CN111668949A - 一种用于旋转马达的转子及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于旋转马达的转子及其制造方法，它包括转子铁芯、与转子铁芯相匹配的转子外框和若干个磁钢块，转子铁芯的形状为环形，若干个磁钢块安装于转子铁芯内，且沿转子铁芯的外圈周向均匀分布，转子外框包括两个端环和若干个包覆块，两个端环分别位于转子铁芯的两端，若干块包覆块沿转子铁芯的外圈周向均匀分布，端环的外圈周向均匀分布有若干个与包覆块相对应的风叶，端环通过风叶与包覆块的端部固定连接。本发明的有益效果是：提高整体的结构强度；修正定转子气隙间磁场的分布状态，提高磁场分布正弦度，减小转矩波动；提高电机转矩系数和反电势系数，电机效率上升；能适应电机高速旋转的要求。

Description

一种用于旋转马达的转子及其制造方法
技术领域
本发明涉及马达相关技术领域，尤其是指一种用于旋转马达的转子及其制造方法。
背景技术
常规一字型内嵌中间带加强筋的转子设计中，转子铁芯由硅钢片一体式冲压而成，其中磁桥和肋部也是硅钢片。硅钢片导磁性很强，这会造成转子磁极形成导磁“自回路”：一部分磁通不会穿过定转子气隙进入定子，而是会从N极出发经过肋部、磁桥最终回到S极。这种结构存在以下缺点：1)不可避免漏磁系数的存在，因此磁钢未能得到充分利用；2)存在磁桥机械强度和漏磁系数相互矛盾的问题：磁桥宽度越宽，电机高速旋转时，由于离心力的存在，转子铁芯强度越高，会有更多磁通经过，漏磁系数越大；磁桥宽度越窄，转子铁芯强度降低，但漏磁系数减小，磁钢得到更充分利用。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中机械强度和漏磁系数相互矛盾、不可调和的不足，提供了一种机械强度和漏磁系数可调和的用于旋转马达的转子及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于旋转马达的转子，它包括转子铁芯、与转子铁芯相匹配的转子外框和若干个磁钢块，所述转子铁芯的形状为环形，若干个磁钢块安装于转子铁芯内，且沿转子铁芯的外圈周向均匀分布，所述转子外框包括两个端环和若干个包覆块，两个端环分别位于转子铁芯的两端，若干块包覆块沿转子铁芯的外圈周向均匀分布，所述端环的外圈周向均匀分布有若干个与包覆块相对应的风叶，所述端环通过风叶与包覆块的端部固定连接。
转子铁芯的形状为环形，若干个磁钢块安装于转子铁芯内，且沿转子铁芯的外圈周向均匀分布，保留了磁钢块内置式的结构优点——磁钢不易退磁、弱磁范围大等的同时，使得电机转子D轴磁路和Q轴磁路的设计相互独立，不再耦合和相互影响，减少电磁设计要考虑的因素；转子外框包括两个端环和若干个包覆块，两个端环分别位于转子铁芯的两端，若干块包覆块沿转子铁芯的外圈周向均匀分布，端环的外圈周向均匀分布有若干个与包覆块相对应的风叶，端环通过风叶与包覆块的端部固定连接，转子外框采用不导磁材料，整体结构上，通过转子外框的轴向两侧端环和径向包覆块的包覆结构使得整体结构强度得到保证，适应电机高速旋转的要求；风叶的设计有利于其跟随电机转子一起旋转时，搅动空气，产生空气旋转气流，从而冷却电机转子两侧端部电枢绕组，加快电机内部热量向外散发，同时风叶作为连接结构，连接端环和包覆块，加强整体强度；通过调整包覆块包覆的范围大小，可以调节磁场在转子圆周上的分布范围，进而影响齿槽转矩的大小和电机转子磁极的极弧系数，综上所述，本发明基本解决常规永磁电机磁钢块内置设计中结构设计和电磁设计在磁桥上的矛盾，达到了机械强度和漏磁系数可调和的目的。
作为优选，端环、包覆块、风叶与转子铁芯通过注塑形成一体。有利于提高整体的结构强度，同时端环、包覆块和风叶亦可采用铜块、不锈钢和铝块等不导磁材料通过和转子铁芯通过过盈配合连接成整体；采用不导磁材料替换磁桥和肋部避免了转子磁极形成导磁“自回路”现象。
