一种磁悬浮电机转子的制作方法

1.本发明涉及电机领域，尤其涉及一种磁悬浮电机转子。


背景技术：

2.磁悬浮电机是一种新型结构的电机，包括定子和转子。其中，永磁体是转子重要的组成部分，由于涡流损失，磁悬浮电机的转子工作温度约200度左右，在此工作温度下，转子永磁体的磁性能将逐步衰减，致使磁悬浮电机的效率下降，为杜绝这个问题，业内通用的手段是采用工作温度高的磁性材料，如钐钴合金，致使电机成本居高不下。如何降低永磁转子的工作温度，选用磁性能高的钕铁硼永磁材料，降低电机制造成本，是行业急需解决的问题。
3.另外，转子上设置的永磁体需要密封，密封效果和可靠性往往直接决定了整套设备的寿命与运行安全，密封一旦失效，会影响设备的正常运行。


技术实现要素：

4.为克服相关技术中存在的问题之一，本发明提供一种磁悬浮电机转子。
5.本发明提供一种磁悬浮电机转子，所述磁悬浮电机转子包括：第一轴部；第二轴部，所述第二轴部与所述第一轴部沿轴向间隔排布；封装部，所述封装部位于所述第一轴部和所述第二轴部之间，所述封装部的第一端与所述第一轴部相连，所述封装部的第二端与所述第二轴部相连，所述封装部中封装有永磁体；转子套管，过盈套设于所述封装部的外侧，且所述转子套管与所述第一轴部以及所述第二轴部过盈连接。
6.本发明一些实施例中，所述永磁体设置有多个，多个所述永磁体沿所述封装部的轴向和/或周向间隔排布，所述封装部中位于相邻所述永磁体之间的间隙被封装材料填充后构成导热条。
7.本发明一些实施例中，所述封装部与所述第一轴部之间形成迷宫式密封结构；和/或，所述封装部与所述第二轴部之间形成迷宫式密封结构。
8.本发明一些实施例中，所述封装部包括第一筒状结构，所述第一筒状结构的内腔设置成锥形旋转热管的蒸发腔，所述第二轴部内设置成锥形旋转热管的冷凝腔，所述蒸发腔与所述冷凝腔连通形成锥形的介质腔，所述介质腔用于容置换热工质。
9.本发明一些实施例中，所述第二轴部的远离所述封装部的一端设置有散热结构，所述散热结构用于对所述介质腔内的所述换热工质进行散热。
10.本发明一些实施例中，所述散热结构包括穿设于所述第二轴部内腔的导热部以及套设于所述第二轴部外侧的散热部，所述导热部的一端位于所述介质腔内或与所述介质腔
的腔壁平齐，所述导热部的另一端与所述散热部接触。
11.本发明一些实施例中，所述导热部包括铆接于所述第二轴部上的导热柱。
12.本发明一些实施例中，所述散热部包括套设于所述第二轴部上的第二筒状结构以及设置于所述第二筒状结构外侧的散热翅片。
13.本发明一些实施例中，所述封装部通过向置有所述永磁体的型腔中浇注封装材料得到。
14.本发明一些实施例中，所述转子套管与所述第一轴部、所述第二轴部以及所述封装部之间采用过盈配合压装。
15.本发明的有益效果是：本发明提供的磁悬浮电机转子，通过封装部将永磁体封装于其中，并通过转子套管与封装部的过盈配合将永磁体密封，防止其被氧化腐蚀；转子套管既能够将第一轴部、第二轴部以及封装部可靠连接在一起，保证连接强度和刚度，同时能够对永磁体形成很好的保护，保证永磁体的工作可靠性。
附图说明
16.并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是相关技术中磁悬浮电机转子的结构示意图。
18.图2是本发明一示例性实施例示出的磁悬浮电机转子的结构示意图。
19.图3是图2中a-a向剖视图。
20.图4是图2中b-b向剖视图。
21.图5是本发明一示例性实施例示出的磁悬浮电机转子工质流向示意图。
22.图6是本发明一示例性实施例示出的磁悬浮电机转子工质受力分析图。
23.图7是本发明一示例性实施例示出的磁悬浮电机转子的制作方法流程图。
