一种转子结构及应用其的电机的制作方法

1.本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种转子结构及应用其的电机。


背景技术：

2.高速永磁同步电机具有体积小、功率密度大、电机效率高等优点，广泛应用于离心机领域；高速永磁同步电机一般采用环形套装式磁钢或圆形磁钢作为转子磁场，具有结构简单，安装方便等优点。
3.然而，高速永磁同步电机的转子离心力大，环形套装式磁钢(或圆形磁钢)在离心力的作用下，容易破碎，因此需要在磁钢外围增加保护套；相关技术中一般使用非磁性合金护套或者高强度碳纤护套，护套厚度的厚度为3-5mm，这种结构的缺点是电机定转子之间的气隙偏大，造成电机线负荷大，消耗电能多；并且，非磁性合金护套还会导致转子表面涡流大，高强度碳纤护套会导致转子散热困难。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种转子结构及应用其的电机，通过对护套的结构和材质进行限定，在缩短电磁气隙的前提下，还可以降低转子表面的涡流，减少转子发热。
5.为了解决上述问题，根据本技术的一个方面，本发明的实施例提供了一种转子结构，转子结构包括磁钢以及套设在磁钢上的护套，护套为导磁性金属护套，护套的表面开设有凹槽结构，凹槽结构沿着护套的轴向开设，且沿着护套的径向，凹槽结构从护套的内表面贯穿至外表面。
6.在一些实施例中，护套包括护套本体、第一端环和第二端环，第一端环位于护套本体的一端，所述第二端环位于护套本体的另一端，凹槽结构开设在护套本体上，且沿着护套本体的轴向，凹槽结构从护套本体的第一端贯穿至第二端。
7.在一些实施例中，凹槽结构包括若干个凹槽，若干个凹槽平行设置且分布在护套本体的整个表面上，相邻的凹槽之间形成导磁条。
8.在一些实施例中，所有凹槽的宽度均相等，且凹槽均匀分布在护套本体的表面；其中，宽度为凹槽沿着护套本体周向的宽度。
9.在一些实施例中，每个磁极下，在护套本体的外周面上，沿着磁极中心向两侧的方向，相邻的凹槽的宽度依次递增；其中，宽度为凹槽沿着护套本体周向的宽度；磁极为转子对应的电机的磁极；所述磁极中心为所述磁钢的直轴。
10.在一些实施例中，沿着护套本体的周向，设置有至少一个连接环至少一个连接环将凹槽结构分为至少两部分以增加凹槽结构的机械强度。
11.在一些实施例中，在转子结构的横截面内，导磁条的截面为梯形、矩形或者曲线形中的一种。
12.在一些实施例中，凹槽的中线与护套本体的母线平行；其中，中线为凹槽在护套本体轴向上的中线。
13.在一些实施例中，凹槽的中线与护套本体的母线之间存在夹角，夹角为锐角；其中，中线为凹槽在护套本体轴向上的中线。
14.在一些实施例中，凹槽内填充有非导磁体。
15.根据本技术的另一个方面，本发明的实施例提供了一种电机，电机包括上述的转子结构。
16.在一些实施例中，电机还包括定子，定子位于转子结构内；当护套包括护套本体、凹槽结构包括若干个凹槽、且相邻的凹槽之间形成导磁条、定子为24槽时，导磁条的数量为18、23或者31个。
17.与现有技术相比，本发明的转子结构至少具有下列有益效果：
18.采用导磁性金属作为护套，可以缩短电磁气隙，降低电机气隙磁压降，提高气隙磁感应强度(或磁场密度)；在电机性能不变的条件下，如果磁钢牌号不变，则可以降低电机线负荷，减少电能损耗；或者在线负荷不变的条件下，则可以降低磁钢牌号，减少稀土磁钢使用；另外，本发明中护套表面的凹槽结构沿着护套的轴向开设，且沿着护套的径向，凹槽结构从护套的内表面贯穿至外表面，类似于鼠笼结构，该结构可以降低转子表面的涡流，减少转子发热，进而避免转子磁钢不可逆的退磁风险。
19.另一方面，本发明提供的电机是基于上述转子结构而设计的，其有益效果参见上述转子结构的有益效果，在此，不一一赘述。