作为优选，端环为圆环形，端环上设有若干个通孔，若干个通孔沿端环的周向均匀分布。端环留有充足的厚度，可以用作调节电机转子动平衡，通过在端环上设计通孔以调整转子的重量分布，提高动平衡精度。
作为优选，转子铁芯包括环形块、若干个连接块和若干个与连接块相对应的磁极块，若干个连接块沿环形块的外圈周向均匀分布，磁极块的内侧通过相对应的连接块与环形块固定连接，磁极块、连接块与环形块构成与磁钢块相匹配的磁钢槽，磁极块的外侧形状为弧形，且设有若干个凹槽，包覆块的内侧设有若干个与凹槽相匹配的加强筋，包覆块的外侧形状为弧形，且弧心位于环形块的中心轴线上。凹槽与加强筋的配合设计，一方面保证包覆块与磁极块包覆严密，强度得到提高，另一方面可以修正定转子气隙间磁场的分布状态，提高磁场分布正弦度，减小转矩波动；由于包覆块不导磁，没有漏磁场存在，因此磁场绝大部分经过定转子气隙，增大了气隙磁密，提高电机转矩系数和反电势系数，电机效率上升。
作为优选，环形块的外边缘设有若干个榫头，若干个榫头沿环形块的外圈周向均匀分布，磁钢槽位于相邻两个榫头之间，包覆块内侧的其中一部分设有与榫头相匹配的榫槽，包覆块内侧的其余部分与磁极块的外侧相匹配，加强筋位于包覆块内侧与磁极块外侧相匹配的部分。转子铁芯上的环形块和包覆块通过榫卯结构，大大提高了结构强度。
作为优选，转子铁芯由若干块硅钢片沿垂直方向层层叠压而成。转子铁芯由导磁性良好的硅钢片叠压而成，并与转子外框形成转子整体，通过外框的轴向两侧端环和径向包覆块的包覆结构使得整体结构强度得到保证，适应电机高速旋转的要求。
本发明还提供了一种用于旋转马达的转子的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，若干块硅钢片垂直叠压形成转子铁芯；
步骤二，将若干块磁钢块一一插入到磁钢槽内；
步骤三，将转子铁芯放置于模具中，通过注塑工艺使得转子铁芯和转子外框形成一体。
在步骤二中，磁钢块嵌入磁钢槽内，此处磁钢块的内置结构除了采用“一”字分段内嵌的结构，还可采用“V”型、“W”型、“U”型和“V一”型等其他内置结构；在步骤三中，转子外框亦可使用铜块、不锈钢和铝块等不导磁的材料通过过盈配合和转子铁芯连接成整体。
本发明的有益效果是：提高整体的结构强度；加快电机内部热量向外散发；修正定转子气隙间磁场的分布状态，提高磁场分布正弦度，减小转矩波动；提高电机转矩系数和反电势系数，电机效率上升；能适应电机高速旋转的要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是转子铁芯的结构示意图；
图3是转子外框的结构示意图；
图4是图1的径向截面图；
图5是常规的转子结构示意图；
图6常规结构的磁场分布图；
图7是本发明的磁场分布图；
图8是常规结构的气隙磁场密度表；
图9是本发明的气隙磁场密度表；
图10是常规结构的反电势曲线图；
图11是本发明的反电势曲线图；
图12是常规结构的转矩曲线图；
图13是本发明的转矩曲线图。
图中：1.转子铁芯，2.转子外框，3.端环，4.包覆块，5.风叶，6.通孔，7.环形块，8.连接块，9.磁极块，10.磁钢槽，11.凹槽，12.加强筋，13.榫头，14.榫槽，15.磁桥，16.肋部，17.D轴磁路，18.Q轴磁路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所述的实施例中，一种用于旋转马达的转子，它包括转子铁芯1、与转子铁芯1相匹配的转子外框2和若干个磁钢块，如图2所示，转子铁芯1的形状为环形，若干个磁钢块安装于转子铁芯1内，且沿转子铁芯1的外圈周向均匀分布，如图3所示，转子外框2包括两个端环3和若干个包覆块4，两个端环3分别位于转子铁芯1的两端，若干块包覆块4沿转子铁芯1的外圈周向均匀分布，端环3的外圈周向均匀分布有若干个与包覆块4相对应的风叶5，端环3通过风叶5与包覆块4的端部固定连接。端环3、包覆块4、风叶5与转子铁芯1通过注塑形成一体。端环3为圆环形，端环3上设有若干个通孔6，若干个通孔6沿端环3的周向均匀分布。
