技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電機(jī)轉(zhuǎn)子技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種輕量化電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯及其減重孔設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

目前全球氣候問題日趨嚴(yán)重，傳統(tǒng)燃油汽車是造成這些問題的主要因素之一。隨著各國政府對環(huán)保問題逐漸重視，各項(xiàng)利于發(fā)展純電動汽車的政策也陸續(xù)出臺，電動汽車也迎來了良好的發(fā)展機(jī)遇。電機(jī)作為純電動汽車唯一的驅(qū)動系統(tǒng)，直接決定了整個(gè)電動汽車性能的優(yōu)劣。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及人們對電動汽車的性能要求逐漸提高，電機(jī)體積小型化、輕量化已成為目前電機(jī)發(fā)展最主要的趨勢。

現(xiàn)有技術(shù)中的電機(jī)轉(zhuǎn)子為鐵芯疊片結(jié)構(gòu)，鐵芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不甚合理，轉(zhuǎn)子鐵芯重量大、轉(zhuǎn)動慣量大。電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，存在著較大損耗，效率難以大幅度地提高。同時(shí)由于轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、重量大，裝配使用時(shí)電機(jī)工作穩(wěn)定性差、噪音大。但是轉(zhuǎn)子鐵芯作為電機(jī)的重要部件，用于磁鋼塊的安裝與固定，其不僅要滿足強(qiáng)度要求還需滿足磁通量的需要，因此對于電機(jī)轉(zhuǎn)子的減重?zé)o法采用簡單的鏤空設(shè)計(jì)。

那么如何研發(fā)出一種輕量化的轉(zhuǎn)子鐵芯已經(jīng)成立急需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中轉(zhuǎn)子鐵芯重量過大的缺陷，提供一種輕量化電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯及其減重孔設(shè)計(jì)方法來解決上述問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種輕量化電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯，包括鐵芯本體，鐵芯本體上設(shè)有若干個(gè)V型磁鋼孔，相鄰的V型磁鋼孔之間均設(shè)有定位孔，鐵芯本體的圓心處設(shè)有軸孔，

所述的鐵芯本體上位于兩個(gè)相鄰定位孔之間均設(shè)有減重孔，減重孔由外孔邊、右孔邊、內(nèi)孔邊和左孔邊依次相連圍繞組成，外孔邊為弧形，若干個(gè)減重孔的外孔邊延長線所組成的圓位于鐵芯本體的圓周軌跡上。

所述的內(nèi)孔邊為弧形，若干個(gè)減重孔的內(nèi)孔邊延長線所組成的圓位于鐵芯本體的圓周軌跡上，且若干個(gè)外孔邊延長線所組成圓形的直徑大于若干個(gè)內(nèi)孔邊延長線所組成圓形的直徑。

所述外孔邊的弧長大于內(nèi)孔邊的弧長，左孔邊與外孔邊的交接處、右孔邊與外孔邊的交接處均為弧形。

所述的左孔邊、右孔邊均位于鐵芯本體的半徑軌跡上。

所述V型磁鋼孔、定位孔和減重孔的數(shù)量均為8個(gè)，右孔邊與其相鄰的另一減重孔的左孔邊的間距為3-16mm，內(nèi)孔邊與軸孔的間距為5-16mm。

一種輕量化電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯的減重孔設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