20.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
21.图1a是本发明的实施例提供的一种转子结构的剖视图；
22.图1b是图1a沿a-a方向的剖视图；
23.图2a是本发明的实施例提供的一种转子结构的另一剖视图；
24.图2b是图2a沿a-a方向的剖视图；
25.图3是现有技术中电机的仿真图；
26.图4是现有技术电机对应的气隙磁场密度图；
27.图5是本发明的实施例提供的转子结构所应用的电机的仿真图；
28.图6是本发明的实施例提供的转子结构所应用的电机对应的气隙磁场密度图；
29.图7是本发明的实施例提供的转子结构中护套的剖视图；
30.图8是本发明的实施例提供的转子结构中护套的另一剖视图；
31.图9是本发明的实施例提供的转子结构中护套的结构示意图；
32.图10是本发明的实施例提供的转子结构中护套的另一剖视图；
33.图11是本发明的实施例提供的转子结构中护套的另一结构示意图；
34.图12是本发明的实施例提供的转子结构中护套的另一剖视图；
35.图13是本发明的实施例提供的转子结构中护套的另一剖视图；
36.图14是本发明的实施例提供的转子结构中护套的另一剖视图；
37.图15是本发明的实施例提供的转子结构中凹槽为斜凹槽时的剖视图；
38.图16是图15中b-b方向的剖视图；
39.图17是现有电机的气隙磁场仿真图；
40.图18是本发明实施例提供的转子结构所应用的电机的气隙磁场仿真图；
41.图19是现有电机的转矩脉动图；
42.图20是本发明实施例提供的转子结构所应用的电机的转矩脉动图。
43.其中：
44.1、磁钢；2、护套；3、凹槽结构；4、第一短轴；5、第二短轴；6、定子；7、中间轴；8、转子结构；21、护套本体；22、第一端环；23、第二端环；24、连接环；31、凹槽；32、导磁条；311、非导磁体。
具体实施方式
45.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
46.在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.实施例1
49.本实施例提供一种转子结构，如图1a、1b、2a以及2b所示，转子结构包括磁钢1以及套设在磁钢1上的护套2，护套2为导磁性金属护套，护套2的表面开设有凹槽结构3，凹槽结构3沿着护套2的轴向开设，且沿着护套2的径向，凹槽结构3从护套2的内表面贯穿至外表面。
50.具体地，磁钢1的径向截面为圆形(如图1a和1b所述)或者环形(如图2a和2b所示)，当磁钢1的径向截面为环形时，其内设置有中间轴7；磁钢1的两端分别为第一短轴4和第二短轴5，护套2套设在磁钢1上，且与第一短轴4和第二短轴5配合；更具体地，第一短轴4和第二短轴5与护套2的配合处向内凹陷，使得护套2可以卡在第一短轴4和第二短轴5上。另外，导磁性金属护套即为护套2由导磁性材料制成，该导磁性材料可以为铁、低碳钢等一些软磁性材料。
51.相较于传统技术中采用非磁性合金护套或者高强度碳纤护套，本实施例采用导磁性金属作为护套2，可以缩短电磁气隙，降低电机气隙磁压降，提高气隙磁感应强度(或磁场密度)；并且在电机性能不变的条件下，如果磁钢牌号不变，则可以降低电机线负荷，减少电能损耗；或者在线负荷不变的条件下，则可以降低磁钢牌号，减少稀土磁钢使用；另外，本发明中护套2表面的凹槽结构3沿着护套2的轴向开设，且沿着护套2的径向，凹槽结构3从护套2的内表面贯穿至外表面，类似于鼠笼结构，该结构可以降低转子表面的涡流，减少转子发
热，进而避免转子磁钢不可逆的退磁风险。
52.上述沿着护套2的径向，凹槽结构3从护套2的内表面贯穿至外表面，具体为：凹槽结构3从护套2的径向内周贯穿至径向外周，即沿着径向，凹槽结构3是穿透设置的，类似于鼠笼结构。
