一种具备高稳定性转子组件的电机及其控制方法与流程

本发明涉及一种转子组件,更具体地说，它涉及一种具备高稳定性转子组件的电机。

背景技术：

1、现有技术中，转子铁芯、换向器等部件依次套设于转轴上完成装配，受零件加工公差、装配间隙以及电机运行过程中热胀冷缩、交变载荷的影响，转子组件各部件易沿转轴轴向产生窜动位移。轴向窜动一方面会导致换向器与电刷的接触状态不稳定，加剧换向火花与电刷磨损，严重时甚至引发换向失效；另一方面会使转子铁芯与定子之间的轴向相对位置发生偏移，破坏气隙磁场的均匀性，加剧电机振动与噪音。目前部分方案通过加装普通平垫片填补装配间隙，但平垫片不具备弹性补偿能力，无法提供持续稳定的轴向预紧力，在长期振动、温度波动的工况下，间隙会再次出现，难以从根本上抑制轴向窜动问题。

2、与此同时，现有转子铁芯多由多片转子冲片轴向叠压成型，冲片外缘开设磁钢安装槽用于嵌装磁钢。传统磁钢安装槽多为直槽或简单开口槽结构，为保证磁钢顺利装配，槽体与磁钢之间需预留一定装配间隙，电机高速运转时，磁钢易在槽内发生周向、径向的微幅窜动与碰撞，产生明显的机械噪音与电磁噪音，同时会造成气隙磁场畸变，降低电机运行平稳性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种低噪音、长寿命的具备高稳定性转子组件的电机。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种具备高稳定性转子组件的电机，包括壳体、定子组件和转子组件，所述转子组件包括转轴、套设于转轴上的转子铁芯、设于转子铁芯两端的绝缘结构、设于转轴上的换向器、套设于转换器与转子铁芯之间的波形垫片以及套设于转轴上的绝缘结构，所述波形垫片的一侧抵靠于换向器的端面，另一侧抵靠于绝缘结构，用于提供轴向预紧力以限制转子组件沿转轴方向的轴向窜动。

3、本发明进一步设置为：所述转子铁芯由多个转子冲片沿轴向叠压而成，所述转子冲片的外缘沿周向均匀设有多个磁钢安装槽，相邻两个所述磁钢安装槽之间形成磁极部，所述磁极部上开设有沿径向延伸的减振槽，所述减振槽将磁极部分为对称的两半体。

4、本发明进一步设置为：所述减振槽的底端至转子冲片中心的距离不大于磁钢安装槽的底端至转子冲片中心的距离。

5、本发明进一步设置为：所述绝缘结构包括套设于转轴上且分别位于转子铁芯轴向两端的第一绝缘纸层和第二绝缘纸层，所述第一绝缘纸层和所述第二绝缘纸层分别覆盖转子铁芯两端的端面，所述波形垫片抵靠于所述第一绝缘纸层或所述第二绝缘纸层的外侧面。

6、本发明进一步设置为：所述波形垫片为波形弹性垫圈，所述波形弹性垫圈的窄周边圈部，所述波形弹性垫圈的窄周边圈部朝向换向器的一侧向外设有多个限位凸块，所述换向器的端面对应设有多个限位槽，所述限位凸块嵌入限位槽内以防止波形弹性垫圈相对换向器产生周向转动。

7、本发明进一步设置为：所述磁钢安装槽为燕尾槽结构，所述燕尾槽内安装有磁钢体，所述减振槽在外力作用下被扩张时能使所述两半体分别向两侧发生弹性形变，从而消除磁钢体与燕尾槽侧壁之间的间隙并使半体扣紧于磁钢体上。

8、本技术还提供了一种具备高稳定性转子组件的电机控制方法，操作步骤如下：

9、s1、装配预紧校准：转子组件装配过程中，对波形垫片施加轴向压装力以形成设定轴向预紧力，限制转子组件轴向窜动，对磁钢安装槽内的磁钢体执行预紧装配，利用减振槽的弹性形变消除磁钢体与磁钢安装槽的装配间隙；

