一种轻量化电机转子铁芯及其减重孔设计方法

摘要

本发明涉及一种轻量化电机转子铁芯及其减重孔设计方法，与现有技术相比解决了转子铁芯重量过大的缺陷。本发明的铁芯本体上位于两个相邻定位孔之间均设有减重孔，减重孔由外孔边、右孔边、内孔边和左孔边依次相连围绕组成，外孔边为弧形，若干个减重孔的外孔边延长线所组成的圆位于铁芯本体的圆周轨迹上。本发明在保证磁通的情况下，转子铁芯结构具有重量轻、效率高、可靠性高、噪音小的优点。

权利要求

1.一种轻量化电机转子铁芯，包括铁芯本体(1)，铁芯本体(1)上设有若干个V型磁钢孔(2)，相邻的V型磁钢孔(2)之间均设有定位孔(3)，铁芯本体(1)的圆心处设有轴孔(4)，其特征在于：所述的铁芯本体(1)上位于两个相邻定位孔(3)之间均设有减重孔(6)，减重孔(6)由外孔边(11)、右孔边(12)、内孔边(13)和左孔边(14)依次相连围绕组成，外孔边(11)为弧形，若干个减重孔(6)的外孔边(11)延长线所组成的圆位于铁芯本体(1)的圆周轨迹上；所述的内孔边(13)为弧形，若干个减重孔(6)的内孔边(13)延长线所组成的圆位于铁芯本体(1)的圆周轨迹上，且若干个外孔边(11)延长线所组成圆形的直径大于若干个内孔边(13)延长线所组成圆形的直径；所述的左孔边(14)、右孔边(12)均位于铁芯本体(1)的半径轨迹上；所述V型磁钢孔(2)、定位孔(3)和减重孔(6)的数量均为8个，右孔边(12)与其相邻的另一减重孔(6)的左孔边(14)的间距为3-16mm，内孔边(13)与轴孔(4)的间距为5-16mm；

其减重孔设计方法，包括以下步骤：

11)确定V型磁钢孔(2)在装载磁钢块条件下的磁通范围，以V型磁钢孔(2)为弧底、轴孔(4)为弧顶拟定出大扇环区域；

12)利用强度仿真软件计算出，在满足磁通量条件下的大扇环区域的面积；

13)在大扇环区域内拟定出小扇环区域，将小扇环区域作为减重孔(6)设计位置；

14)利用强度仿真软件计算出，在满足磁通量条件下减重孔(6)的外孔边(11)与V型磁钢孔(2)之间的距离；

15)对减重孔(6)的左孔边(14)与大扇环边界间距、右孔边(12)与大扇环边界间距取最小值，对减重孔(6)的内孔边(13)与轴孔(4)间距取最小值。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化电机转子铁芯，其特征在于：所述外孔边(11)的弧长大于内孔边(13)的弧长，左孔边(14)与外孔边(11)的交接处、右孔边(12)与外孔边(11)的交接处均为弧形。

说明书

一种轻量化电机转子铁芯及其减重孔设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电机转子技术领域，具体来说是一种轻量化电机转子铁芯及其减重孔设计方法。

背景技术

[0002] 目前全球气候问题日趋严重，传统燃油汽车是造成这些问题的主要因素之一。随着各国政府对环保问题逐渐重视，各项利于发展纯电动汽车的政策也陆续出台，电动汽车也迎来了良好的发展机遇。电机作为纯电动汽车唯一的驱动系统，直接决定了整个电动汽车性能的优劣。随着技术的不断进步以及人们对电动汽车的性能要求逐渐提高，电机体积小型化、轻量化已成为目前电机发展最主要的趋势。

[0003] 现有技术中的电机转子为铁芯叠片结构，铁芯的结构设计不甚合理，转子铁芯重量大、转动惯量大。电机在运行时，存在着较大损耗，效率难以大幅度地提高。同时由于转子铁芯结构设计不合理、重量大，装配使用时电机工作稳定性差、噪音大。但是转子铁芯作为电机的重要部件，用于磁钢块的安装与固定，其不仅要满足强度要求还需满足磁通量的需要，因此对于电机转子的减重无法采用简单的镂空设计。

[0004] 那么如何研发出一种轻量化的转子铁芯已经成立急需解决的技术问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术中转子铁芯重量过大的缺陷，提供一种轻量化电机转子铁芯及其减重孔设计方法来解决上述问题。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0007] 一种轻量化电机转子铁芯，包括铁芯本体，铁芯本体上设有若干个V型磁钢孔，相邻的V型磁钢孔之间均设有定位孔，铁芯本体的圆心处设有轴孔，

[0008] 所述的铁芯本体上位于两个相邻定位孔之间均设有减重孔，减重孔由外孔边、右孔边、内孔边和左孔边依次相连围绕组成，外孔边为弧形，若干个减重孔的外孔边延长线所组成的圆位于铁芯本体的圆周轨迹上。