53.相较于传统的非磁性合金护套或者高强度碳纤护套，本实施例提供的转子结构采用导磁性金属护套，电磁气隙变短，电机磁回路的磁阻变小，可增加非饱和状态下的气隙磁场密度；例如，某型号大功率高速电机(如图3所示)，该电机转子的护套上未开设凹槽结构，且采用高强度碳纤护套，气隙磁密为0.55t(如图4所示)；而采用本实施例的结构，在转子的护套2上开设凹槽结构3(如图5所示)，且护套2的材质为导磁性金属，其气隙磁密可增大到0.63-0.65t，气隙磁场密度可提高12％以上；本实施例提供的转子结构在电机性能不变的情况下，如果保持气隙磁密不变，则可减少转子磁钢用量，或减少漆包线重量，这样可以降低成本，减少漆包线用量还可降低电机线负荷，即可降低电能消耗，节能减排。
54.另外，本实施例提供的转子结构还能降低转子表面涡流，减少转子发热；同时转矩脉动在3％左右，基本与感应电机的转矩脉动在相同范围，符合标准。
55.在具体实施例中：
56.如图7所示，护套2包括护套本体21、第一端环22和第二端环23，第一端环22位于护套本体21的一端，第二端环23位于护套本体21的另一端，凹槽结构3开设在护套本体21上，且沿着护套本体21的轴向，凹槽结构3从护套本体21的第一端贯穿至第二端。
57.也就是说，沿着护套本体21的轴向，凹槽结构3是贯穿整个轴向长度的，这样使得凹槽结构3的加工更加容易；而由于护套本体21的一端还设置有第一端环22，另一端还设置有第二端环23，因此，相对于整个护套2的轴向，凹槽结构3并不穿透整个轴向长度；这种结构可以将三相定子旋转磁场造成的转子表面涡流，导入护套2两端的第一端环22和第二端环23，并相互抵消，在三相对称条件下，转子表面涡流为零。
58.本实施例主要适用于采用环形磁钢(或圆形磁钢)做转子的高速永磁同步电机，通过使用磁性材料制作转子外圆护套2，可以减少电机定转子之间的实际气隙长度(理论上，气隙越短越好)；而现有技术的非磁性合金护套或高强度碳纤护套，厚度达3-5mm，这个非磁性护套使得电机的定转子之间的电磁气隙比机械气隙大3-5mm，增大了电机的磁回路磁阻，降低了电机功率密度，增大了电机能耗；本实施例改成磁性材料的护套2以后，可以减少电机气隙长度，降低磁阻，减少电机输入功率，即减少磁钢用量，或者减小电流，节能减排；但如果只是将非磁性金属护套改成磁性金属护套，则不仅转子漏磁严重，同时转子表面涡流会大大增加，增大转子发热，因此，需要将磁性金属护套2做成鼠笼形结构，也就是本实施例中的护套2表面的凹槽结构3，相对于整个护套2的轴向，凹槽结构3并不穿透，这种结构可以将三相定子旋转磁场造成的转子表面涡流，导入护套2两端未设置凹槽结构3的部分，使得转子表面涡流为零。
59.更具体地，第一端环22和第二端环23称为“短路环”，沿着导磁条流动的电流全部在短路环汇集；由于转子涡流也是定子三相绕组产生的，因此护套2上的涡流也是三相对称电流，汇集在短路环，全部抵消。
60.在具体实施例中：
61.如图8所示，凹槽结构3包括若干个凹槽31，若干个凹槽31平行设置且分布在护套
本体21的整个表面上，相邻的凹槽31之间形成导磁条32。
62.具体地，如图9所示，沿着护套本体21的轴向，同一条凹槽31的宽度相同，凹槽31和导磁条32依次间隔设置在护套本体21的表面上，并且，凹槽31和导磁条32覆盖护套本体21的整个表面。其中，凹槽31的作用是阻止转子表面的磁短路，导磁条32的作用是降低电磁气隙，提高气隙磁场密度。
63.而关于相邻凹槽31的宽度，有如下两种形式：
64.第一种，所有凹槽31的宽度均相等，且凹槽31均匀分布在护套本体21的表面；其中，宽度为凹槽31沿着护套本体21周向的宽度。
65.第二种，每个磁极下，在护套本体21的外周面上，沿着磁极中心向两侧的方向，相邻的凹槽31的宽度依次递增；其中，宽度为凹槽31沿着护套本体21周向的宽度；磁极为转子对应的电机的磁极。