10、s2、启动前状态自检：电机通电启动前，检测转子轴向初始窜动量、换向器周向装配位置与空载基准参数，校验转子组件的装配有效性；

11、s3、运行过程闭环调控：电机运行时，实时采集转子轴向位移信号与径向振动信号，结合波形垫片的弹性预紧特性抑制轴向窜动，结合减振槽的吸能特性与电流调控抑制磁极径向振动；

12、s4、状态监控与故障保护：实时监测磁钢预紧状态与换向器周向限位状态，检测到状态异常时执行预警、降功率或停机保护。

13、本发明进一步设置为：所述步骤s3中轴向窜动抑制具体为：实时采集转子轴向位移、电驱电流波动与转速信号，解析轴向窜动的幅值、频率与变化趋势；

14、设定轴向窜动量的三级阈值范围：正常区间≤0.08mm，预警区间为0.08mm～0.15mm，故障区间＞0.15mm；

15、当窜动量处于正常区间时，依靠波形垫片的固有弹性预紧力自适应抵消小幅轴向载荷波动；

16、当窜动量处于预警区间时，调整电枢电流的轴向分量，改变定转子之间的轴向电磁吸力，与波形垫片的弹性力形成复合预紧效果；

17、当窜动量处于故障区间时，判定波形垫片疲劳失效或装配松动，执行降功率运行并触发一级预警。

18、本发明进一步设置为：所述步骤s3中磁极径向振动抑制具体为：实时采集电机机壳的径向振动加速度信号与定子电流谐波，识别磁极部的振动频率与幅值；

19、设定径向振动加速度的三级阈值范围：正常区间≤20m/s2，预警区间为20m/s2～40m/s2，故障区间＞40m/s2；

20、当振动加速度处于正常区间时，依靠减振槽的形变吸能作用被动消耗磁极振动能量；

21、当振动加速度处于预警区间时，向定子绕组注入抵消性电流谐波，抵消磁极振动的主激励频率，协同减振槽抑制振动幅值；

22、当检测到振动接近共振区间且幅值持续上升时，主动微调电机运行转速±5%～±10%，避开共振转速点。

23、本发明进一步设置为：所述步骤s4中磁钢预紧状态监控具体为：实时采集电机内部温度与反电动势波形，通过反电动势的谐波畸变率判断磁钢体与磁钢安装槽侧壁是否出现间隙；

24、设定电机内部工作温度的三级区间：正常工作区间为-20℃～120℃，高温预警区间为120℃～150℃，超温保护区间＞150℃；

25、设定反电动势谐波畸变率的两级阈值：预紧良好状态≤5%，间隙预警状态为5%～10%，预紧失效状态＞10%；

26、当温度处于正常工作区间时，利用减振槽的弹性形变余量自动补偿热变形量，维持两半体对磁钢体的扣紧力；

27、当温度处于高温预警区间或谐波畸变率处于间隙预警状态时，调整电枢电流参数补偿磁钢工作点的温度漂移；

28、当温度处于超温保护区间或谐波畸变率处于预紧失效状态时，触发预紧失效预警，并限制电机最大输出转矩至额定值的60%～80%。

29、本发明的有益效果是：

30、1. 所述转子组件为核心转动工作结构，具体包括转轴、转子铁芯、绝缘结构、换向器以及波形垫片。所述转子铁芯固定套设于转轴外侧，与转轴形成一体式转动结构，是电机电磁耦合、产生转矩的核心部件，所述换向器同步套设于转轴上，配合电刷实现电流换向，保障转子持续稳定正向旋转。所述转子铁芯的两端均设置有绝缘结构，绝缘结构套设于转轴外侧，可实现转子铁芯与相邻部件的电气隔离，有效杜绝漏电、短路、爬电等电气故障，保障电机运行的电气安全性。所述换向器与转子铁芯之间装配有波形垫片，波形垫片整体套设于转轴外侧，实现精准定位装配。波形垫片的轴向两侧分别形成抵靠限位结构，其中一侧端面紧密抵靠于换向器的端面，另一侧端面紧密抵靠于转子铁芯端部的绝缘结构表面。电机装配完成后，波形垫片处于微量压缩状态，可持续提供稳定的轴向弹性预紧力，能够有效消除转子组件各装配部件之间的轴向装配间隙，严格限制转子组件整体沿转轴轴向发生窜动、偏移。