[0009] 所述的内孔边为弧形，若干个减重孔的内孔边延长线所组成的圆位于铁芯本体的圆周轨迹上，且若干个外孔边延长线所组成圆形的直径大于若干个内孔边延长线所组成圆形的直径。

[0010] 所述外孔边的弧长大于内孔边的弧长，左孔边与外孔边的交接处、右孔边与外孔边的交接处均为弧形。

[0011] 所述的左孔边、右孔边均位于铁芯本体的半径轨迹上。

[0012] 所述V型磁钢孔、定位孔和减重孔的数量均为8个，右孔边与其相邻的另一减重孔的左孔边的间距为3-16mm，内孔边与轴孔的间距为5-16mm。

[0013] 一种轻量化电机转子铁芯的减重孔设计方法，包括以下步骤：

[0014] 确定V型磁钢孔在装载磁钢块条件下的磁通范围，以V型磁钢孔为弧底、轴孔为弧顶拟定出大扇环区域；

[0015] 利用强度仿真软件计算出，在满足磁通量条件下的大扇环区域的面积；

[0016] 在大扇环区域内拟定出小扇环区域，将小扇环区域作为减重孔设计位置；

[0017] 利用强度仿真软件计算出，在满足磁通量条件下减重孔的外孔边与V型磁钢孔之间的距离；

[0018] 对减重孔的左孔边与大扇环边界间距、右孔边与大扇环边界间距取最小值，对减重孔的内孔边与轴孔间距取最小值。

[0019] 有益效果

[0020] 本发明的一种轻量化电机转子铁芯及其减重孔设计方法，与现有技术相比在保证磁通的情况下，转子铁芯结构具有重量轻、效率高、可靠性高、噪音小的优点。本发明能够提高转子铁芯的承载能力，保证电机运行平稳，同时也降低了生产成本投入，节约能源消耗。

附图说明

[0021] 图1为现有技术中转子铁芯的结构示意图；

[0022] 图2为传统减重孔设计在转子铁芯上的结构示意图；

[0023] 图3为本发明的结构示意图；

[0024] 图4为本发明中减重孔的面积计算示意图；

[0025] 图5为传统减重孔的面积计算示意图；

[0026] 图6为本发明所涉及方法中基于V型磁钢孔设计的大扇环区域结构图；

[0027] 图7为传统减重孔在强度仿真软件中的实验结果图；

[0028] 图8为本发明的减重孔在强度仿真软件中的实验结果图；

[0029] 图9为图1、图2、图3所示结构在强度仿真软件中的面积与应力关系图；

[0030] 其中，1-铁芯本体、2-V型磁钢孔、3-定位孔、4-轴孔、5-对称平键、6-减重孔、11-外孔边、12-右孔边、13-内孔边、14-左孔边。

具体实施方式

[0031] 为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

[0032] 如图1所示，传统的电机转子铁芯，包括铁芯本体1，铁芯本体1上设有若干个V型磁钢孔2，V型磁钢孔2用于安装磁钢块。相邻的V型磁钢孔2之间均设有定位孔3，其中V型磁钢孔2和定位孔3的数量均为8个。铁芯本体1为复数个铁芯叠片叠装组成, 铁芯本体1表面涂覆有防锈层，能够起到有效的防锈作用，提高使用寿命。铁芯本体1的圆心处设有轴孔4，为了在生产过程中电机装配较容易，工作过程中电机运行较平稳，可以在轴孔4上采用传统技术设计2个对称平键5。

[0033] 如图3所示，为了达到轻量化目的，铁芯本体1上位于两个相邻定位孔3之间均设有减重孔6，由于两个相邻定位孔3之间的位置限定，因此减重孔6位于V型磁钢孔2的下方，同样减重孔6的数量也为8个。减重孔6由外孔边11、右孔边12、内孔边13和左孔边14依次相连围绕组成，由外孔边11、右孔边12、内孔边13和左孔边14围成一个减重孔6。其中，外孔边11为弧形，若干个减重孔6的外孔边11延长线所组成的圆位于铁芯本体1的圆周轨迹上，即减重孔6为扇形结构。减重孔6的面积越大，则代表减重效果越好。

[0034] 优选的，内孔边13也为弧形，若干个减重孔6的内孔边13延长线所组成的圆位于铁芯本体1的圆周轨迹上，并且若干个外孔边11延长线所组成圆形的直径大于若干个内孔边13延长线所组成圆形的直径。这样，减重孔6就从扇形结构转化为扇环形。将减重孔6设计为扇环形结构可以保证相对于其他结构具有良好的减重效果，即减重孔6的扇环形结构面积大于传统其他的结构形式面积。如图2所示，将传统减重孔设计在转子铁芯上，在此传统减重孔设计为不规则四边形结构。