66.上述的磁极中心指的是磁钢1的直轴；比如：当电机为二极电机时，包括两个磁极，每个磁极下的磁钢的直轴即为该磁极下的磁极中心。
67.另外，当凹槽31为上述第二种结构时，在凹槽护套2和磁钢1装配的过程中，最窄的凹槽31需要与磁极中心对应。
68.需要进行的强调的是：无论是上述第一种结构，还是第二种结构，单个凹槽31的宽度是不变的，也就是说，相对于一条凹槽31来说，从护套本体21的第一端到第二端，其宽度是固定的。
69.具体地，为了更好的理解上述第二种结构，以二极电机为例进行说明，沿着护套本体21的轴向，将护套本体21平均分为两部分，上半部分和下半部分，上半部分和下半部分的截面均为半圆；第一个半圆对应的角度为0-180
°
，则从90
°
处开始(此处的90
°
为第一个磁极对应的磁极中心)，向两侧的方向，也就是从90
°
向0
°
的方向以及从90
°
向180
°
的方向，在护套本体21的外周面上，凹槽31的宽度逐渐递增，90
°
处的宽度最小；第二个半圆对应的角度为180
°‑
360
°
，则从270
°
处开始(此处的270
°
为第二个磁极对应的磁极中心)，向两侧的方向，也就是从270
°
向180
°
的方向以及从270
°
向360
°
的方向，凹槽31的宽度逐渐递增，270
°
处的宽度最小。
70.当电机为四极电机时，沿着护套本体21的轴向，将护套本体21平均分为四部分，每个部分的截面均为四分之一个圆，第一部分对应的角度为0-90
°
，则对其中一个部分来说，从45
°
处开始(此处的45
°
为第一个磁极对应的磁极中心)，向两侧的方向，也就是从45
°
向0
°
的方向以及从45
°
向90
°
的方向，凹槽31的宽度逐渐递增，45
°
处的宽度最小；其余三个部分与该部分结构相同，对应的磁极中心分别为135
°
、225
°
和315
°
。
71.通过这种方式可以改善气隙磁场，使气隙磁场更加正弦化，有利于降低电机振动和噪声。
72.在具体实施例中：沿着护套本体21的周向，设置有至少一个连接环24，至少一个连接环24将凹槽结构3分为至少两部分以增加凹槽结构3的机械强度；连接环24的设置使得凹槽结构3为分段式，这种结构可以提高转子的护套2的机械强度。
73.如图10和图11所示，连接环24设置有一个，将凹槽结构3分为两段。
74.在具体实施例中：
75.在转子结构的横截面内，导磁条32的截面为梯形、矩形或者曲线形中的一种；需要
说明的是，此处的梯形和矩形均为类似梯形和类似矩形，而非绝对意义上的梯形和矩形，因为护套本体21为圆环形结构，位于圆环形结构上的导磁条31，其截面中至少有两个边是弧线。
76.具体地，凹槽31的结构影响导磁条32的形状，比如，如图13所示，当凹槽31为类似梯形时，则导磁条32为类似梯形；如图12所示，当凹槽31为圆形时，则导磁条32为曲线形。其中，曲线形具体指的是导磁条32的边缘均为为弧形。
77.另外，凹槽31的开设形式也至少包括以下两种：
78.第一种，凹槽31的中线与护套本体21的母线平行；其中，中线为凹槽31在护套本体21轴向上的中线。也就是说，凹槽31为直凹槽，其起始端和终点端位于护套本体21的同一条母线上，且连接起始端和终点段的线段为一条直线。
79.第二种，凹槽31的中线与护套本体21的母线之间存在夹角，夹角为锐角；其中，中线为凹槽31在护套本体21轴向上的中线。也就是说，凹槽31为斜凹槽，其起始端和终点端位于护套本体的不同母线上，如图15和图16所示，采用斜凹槽可以减少气隙磁场中的谐波，降低转矩脉动。
80.另外，中线为凹槽31在护套本体21轴向上的中线，具体为，如图15中的l，凹槽31的中线为左右方向，非上下方向。
81.在具体实施例中：为了增加护套2的机械强度，如图14所示，凹槽31内填充有非导磁体311。