31、2. 所述转子铁芯由多个转子冲片沿轴向紧密叠压而成，叠压式结构可保证转子铁芯整体结构紧凑、同轴度高，有效降低铁芯磁隙损耗，保障电磁工作稳定性。所述转子冲片的外缘沿周向均匀布设有多个磁钢安装槽，用于精准嵌装固定磁钢结构，相邻两个磁钢安装槽之间成型有磁极部，构成转子电磁工作的核心磁极区域。所述磁极部上开设有沿径向延伸的减振槽，减振槽贯穿磁极部设置，将对应磁极部分割为左右对称的两半体结构。该对称式开槽结构可有效释放转子铁芯高速旋转时产生的电磁振动与机械应力，削弱磁极部位的高频振动幅值，改善转子运转过程中的振动谐振问题，进一步降低电机运行噪音与抖动幅度，配合轴向预紧结构形成全方位稳振降噪效果，大幅提升转子高速运转的平稳性。所述减振槽的底端至转子冲片中心的距离不大于磁钢安装槽的底端至转子冲片中心的距离，通过该尺寸限位设计，可保证减振槽的径向开设深度受控，在实现磁极振动释放、应力消解的同时，有效规避减振槽开槽过深导致的磁极结构强度下降、电磁有效导磁面积缩减的问题，兼顾减振降噪效果与转子结构强度、电磁性能。

32、3. 所述绝缘结构包括套设于转轴上且分别位于转子铁芯轴向两端的第一绝缘纸层和第二绝缘纸层，所述第一绝缘纸层和第二绝缘纸层分别全覆盖贴合转子铁芯两端的端面，可对转子铁芯轴向两端形成完整电气隔离，有效杜绝漏电、短路、爬电等电气故障，保障电机运行的电气安全性，同时可避免转子铁芯端面与相邻金属部件直接接触产生磨损。所述波形垫片轴向抵靠于第一绝缘纸层或第二绝缘纸层的外侧面，通过绝缘纸层形成柔性隔离抵接结构，既保障轴向预紧限位效果，又可避免波形垫片与转子铁芯直接硬性接触，防止铁芯端面受压损伤、产生异响及磨损问题。所述波形垫片具体采用波形弹性垫圈结构，整体套设于转轴外侧实现精准定位装配。波形弹性垫圈设置有窄周边圈部，其窄周边圈部朝向换向器的一侧向外延伸设置有若干限位凸块，对应地，所述换向器的端面开设有与各限位凸块一一匹配的限位槽，装配时限位凸块对应嵌入限位槽内部，形成周向止转限位结构，可有效防止波形弹性垫圈在电机高速运转、高频振动工况下相对换向器发生周向转动、打滑偏移，避免垫片摩擦磨损、预紧力衰减失效的问题，保障预紧结构长期稳定可靠。

33、4. 所述磁钢安装槽采用燕尾槽结构设计，槽体具备收口限位特性，槽内对应嵌装固定有磁钢体，依靠燕尾槽的倒扣结构可对磁钢体形成基础限位，防止磁钢体径向脱出。当转子高速运转产生离心外力或受到工况振动外力作用时，减振槽可被小幅扩张，使磁极部被分割形成的两半体分别向两侧发生弹性形变，形变后的两半体可紧密贴合挤压燕尾槽内的磁钢体，自动消除磁钢体与燕尾槽侧壁之间的装配间隙，使两半体牢牢扣紧固定于磁钢体外侧，彻底解决传统燕尾槽安装磁钢因装配间隙、长期振动松弛导致的磁钢松动、移位、异响甚至脱落问题。