致永磁体不可逆退磁，损坏整台电机。较高运行温度，也会减弱高速电机转子的机械结构强度。另一方面，永磁材料难以承受较大的拉应力，需要合理设计转子结构。综合而言，转子结构的选择和设计是决定高速永磁电机设计成败的决定要素。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的技术问题，针对于现有高速永磁电机转子结构的不足，提出一种高强度高速永磁电机转子结构，具有较高的机械结构强度，能够有效提升电机的最高转速运行能力和最大功率输出能力，同时进一步提高电机的转矩密度和功率密度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明高强度高速永磁电机转子结构，包括由左至右依次设置的左曲轴、内部护套和右曲轴，所述内部护套内部设置有圆柱永磁体和扇环形永磁体，所述内部护套外部设置有外部护套；所述左曲轴和内部护套设置为一体结构，所述右曲轴与内部护套过盈配合装配于一体，所述外部护套与内部护套过盈配合装配于一体；

所述内部护套设置为两层结构，包括外圆环和中心环，所述外圆环和中心环之间均匀分布设置有加强筋，通过加强筋将外圆环和中心环连接为一体，所述中心环内部形成截面为圆形的永磁体槽，相邻所述加强筋之间形成截面为扇环形的永磁体槽；

所述圆柱永磁体过盈配合装配于截面为圆形的永磁体槽内，所述扇环形永磁体过盈配合装配于截面为扇环形的永磁体槽内。

所述内部护套设置为圆柱形，所述外部护套设置为圆环形。

所述外圆环和中心环之间均匀分布设置四个加强筋，形成四个截面为扇环形的永磁体槽，每个截面为扇环形的永磁体槽内均设置有一个扇环形永磁体。

所述内部护套和外部护套均采用钛合金或镍基合金制成。

所述圆柱永磁体和扇环形体永磁体均采用钐钴永磁材料或钕铁硼永磁材料或铁氧体永磁材料制成。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中内部护套内部设置均匀分布加强筋，可有效减小转子高速旋转时内部护套的形变，从而保证磁钢所受一定的压紧力。

(2)本发明中在内部护套外设置外部护套，是结合组合厚壁圆筒理论，在不增加转子的制造工艺和装配难度的情况下，有效提高弹性承载能力，是提高高速旋转转子机械强度的有效措施。

(3)本发明中内层护套内部设置圆柱永磁体，一方面圆柱永磁体放置于内中心，其半径较小，所受转子离心力较小；另一方面可有效抬高电机的气隙磁通密度，从而提高电机的转矩输出能力，有利于提高电机的转矩密度和功率密度。

(4)本发明将扇环形永磁体设置于内部护套的截面为扇环形的永磁体槽内，减小扇环形永磁体所受的拉应力。

(5)本发明采用双层永磁体结构设计，内层采用圆柱永磁体，外层采用扇环形永磁体，所述设计结构既可以提高电机的转矩输出能力，也能加强转子的机械结构强度。

(6)本发明采用双护套设计，内部护套的内、外层间设置加强筋，外部护套与内部护套形成多层组合结构，应用过盈装配工艺，有效增大转子的机械结构强度。

附图说明

图1是本发明高强度高速永磁电机转子结构的主剖视图；

图2是本发明高强度高速永磁电机转子结构的侧剖视图。

附图标记：1圆柱永磁体，2扇环形永磁体，3内部护套，

4外部护套，5左曲轴，6右曲轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明高强度高速永磁电机转子结构，包括由左至右依次设置的左曲轴5、内部护套3和右曲轴6，所述内部护套3内部设置有圆柱永磁体1和扇环形永磁体2，所述内部护套3外部设置有外部护套4。所述左曲轴5和内部护套3设置为一体结构，所述右曲轴6与内部护套3过盈配合装配于一体，所述外部护套4与内部护套3过盈配合装配于一体。

所述内部护套3设置为两层结构，包括外圆环和中心环，所述外圆环和中心环之间均匀分布设置有加强筋，通过加强筋将外圆环和中心环连接为一体，所述中心环内部形成截面为圆形的永磁体槽，相邻所述加强筋之间形成截面为扇环形的永磁体槽。所述圆柱永磁体1过盈配合装配于截面为圆形的永磁体槽内，所述扇环形永磁体2过盈配合装配于截面为扇环形的永磁体槽内。