24.附图标记：110：转子左轴头；120：转子右轴头；130：转子永磁体；140：密封部；200：第一轴部；210：第一环形凹槽；300：第二轴部；310：第二环形凹槽；320：导热部；321：导热柱；330：散热部；331：第二筒状结构；332：散热翅片；333：冷却叶轮；340：散热结构；400：永磁体；500：封装部；510：第一环形凸起；520：第二环形凸起；530：容置腔；540：第一筒状结构；550：导热条；600：转子套管；700：介质腔。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
26.相关技术中，磁悬浮电机转子的结构如图1所示，包括转子左轴头110、转子右轴头
120、转子永磁体130和密封部140。转子永磁体130为实心永磁体，工作中，因涡流、风摩等损失工作温度高达200℃，高温下，磁性材料的性能衰退很明显，为杜绝此类问题，需选用价格昂贵的、可在高温下工作的、高性能稀土永磁材料，这严重制约了永磁同步电机的推广应用。
27.为解决这一难题，首先面对的就是如何降低转子的工作温度问题。降低转子工作温度的一个有效途径就是采用旋转热管冷却，但如何形成热管内腔以及如何杜绝热管工质对永磁体的腐蚀氧化，解决封装部上嵌置的永磁体的密封问题是成败的关键。
28.另外，上述的转子永磁体130的密封效果较差，转子永磁体130的工作可靠性难以得到保障。
29.基于此，本发明提供一种磁悬浮电机转子，通过封装部将永磁体封装于其中，并通过转子套管与封装部的过盈配合将永磁体密封，防止其被氧化腐蚀；转子套管既能够将第一轴部、第二轴部以及封装部可靠连接在一起，保证连接强度和刚度，同时能够对永磁体形成很好的保护，保证永磁体的工作可靠性。封装部的锥形内腔形成了旋转热管的热端，热管对封装部的高效冷却，能大幅降低转子的工作温度，可选用高磁性能、低工作温度的永磁材料，保证永磁体的工作可靠性、降低制造成本。
30.下面结合附图，对根据本发明所提供的磁悬浮电机转子进行详细说明。
31.本发明一示例性实施例提供了一种磁悬浮电机转子，如图 2 所示，磁悬浮电机转子包括：第一轴部200、第二轴部300、封装部500和转子套管600，第二轴部300与第一轴部200沿轴向间隔排布。封装部500位于第一轴部200和第二轴部300之间，封装部500的第一端与第一轴部200相连，封装部500的第二端与第二轴部300相连。封装部500中封装有永磁体400，例如，第一封装部500设置有容置腔530，永磁体400封装于容置腔530中。转子套管600过盈套设于封装部500的外侧，且转子套管600与第一轴部200以及第二轴部300过盈连接。
32.本实施例中，通过封装部500将永磁体400封装于其中，并通过转子套管600与封装部500的过盈配合将永磁体400密封，转子套管600既能够将第一轴部200、第二轴部300以及封装部500可靠连接在一起，保证连接强度和刚度，同时能够对永磁体400形成很好的保护，保证永磁体400的工作可靠性。
33.如图2所示，磁悬浮电机转子采用实心的永磁体400，永磁体400的形状可以根据磁悬浮电机转子的实际需要进行选择，其横截面可以为扇形、圆环形等形状。一些实施例中，可以分别制备封装部500和永磁体400，之后将永磁体400与封装部500装配。在另一些实施例中，可将永磁体400设置为预埋件，按照预先设计好的位置预埋在膜具型腔中，用封装材料例如铝液对其进行灌装，灌装完成待铝液凝固后进行脱模，脱模后形成封装有永磁体400的封装部500，如此，有利于隔绝空气和其他介质，达到更好的密封效果，之后将转子套管600过盈套设于封装部500的外侧，例如，转子套管600与第一轴部200、第二轴部300、封装部500过盈配合压装而成，如此，优化了磁悬浮电机转子的永磁体400 的密封结构，更好地保证了密封效果，且能够有效保证连接强度和刚度。