確定V型磁鋼孔在裝載磁鋼塊條件下的磁通范圍，以V型磁鋼孔為弧底、軸孔為弧頂擬定出大扇環(huán)區(qū)域；

利用強(qiáng)度仿真軟件計(jì)算出，在滿足磁通量條件下的大扇環(huán)區(qū)域的面積；

在大扇環(huán)區(qū)域內(nèi)擬定出小扇環(huán)區(qū)域，將小扇環(huán)區(qū)域作為減重孔設(shè)計(jì)位置；

利用強(qiáng)度仿真軟件計(jì)算出，在滿足磁通量條件下減重孔的外孔邊與V型磁鋼孔之間的距離；

對減重孔的左孔邊與大扇環(huán)邊界間距、右孔邊與大扇環(huán)邊界間距取最小值，對減重孔的內(nèi)孔邊與軸孔間距取最小值。

有益效果

本發(fā)明的一種輕量化電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯及其減重孔設(shè)計(jì)方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比在保證磁通的情況下，轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)具有重量輕、效率高、可靠性高、噪音小的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明能夠提高轉(zhuǎn)子鐵芯的承載能力，保證電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本投入，節(jié)約能源消耗。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中轉(zhuǎn)子鐵芯的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為傳統(tǒng)減重孔設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)子鐵芯上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中減重孔的面積計(jì)算示意圖；

圖5為傳統(tǒng)減重孔的面積計(jì)算示意圖；

圖6為本發(fā)明所涉及方法中基于V型磁鋼孔設(shè)計(jì)的大扇環(huán)區(qū)域結(jié)構(gòu)圖；

圖7為傳統(tǒng)減重孔在強(qiáng)度仿真軟件中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；

圖8為本發(fā)明的減重孔在強(qiáng)度仿真軟件中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；

圖9為圖1、圖2、圖3所示結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度仿真軟件中的面積與應(yīng)力關(guān)系圖；

其中，1-鐵芯本體、2-V型磁鋼孔、3-定位孔、4-軸孔、5-對稱平鍵、6-減重孔、11-外孔邊、12-右孔邊、13-內(nèi)孔邊、14-左孔邊。

具體實(shí)施方式

為使對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征及所達(dá)成的功效有更進(jìn)一步的了解與認(rèn)識，用以較佳的實(shí)施例及附圖配合詳細(xì)的說明，說明如下：

如圖1所示，傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯，包括鐵芯本體1，鐵芯本體1上設(shè)有若干個(gè)V型磁鋼孔2，V型磁鋼孔2用于安裝磁鋼塊。相鄰的V型磁鋼孔2之間均設(shè)有定位孔3，其中V型磁鋼孔2和定位孔3的數(shù)量均為8個(gè)。鐵芯本體1為復(fù)數(shù)個(gè)鐵芯疊片疊裝組成, 鐵芯本體1表面涂覆有防銹層，能夠起到有效的防銹作用，提高使用壽命。鐵芯本體1的圓心處設(shè)有軸孔4，為了在生產(chǎn)過程中電機(jī)裝配較容易，工作過程中電機(jī)運(yùn)行較平穩(wěn)，可以在軸孔4上采用傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)2個(gè)對稱平鍵5。

如圖3所示，為了達(dá)到輕量化目的，鐵芯本體1上位于兩個(gè)相鄰定位孔3之間均設(shè)有減重孔6，由于兩個(gè)相鄰定位孔3之間的位置限定，因此減重孔6位于V型磁鋼孔2的下方，同樣減重孔6的數(shù)量也為8個(gè)。減重孔6由外孔邊11、右孔邊12、內(nèi)孔邊13和左孔邊14依次相連圍繞組成，由外孔邊11、右孔邊12、內(nèi)孔邊13和左孔邊14圍成一個(gè)減重孔6。其中，外孔邊11為弧形，若干個(gè)減重孔6的外孔邊11延長線所組成的圓位于鐵芯本體1的圓周軌跡上，即減重孔6為扇形結(jié)構(gòu)。減重孔6的面積越大，則代表減重效果越好。

優(yōu)選的，內(nèi)孔邊13也為弧形，若干個(gè)減重孔6的內(nèi)孔邊13延長線所組成的圓位于鐵芯本體1的圓周軌跡上，并且若干個(gè)外孔邊11延長線所組成圓形的直徑大于若干個(gè)內(nèi)孔邊13延長線所組成圓形的直徑。這樣，減重孔6就從扇形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為扇環(huán)形。將減重孔6設(shè)計(jì)為扇環(huán)形結(jié)構(gòu)可以保證相對于其他結(jié)構(gòu)具有良好的減重效果，即減重孔6的扇環(huán)形結(jié)構(gòu)面積大于傳統(tǒng)其他的結(jié)構(gòu)形式面積。如圖2所示，將傳統(tǒng)減重孔設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)子鐵芯上，在此傳統(tǒng)減重孔設(shè)計(jì)為不規(guī)則四邊形結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，傳統(tǒng)減重孔的不規(guī)則四邊形結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的面積S1計(jì)算如下：