其中，所述内部护套3和外部护套4均可采用钛合金或镍基合金等制成，基于不同的转子应用场合，可灵活选择护套材料，也可选用多种材料配合应用。

所述圆柱永磁体1和扇环形体永磁体2均可采用钐钴永磁材料或钕铁硼永磁材料或铁氧体永磁材料制成，基于不同的转子应用场合，可灵活选择永磁体材料，也可选用多种材料配合应用。

所述内部护套3设置为圆柱形，所述外部护套4设置为圆环形。所述加强筋的数量基于电机的最大转速和功率，可灵活设计。优选的，所述外圆环和中心环之间均匀分布设置四个加强筋，形成四个截面为扇环形的永磁体槽，每个截面为扇环形的永磁体槽内均设置有一个扇环形永磁体2。

本发明高强度高速永磁电机转子结构的装配过程如下：(1)将内部护套3放置热油中均匀加热，待温度达到预设温度，将预充磁的扇环形永磁体2装配于内部护套3的截面为扇环形的永磁体槽内，而后冷却至常温；(2)将圆柱永磁体1放置于冷却装置内进行冷却，将冷却的圆柱永磁体1装配于内部护套3的中心环内，而后放置至常温；(3)将完成以上步骤的部分转子放置热油中均匀加热，待温度达到预设温度；(4)将右曲轴6放置于冷却装置内进行冷却，冷却至预设温度后，与步骤(3)中的转子部件进行装配；(5)将外部护套4放置热油中均匀加热，待温度达到预设温度，将外部护套与步骤(4)中完成的转子部件进行装配；(6)将装配后的转子放置于充磁装置中进行充磁，且转子极数为2。

本发明高强度高速永磁电机转子结构的工作原理是：(1)内部护套3内部设置均匀分布加强筋，可有效减小转子高速旋转时护套的形变；(2)在内部护套3外设置外部护套4，基于结合组合厚壁圆筒理论，多层组合过盈装配是提高高速旋转转子机械强度的有效措施；(3)转子所用永磁体基于多层永磁体设计理论。(4)将扇环形永磁体2设置于内部护套3的截面为扇环形的永磁体槽内，减小扇环形永磁体所受的拉应力。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种高强度高速永磁电机转子结构，其特征在于，包括由左至右依次设置的左曲轴(5)、内部护套(3)和右曲轴(6)，所述内部护套(3)内部设置有圆柱永磁体(1)和扇环形永磁体(2)，所述内部护套(3)外部设置有外部护套(4)；所述左曲轴(5)和内部护套(3)设置为一体结构，所述右曲轴(6)与内部护套(3)过盈配合装配于一体，所述外部护套(4)与内部护套(3)过盈配合装配于一体；

所述内部护套(3)设置为两层结构，包括外圆环和中心环，所述外圆环和中心环之间均匀分布设置有加强筋，通过加强筋将外圆环和中心环连接为一体，所述中心环内部形成截面为圆形的永磁体槽，相邻所述加强筋之间形成截面为扇环形的永磁体槽；

所述圆柱永磁体(1)过盈配合装配于截面为圆形的永磁体槽内，所述扇环形永磁体(2)过盈配合装配于截面为扇环形的永磁体槽内。

2.根据权利要求1所述的高强度高速永磁电机转子结构，其特征在于，所述内部护套(3)设置为圆柱形，所述外部护套(4)设置为圆环形。

3.根据权利要求1所述的高强度高速永磁电机转子结构，其特征在于，所述外圆环和中心环之间均匀分布设置四个加强筋，形成四个截面为扇环形的永磁体槽，每个截面为扇环形的永磁体槽内均设置有一个扇环形永磁体(2)。

4.根据权利要求1所述的高强度高速永磁电机转子结构，其特征在于，所述内部护套(3)和外部护套(4)均采用钛合金或镍基合金制成。

5.根据权利要求1所述的高强度高速永磁电机转子结构，其特征在于，所述圆柱永磁体(1)和扇环形体永磁体(2)均采用钐钴永磁材料或钕铁硼永磁材料或铁氧体永磁材料制成。