34.一实施例中，如图2和图3所示，永磁体400设置有多个，多个永磁体400沿封装部500的轴向以及周向间隔排布，例如，磁悬浮电机转子的容置腔530设置有多个，多个容置腔530沿封装部500的轴向以及周向间隔排布，每个容置腔530中封装一个永磁体400。具体地，本实施例中共有8组4对容置腔530，一组容置腔530的数量为12个，沿封装部500的周向排
布，每对容置腔530之间的距离相同；8组容置腔530沿封装部500的轴向、周向排布，每对容置腔530之间留有一定的缝隙，此缝隙将被封装材料例如铝液填充，形成导热条550。容置腔530设置的具体数量由磁悬浮电机转子的永磁体400的具体数量决定，一个容置腔530设置一个永磁体400。每组容置腔530在沿封装部500的轴向排布的间隔距离相同，有利于保持磁悬浮电机转子的稳定性。
35.一实施例中，如图2所示，磁悬浮电机转子的封装部500与第一轴部200、第二轴部300密封连接。封装部500与第一轴部200之间形成迷宫式密封结构，作为示例，磁悬浮电机转子的封装部500的第一端的端面设置有沿径向排布的多个第一环形凸起510，第一轴部200的与封装部500相对的端面上设置有与多个第一环形凸起510配合的多个第一环形凹槽210，第一环形凸起510与第一环形凹槽210配合形成迷宫式密封结构。类似地，封装部500的第二端的端面设置有沿径向排布的多个第二环形凸起520，第二轴部300的与封装部500相对的端面上设置有与多个第二环形凸起520配合的多个第二环形凹槽310，第二环形凸起520与第二环形凹槽310配合形成迷宫式密封结构。封装部500的两端形成迷宫式密封结构，迷宫式密封结构使封装部500裸露的磁材料圆周外表面与外界实现可靠的隔离。
36.一实施例中，如图2所示，磁悬浮电机转子的转子套管600的一端套设于第一轴部200的外侧，并与第一轴部200过盈配合；转子套管600的另一端套设于第二轴部300的外侧，并与第二轴部300过盈配合。示例性地，转子套管600与第一轴部200、第二轴部300采用密封焊接，例如等离子焊、氩弧焊等多种方式。
37.转子因铜损、铁损、风摩等产生的热量，仅能通过转子与电机定子之间的狭小气隙及转子本身的热传导冷却，转子的工作温度在180-220℃左右，为避免永磁体400的磁性能在工作温度下衰减引起电机性能下降，一般选用工作温度高的钐钴永磁体，但由于钐钴永磁体价格昂贵，致使永磁电机的价格居高不下。钕铁硼永磁体的居里温度为350
°
c，最高使用温度小于或等于230
°
c，理论磁能积为64mgoe，最大磁能积为52mgoe，饱和磁化强度为1.6t。而钐钴永磁体的居里温度为800
°
c，最高使用温度小于或等于350
°
c，理论磁能积为34mgoe，最大磁能积为16至32mgoe，饱和磁化强度为1.1至1.15t。由此可知，钕铁硼永磁体的磁性能比钐钴永磁体高很多，且就经济性而言，钕铁硼永磁体的价格远低于钐钴永磁体，有极强的市场竞争力。但在转子工作温度下，钕铁硼永磁体磁性能的衰减却远高于钐钴永磁体。
38.基于此，本发明一示例性实施例提供了一种磁悬浮电机转子，如图2所示，本发明实施例中的磁悬浮电机转子的封装部500具有蒸发腔（图中未示出），例如，封装部500包括第一筒状结构540，第一筒状结构540的内腔构成蒸发腔，第二轴部300呈中空结构，第二轴部300的内腔构成冷凝腔（图中未示出），蒸发腔和冷凝腔连通形成介质腔700，介质腔700用于容置换热工质。封装部500中位于相邻永磁体400之间的部分构成导热条550，导热条550起到传递热量的作用，将永磁体400工作时产生的热量传导到介质腔700中。其中，换热工质可选择具有相变特性的相变材料，相变材料在其相变温度附近发生相变，释放或吸收大量热量，根据相变材料的这一特征，可以用来控制封装部500的温度。