S1 = 1/2*x1*h1+1/2*(x1+y)(h-h1)

= 1/2*y*h+1/2*x1*h -1/2*y*h1。

如圖4所示，本發(fā)明減重孔6為扇環(huán)形結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的面積S2計(jì)算如下：

S2 =1/2*y*h+1/2*x*h

在此，不考慮具體數(shù)值，僅從幾何公式上看，減重孔6為扇環(huán)形結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的面積S2大于傳統(tǒng)減重孔的不規(guī)則四邊形結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的面積S1，說明減重孔6為扇環(huán)形結(jié)構(gòu)在減重效果方面效果最優(yōu)。

同樣，如圖7和圖8所示，利用強(qiáng)度仿真軟件通過實(shí)驗(yàn)力學(xué)傳感器，對圖2和圖3以等厚的薄圓盤為對象以角速度1000rpm繞其中心軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測。圖7的不規(guī)則四邊形結(jié)構(gòu)減重孔設(shè)計(jì)中，其不規(guī)則四邊形結(jié)構(gòu)減重孔面積為380平方毫米，應(yīng)力最大值為201Mpa，硅鋼片的屈服強(qiáng)度為395Mpa。圖8的扇環(huán)形結(jié)構(gòu)減重孔6設(shè)計(jì)中，減重孔面積為548平方毫米，應(yīng)力最大值為216Mpa，硅鋼片的屈服強(qiáng)度為395Mpa。由此對比可知，減重孔6設(shè)計(jì)為扇環(huán)形結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相比，強(qiáng)度相當(dāng)并且滿足極限情況下扇環(huán)形結(jié)構(gòu)減重效果更好。

同樣，如圖9所示，在保證磁通的情況下，圖1即不采用減重孔設(shè)計(jì)中，面積最大，應(yīng)力最大；圖2即采用不規(guī)則四邊形結(jié)構(gòu)作為減重孔設(shè)計(jì)中，面積雖然小了，但應(yīng)力還沒有達(dá)到最??；圖3即采用扇環(huán)形結(jié)構(gòu)作為減重孔設(shè)計(jì)中，面積最小，應(yīng)力最小。說明扇環(huán)形結(jié)構(gòu)作為減重孔設(shè)計(jì)合理，能夠提高轉(zhuǎn)子鐵芯的承載能力，保證電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。其原理分析介紹如下：

設(shè)等厚的薄圓盤外徑為b，內(nèi)徑為a，以角速度ω繞其中心軸旋轉(zhuǎn)，材料的密度為ρ，彈性模量為E，泊松比為ν，取單位體積微元：

平衡方程：

幾何方程：

物理方程：

邊界條件：

最后得出應(yīng)力分量為：

其中，為任意徑向，θ為圓周方向。

由以上應(yīng)力分量公式可知，在轉(zhuǎn)速相同、內(nèi)徑和外徑相同的情況下，徑向和周向應(yīng)力跟只跟密度有關(guān)系，所以取圓周微元、體積一定的情況下，面積越小，密度越小，應(yīng)力越小，另外由于泊松比的值很小，可以忽略它對結(jié)果的影響。由此可證實(shí)圖9中面積與應(yīng)力曲線關(guān)系的正確性。