82.本实施例提供的转子结构中，凹槽31沿着护套2的轴向不穿透，设置在护套本体21两端的第一端环22和第二端环23称为“短路环”，使得沿着导磁条流动的电流全部在短路环汇集；由于转子涡流也是定子三相绕组产生的，因此护套2上的涡流也是三相对称电流，汇集在短路环，全部抵消；并且凹槽31沿着护套本体21的径向穿透，因为本实施例采用的是导磁金属材料做护套2，则转子磁钢，(转子铁芯)，和护套2会组成径向回路，即部分转子磁力线会通过护套2回到转子，没有与定子发生关系，不能产生扭矩，因此生产了磁短路，故本实施例的护套2一定要有径向穿透的凹槽31，才不会产生磁短路，凹槽31的作用就是断开了转子磁回路，即无磁短路。
83.目前使用环形磁钢的大功率高速永磁同步电机转子，一般采用3-5mm壁厚的圆筒做转子护套，以增强转子刚度，保护转子磁钢不会在离心力作用损坏；现有转子护套一般使用非磁性合金护套或者高强度碳纤护套，二种方案都会使电机定转子之间的电磁气隙大于机械气隙3-5mm，其中金属护套会产生转子表面涡流，造成转子发热；而碳纤护套会使转子表面散热困难，同样造成转子发热；而本实施例可以避免以上情况，采用金属导磁性材料做转子护套，缩短了气隙，降低了磁阻，可以提高电机功率密度，或者同样功率降低能耗；将圆筒型结构的转子护套，改为鼠笼型结构(即在护套上开设凹槽结构)，降低了转子表面涡流和发热，同时转矩脉动在可控范围内。
84.实施例2
85.本实施例提供一种电机，电机包括实施例1的转子结构8。
86.在具体实施例中：
87.如图5所示，电机还包括定子6，定子6位于转子结构8外；当护套2包括护套本体21、凹槽结构3包括若干个凹槽31、且相邻的凹槽31之间形成导磁条32、定子6为24槽时，导磁条
32的数量为18、23或者31个。
88.具体地，以定子6为24槽、二极环形磁钢转子为例，用仿真图说明本实施例相较于现有技术的优势：
89.如图17所示，为现有技术的气隙磁场仿真图，平均磁感应强度b为0.558t，图18为本实施例的气隙磁场仿真图，平均磁感应强度b为0.637t，由此可知，采用本实施例后，平均磁感应强度b升高了0.079t(790gs)，即电机的电磁性能提升了14.1％，这是一个比较大的进步；再看波形，二者波形和波形包络线基本相同，说明气隙磁场的谐波变化不大。
90.如图19所示为现有技术的转矩脉动图，转矩脉动较小为0.37％，如图20为本实施例的转矩脉动图，转矩脉动为2.7％，但仍然是正常范围(转矩脉动小于5％即可)。
91.下面还是以定子24槽，二极环形磁钢转子的仿真数据为例，说明本发明的最佳槽数(或者导磁条数)匹配，具体见下表1：
92.表1
93.转子护套槽数(个)16182331气隙磁场强度(t)0.6460.6720.6370.629转矩脉动(％)6.53.82.73.3
94.从表1中的仿真数据可以看出，本发明的16槽结构，转矩脉动超过了5％的标准，负面影响比较大。而18、23以及31槽的结构，转矩脉动合格，电磁性能都可以提升10％以上。这个数据说明，本发明应用于不同槽数和极数的电机，其导磁条32的数量可能是不同的，有一种或多种最佳匹配，针对不同技术参数的电机，需要通过仿真确定导磁条32的数量。
95.本实施例提供的电机，由于采用了实施例1中的转子结构，通过使用导磁材料制作高速永磁同步电机转子护套，可提高电机的气隙磁感应强度10％以上，或提高电机功率密度，或降低电机能耗；并且特定的护套结构，可以降低转子表面涡流，第一端环还第二端环可以将涡流中和为零，减少转子发热。
96.综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利技术特征可以自由地组合、叠加。
97.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。