如图2所示，转子铁芯1包括环形块7、若干个连接块8和若干个与连接块8相对应的磁极块9，若干个连接块8沿环形块7的外圈周向均匀分布，磁极块9的内侧通过相对应的连接块8与环形块7固定连接，磁极块9、连接块8与环形块7构成与磁钢块相匹配的磁钢槽10，磁极块9的外侧形状为弧形，且设有若干个凹槽11，包覆块4的内侧设有若干个与凹槽11相匹配的加强筋12，包覆块4的外侧形状为弧形，且弧心位于环形块7的中心轴线上。
如图2所示，环形块7的外边缘设有若干个榫头13，若干个榫头13沿环形块7的外圈周向均匀分布，磁钢槽10位于相邻两个榫头13之间，如图3所示，包覆块4内侧的其中一部分设有与榫头13相匹配的榫槽14，如图4所示，包覆块4内侧的其余部分与磁极块9的外侧相匹配，加强筋12位于包覆块4内侧与磁极块9外侧相匹配的部分。转子铁芯1由若干块硅钢片沿垂直方向层层叠压而成。
如图1、图2和图3本发明还提供了一种用于旋转马达的转子的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，若干块硅钢片垂直叠压形成转子铁芯1；
步骤二，将若干块磁钢块一一插入到磁钢槽10内；
步骤三，将转子铁芯1放置于模具中，通过注塑工艺使得转子铁芯1和转子外框2形成一体。
工作原理：如图5所示，常规一字型内嵌中间带加强筋的转子设计中，转子铁芯1由硅钢片一体式冲压而成，其中磁桥15和肋部16也是硅钢片。硅钢片导磁性很强，这会造成转子磁极形成导磁“自回路”：一部分磁通不会穿过定转子气隙进入定子，而是会从N极出发经过肋部16、磁桥15最终回到S极。这种结构存在以下缺点：1)不可避免漏磁系数的存在，因此磁钢未能得到充分利用；2)存在磁桥机械强度和漏磁系数相互矛盾的问题：磁桥15宽度越宽，电机高速旋转时，由于离心力的存在，转子铁芯1强度越高，会有更多磁通经过，漏磁系数越大；磁桥15宽度越窄，转子铁芯1强度降低，但漏磁系数减小，磁钢得到更充分利用。
本发明由两部分组合而成：如图1所示，转子外框2和转子铁芯1，转子外框2由不导磁材料构成，转子铁芯由导磁性良好的硅钢片叠压而成。整体结构上通过转子外框2的轴向两侧端环3和径向包覆块4的包覆结构使得整体结构强度得到保证，适应电机高速旋转的要求；风叶5的设计有利于其跟随电机转子一起旋转时，搅动空气，产生旋转气流，从而冷却电机转子两侧端部电枢绕组，加快电机内部热量向外散发，同时风叶5作为连接结构，连接端环3和包覆块4，加强整体强度。
如图1和图3所示，端环3留有充足的厚度，可以用作调节电机转子动平衡，通过减重方式：在端环3上设计通孔6，调整转子重量分布，提高动平衡精度。
如图4所示，转子铁芯1的形状为环形，若干个磁钢块安装于转子铁芯1内，且沿转子铁芯1的外圈周向均匀分布，保留了磁钢块内置式的结构优点——磁钢不易退磁、弱磁范围大等的同时，使得电机转子D轴磁路17和Q轴磁路18的设计相互独立，不再耦合和相互影响，减少电磁设计要考虑的因素；通过调整包覆块4包覆的范围大小，可以调节磁场在转子圆周上的分布范围，进而影响齿槽转矩的大小和电机转子磁极的极弧系数；本发明基本解决了常规永磁电机磁钢内置设计中结构设计和电磁设计在磁桥上的矛盾：机械强度和磁桥漏磁不可调和的天然对立；本发明中，包覆块4的宽度、长度和电磁设计关联很小，几乎不考虑漏磁系数问题；凹槽11与加强筋12的配合设计，一方面保证包覆块4与磁极块9包覆严密，强度得到提高，另一方面可以修正定转子气隙间磁场的分布状态，提高磁场分布正弦度，减小转矩波动。