39.本发明一示例性实施例中，如图2所示，封装部500的内腔设置成锥形旋转热管的蒸发腔，第二轴部300内设置成锥形旋转热管的冷凝腔，如此，蒸发腔和冷凝腔连通形成锥形的介质腔700。例如，磁悬浮电机转子沿封装部500向第二轴部300的方向，第一筒状结构
540的内腔横截面积逐渐减小，第二轴部300的内腔横截面积逐渐减小，如此，沿由封装部500向第二轴部300的方向，蒸发腔和冷凝腔组成为一锥形体。第一筒状结构540的内腔与第二轴部300的内腔相连接的一端的截面直径相同，第一筒状结构540的内腔与第二轴部300的内腔紧密连接，保证换热工质能从中顺利移动，将热量转移到转子的外部。
40.图5是本发明一示例性实施例示出的磁悬浮电机转子工质流向示意图，如图5所示，工作时的转子因为涡流、风摩等损失，其温度逐步升高，对永磁转子而言，封装部500工作温度可达200℃ 以上，为保护永磁体400的磁性，在介质腔700中加入换热工质，控制封装部500的温度在永磁体400的工作温度范围内。示例性地，设定换热工质的汽化温度为120℃，当封装部500温度达到120℃时，部分换热工质汽化，汽化后的换热工质在封装部500汽化，汽化的高温气体在压力的驱动下沿介质腔700向第二轴部300远离封装部500的一端移动，将封装部500的温度降低，使封装部500的温度在转子高速运行的过程中始终保持在设定的换热工质汽化温度范围内，汽化后的换热工质在第二轴部300远离封装部500的一端释放热量，此时，汽化后的换热工质温度下降，重新冷凝为液态的换热工质，液态的换热工质受力如图6所示，其中，fr为离心力，f
t
为离心力的切向力，n为离心力的法向力，液态的换热工质在离心力fr的切向力f
t
的驱动下，沿介质腔700的腔壁向封装部500移动，到达封装部500后，液态的换热工质吸收热量并再次汽化，完成一次工作循环。在磁悬浮电机转子工作期间，换热工质持续循环，控制封装部500的温度在永磁体400的工作温度范围内。本实施例设定的换热工质的汽化温度为120℃，此温度远低于钕铁硼永磁体的允许工作温度，因此可以选用钕铁硼永磁体作为本实施例中磁悬浮电机转子的永磁体400，消除了钕铁硼永磁体耐温低的劣势，充分发挥钕铁硼永磁体的磁性性能和价格优势。
41.一实施例中，在第二轴部300远离封装部500的一端设置安全阀，当介质腔700中的压力超过预设的压力值时，安全阀会自动弹出，为磁悬浮电机转子进行泄压，进一步保证了磁悬浮电机转子的安全性，延长了磁悬浮电机转子的使用寿命，通过安全阀可以更换介质腔700中的换热介质，以满足不同的温度需求。
42.本实施例中，封装部500中封装众多小块永磁体400，众多小块永磁体400组成的具有锥形内腔的封装体作为拥有旋转热管的转子的热端被冷却，其冷却能力取决于转子锥形腔内填充的换热工质的沸点，能大幅降低转子的工作温度，可选用高磁性能、低工作温度、价格便宜的永磁体材料作为永磁体400，降低产品成本。
43.本发明一示例性实施例中，如图2和图6所示，磁悬浮电机转子的第二轴部300的远离封装部500的一端设置有散热结构340，散热结构340用于对介质腔700内的换热工质进行散热。汽化后的换热工质在封装部500汽化压力的驱动下沿介质腔700的中心移动到第二轴部300，通过第二轴部300上的散热结构340对换热工质进行散热，此时汽化的换热工质释放热量，温度下降重新冷凝成液态的换热工质，液态的换热工质在离心力fr的切向力f
t