為了進(jìn)一步的增大減重效果，外孔邊11的弧長大于內(nèi)孔邊13的弧長，即減重孔6所產(chǎn)生扇環(huán)形結(jié)構(gòu)的圓心與鐵芯本體1的圓心相重合。同時(shí)，左孔邊14與外孔邊11的交接處、右孔邊12與外孔邊11的交接處均為弧形，同樣左孔邊14與內(nèi)孔邊13的交接處、右孔邊12與內(nèi)孔邊13的交接處也均為弧形，這樣減小了應(yīng)力集中現(xiàn)象，增加了轉(zhuǎn)子鐵芯本體1的強(qiáng)度。

由于轉(zhuǎn)子鐵芯還需滿足磁通量的需要，因此，左孔邊14、右孔邊12均位于鐵芯本體1的半徑軌跡上，其在兩個(gè)相鄰定位孔3之間，即在V型磁鋼孔2與軸孔4所組成的大扇環(huán)區(qū)域內(nèi)。進(jìn)一步的，右孔邊12與其相鄰的另一減重孔6的左孔邊14的間距為3-16mm，內(nèi)孔邊13與軸孔4的間距為5-16mm。

在此還提供一種輕量化電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯的減重孔設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

第一步，確定V型磁鋼孔2在裝載磁鋼塊條件下的磁通范圍。如圖6所示，以V型磁鋼孔2為弧底、軸孔4為弧頂擬定出大扇環(huán)區(qū)域。由于V型磁鋼孔2內(nèi)裝載磁鋼塊，轉(zhuǎn)子在工作時(shí)的磁通量所要求的磁通范圍即為如圖6所示的大扇環(huán)區(qū)域，針對于減重孔的設(shè)計(jì)，只能在大扇環(huán)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)考慮。同時(shí)，由于相鄰的V型磁鋼孔2之間均設(shè)有定位孔3，即定位孔3位于V型磁鋼孔2的兩側(cè)，而兩個(gè)相鄰定位孔3之間均設(shè)有減重孔6，即減重孔6位于V型磁鋼孔2的下方，也就是說，減重孔6位于V型磁鋼孔2的下方并非隨意設(shè)計(jì)，而是為了滿足V型磁鋼孔2在裝載磁鋼塊條件下的磁通量的需要，在其大扇環(huán)磁通范圍內(nèi)的特殊設(shè)計(jì)。

第二步，利用強(qiáng)度仿真軟件計(jì)算出，在滿足磁通量條件下的大扇環(huán)區(qū)域的面積，通常為相鄰的V型磁鋼孔2之間的一半距離，即大扇環(huán)區(qū)域左邊界為當(dāng)前V型磁鋼孔2與左邊的V型磁鋼孔2之間的一半距離，大扇環(huán)區(qū)域右邊界為當(dāng)前V型磁鋼孔2與右邊的V型磁鋼孔2之間的一半距離。

第三步，在大扇環(huán)區(qū)域內(nèi)擬定出小扇環(huán)區(qū)域，將小扇環(huán)區(qū)域作為減重孔6設(shè)計(jì)位置。由于減重孔6設(shè)計(jì)為扇環(huán)結(jié)構(gòu)，其減重效果最好且強(qiáng)度不受影響。

第四步，利用強(qiáng)度仿真軟件計(jì)算出，在滿足磁通量條件下減重孔6的外孔邊11與V型磁鋼孔2之間的距離，此距離確定后，則可以計(jì)算出減重孔6的其他尺寸。

第五步，對減重孔6的左孔邊14與大扇環(huán)邊界間距、右孔邊12與大扇環(huán)邊界間距取最小值，對減重孔6的內(nèi)孔邊13與軸孔4間距取最小值，即在滿足磁通量（在滿足磁通量條件下已確定減重孔6的外孔邊11與V型磁鋼孔2之間的距離）情況下，減重孔6在大扇環(huán)區(qū)域內(nèi)的最大面積。也基于此，左孔邊14、右孔邊12均位于鐵芯本體1的半徑軌跡上，可以使得減重孔6可以在大扇環(huán)區(qū)域內(nèi)滿足磁通量的條件下形成最大化。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。