如图6所示，磁桥15和肋部16处有密集的磁力线分布，漏磁明显，如图7所示，包覆块4采用不导磁的材料，磁桥15处几乎内有磁力线通过，磁桥15不形成自漏磁通路径，杜绝漏磁；如图8所述，常规结构中的气隙磁密峰值为1.069T，如图9所示，本发明中的气隙磁密峰值为1.11T；如图10所示，常规结构的磁桥15下，反电势峰值为26V，如图11所示，本发明采用不导磁的包覆块4，反电势峰值为30V，高于常规设计，而且反电势波形更接近正弦波；如图12所示，常规结构中，转矩输出为1.12N*m，效率为90.76％，转矩系数为0.075N/A，如图13所示，本发明中，转矩输出为1.24N*m，效率为91.58％，转矩系数为0.083N/A，综上所述，由于包覆块4不导磁，没有漏磁场存在，因此磁场绝大部分经过定转子气隙，增大了气隙磁密，提高电机转矩系数和反电势系数，电机效率上升，和常规结构对比，本发明中，磁场分布范围更小，因此定转子之间的径向力波减小，减小电机电磁噪音。综合所述，本发明的性能指标高于常规设计。

Claims (7)

1.一种用于旋转马达的转子，其特征是，包括转子铁芯(1)、与转子铁芯(1)相匹配的转子外框(2)和若干个磁钢块，所述转子铁芯(1)的形状为环形，若干个磁钢块安装于转子铁芯(1)内，且沿转子铁芯(1)的外圈周向均匀分布，所述转子外框(2)包括两个端环(3)和若干个包覆块(4)，两个端环(3)分别位于转子铁芯(1)的两端，若干块包覆块(4)沿转子铁芯(1)的外圈周向均匀分布，所述端环(3)的外圈周向均匀分布有若干个与包覆块(4)相对应的风叶(5)，所述端环(3)通过风叶(5)与包覆块(4)的端部固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于旋转马达的转子，其特征是，所述端环(3)、包覆块(4)、风叶(5)与转子铁芯(1)通过注塑形成一体。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于旋转马达的转子，其特征是，所述端环(3)为圆环形，所述端环(3)上设有若干个通孔(6)，若干个通孔(6)沿端环(3)的周向均匀分布。
4.根据权利要求3所述的一种用于旋转马达的转子，所述转子铁芯(1)包括环形块(7)、若干个连接块(8)和若干个与连接块(8)相对应的磁极块(9)，若干个连接块(8)沿环形块(7)的外圈周向均匀分布，所述磁极块(9)的内侧通过相对应的连接块(8)与环形块(7)固定连接，所述磁极块(9)、连接块(8)与环形块(7)构成与磁钢块相匹配的磁钢槽(10)，所述磁极块(9)的外侧形状为弧形，且设有若干个凹槽(11)，所述包覆块(4)的内侧设有若干个与凹槽(11)相匹配的加强筋(12)，所述包覆块(4)的外侧形状为弧形，且弧心位于环形块(7)的中心轴线上。
5.根据权利要求4所述的一种用于旋转马达的转子，其特征是，所述环形块(7)的外边缘设有若干个榫头(13)，若干个榫头(13)沿环形块(7)的外圈周向均匀分布，所述磁钢槽(10)位于相邻两个榫头(13)之间，所述包覆块(4)内侧的其中一部分设有与榫头(13)相匹配的榫槽(14)，所述包覆块(4)内侧的其余部分与磁极块(9)的外侧相匹配，所述加强筋(12)位于包覆块(4)内侧与磁极块(9)外侧相匹配的部分。
6.根据权利要求5所述的一种用于旋转马达的转子，其特征是，所述转子铁芯(1)由若干块硅钢片沿垂直方向层层叠压而成。
7.一种用于旋转马达的转子的制造方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，若干块硅钢片垂直叠压形成转子铁芯(1)；
步骤二，将若干块磁钢块一一插入到磁钢槽(10)内；
步骤三，将转子铁芯(1)放置于模具中，通过注塑工艺使得转子铁芯(1)和转子外框(2)形成一体。
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