的作用下沿第二轴部300的内腔管壁向封装部500移动，到达封装部500后，液态的换热工质吸收热量并再次被汽化，形成往复循环。
44.一示例性实施例中，如图2所示，磁悬浮电机转子的散热结构340包括穿设于第二轴部300上的导热部320以及套设于第二轴部300外侧的散热部330，导热部320的一端位于介质腔700内或与介质腔700的腔壁平齐，导热部320的另一端与散热部330接触。导热部320将介质内腔中的气态换热工质释放的热量传递到散热部330，有助于气态换热工质快速地、
持续地释放热量，从而冷凝为液态换热工质。
45.另一实施例中，磁悬浮电机转子的散热结构340包括设置于第二轴部300上的导热层（图中未示出）和散热件（图中未示出），导热层为硅脂层，具有优良的导热性能，散热件可选用散热片、散热块。导热层涂在第二轴部300的外侧，即远离介质腔700的一侧，如此，导热层能够将介质腔700中的气态换热工质释放的热量传递给散热件，散热件帮助快速散热，从而有助于介质腔700中的气态换热工质快速地、持续地释放热量，从而冷凝为液态换热工质。
46.一示例性实施例中，如图4所示，导热部320包括铆接于第二轴部300上的导热柱321，导热柱321的材料可以选择导热性良好的金属类材料，例如：铜、银、金、镍、铝等。导热柱321的数量可以根据导热需求自行选择。导热柱321沿第二轴部300的轴向和周向进行等距离间隔布置，本实施例中，导热部320沿第二轴部300的轴向布置6组导热柱321，每组导热柱321沿第二轴部300的周向布置12根导热柱321，总计72根导热柱321，从而使得介质腔700内的气态换热工质快速持续地传递热量到散热部330。导热柱321与第二轴部300的连接方式为铆接，有利于增加导热部320和第二轴部300的密封性，防止热管内腔压力增大后将导热柱321顶出和溢气。
47.另一实施例中，导热部320包括散热效果良好的散热片，散热片可采用导热性能良好的金属材料制成，例如：金、银、铜、铝，导热片的数量可根据导热需求设置。
48.本发明一示例性实施例中，如图2和图4所示，磁悬浮电机转子的散热部330包括套设于第二轴部300上的第二筒状结构331以及设置于第二筒状结构331外侧的散热翅片332，散热翅片332沿第二轴部300外侧的周向进行布置，可选用导热性良好的材料制作。磁悬浮电机转子的散热部330还包括冷却叶轮333，磁悬浮电机转子运行时，冷却叶轮333转动产生气流带走散热部330释放出来的热量。散热翅片332的形状、大小、数量可根据实际需要与冷却叶轮333进行联合设计。
49.本发明一示例性实施例中，提供上述磁悬浮电机转子的制作方法，如图7所示，磁悬浮电机转子的制作方法包括：s100、将永磁体置于模具的型腔中；s200、向模具中浇注封装材料，得到封装部，永磁体被封装于封装部中；s300、将第一轴部和第二轴部分别与封装部的两端连接；s400、将转子套管过盈套设于封装部外侧并与第一轴部、第二轴部过盈连接，得到磁悬浮电机转子。
50.本实施例中，采用浇注方式实现永磁体在封装部中的封装，能够保证永磁体的封装效果，提高生产效率以及永磁体的使用可靠性。其中封装材料选用导热性能高、熔点温度低的材料，例如铝材，从而保证对永磁体的散热效果。
51.其中，步骤s400中，转子套管与第一轴部、第二轴部以及封装部之间采用过盈配合压装，从而能够有效保证连接强度和刚度。
52.上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
53.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
54.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。