[0035] 如图5所示，传统减重孔的不规则四边形结构所产生的面积S1计算如下：

[0036] S1 = 1/2*x1*h1+1/2*(x1+y)(h-h1)

[0037] = 1/2*y*h+1/2*x1*h -1/2*y*h1。

[0038] 如图4所示，本发明减重孔6为扇环形结构所产生的面积S2计算如下：

[0039] S2 =1/2*y*h+1/2*x*h

[0040] 在此，不考虑具体数值，仅从几何公式上看，减重孔6为扇环形结构所产生的面积S2大于传统减重孔的不规则四边形结构所产生的面积S1，说明减重孔6为扇环形结构在减重效果方面效果最优。

[0041] 同样，如图7和图8所示，利用强度仿真软件通过实验力学传感器，对图2和图3以等厚的薄圆盘为对象以角速度1000rpm绕其中心轴旋转进行检测。图7的不规则四边形结构减重孔设计中，其不规则四边形结构减重孔面积为380平方毫米，应力最大值为201Mpa，硅钢片的屈服强度为395Mpa。图8的扇环形结构减重孔6设计中，减重孔面积为548平方毫米，应力最大值为216Mpa，硅钢片的屈服强度为395Mpa。由此对比可知，减重孔6设计为扇环形结构与其他结构相比，强度相当并且满足极限情况下扇环形结构减重效果更好。

[0042] 同样，如图9所示，在保证磁通的情况下，图1即不采用减重孔设计中，面积最大，应力最大；图2即采用不规则四边形结构作为减重孔设计中，面积虽然小了，但应力还没有达到最小；图3即采用扇环形结构作为减重孔设计中，面积最小，应力最小。说明扇环形结构作为减重孔设计合理，能够提高转子铁芯的承载能力，保证电机运行平稳。其原理分析介绍如下：

[0043] 设等厚的薄圆盘外径为b，内径为a，以角速度ω绕其中心轴旋转，材料的密度为ρ，弹性模量为E，泊松比为ν，取单位体积微元：

[0044] 平衡方程：

[0045]

[0046] 几何方程：

[0047]

[0048] 物理方程：

[0049]

[0050]

[0051] 边界条件：

[0052]

[0053]

[0054] 最后得出应力分量为：

[0055]

[0056]

[0057] 其中，为任意径向，θ为圆周方向。

[0058] 由以上应力分量公式可知，在转速相同、内径和外径相同的情况下，径向和周向应力跟只跟密度有关系，所以取圆周微元、体积一定的情况下，面积越小，密度越小，应力越小，另外由于泊松比的值很小，可以忽略它对结果的影响。由此可证实图9中面积与应力曲线关系的正确性。

[0059] 为了进一步的增大减重效果，外孔边11的弧长大于内孔边13的弧长，即减重孔6所产生扇环形结构的圆心与铁芯本体1的圆心相重合。同时，左孔边14与外孔边11的交接处、右孔边12与外孔边11的交接处均为弧形，同样左孔边14与内孔边13的交接处、右孔边12与内孔边13的交接处也均为弧形，这样减小了应力集中现象，增加了转子铁芯本体1的强度。

[0060] 由于转子铁芯还需满足磁通量的需要，因此，左孔边14、右孔边12均位于铁芯本体1的半径轨迹上，其在两个相邻定位孔3之间，即在V型磁钢孔2与轴孔4所组成的大扇环区域内。进一步的，右孔边12与其相邻的另一减重孔6的左孔边14的间距为3-16mm，内孔边13与轴孔4的间距为5-16mm。

[0061] 在此还提供一种轻量化电机转子铁芯的减重孔设计方法，包括以下步骤：

[0062] 第一步，确定V型磁钢孔2在装载磁钢块条件下的磁通范围。如图6所示，以V型磁钢孔2为弧底、轴孔4为弧顶拟定出大扇环区域。由于V型磁钢孔2内装载磁钢块，转子在工作时的磁通量所要求的磁通范围即为如图6所示的大扇环区域，针对于减重孔的设计，只能在大扇环区域内进行相应的设计考虑。同时，由于相邻的V型磁钢孔2之间均设有定位孔3，即定位孔3位于V型磁钢孔2的两侧，而两个相邻定位孔3之间均设有减重孔6，即减重孔6位于V型磁钢孔2的下方，也就是说，减重孔6位于V型磁钢孔2的下方并非随意设计，而是为了满足V型磁钢孔2在装载磁钢块条件下的磁通量的需要，在其大扇环磁通范围内的特殊设计。

[0063] 第二步，利用强度仿真软件计算出，在满足磁通量条件下的大扇环区域的面积，通常为相邻的V型磁钢孔2之间的一半距离，即大扇环区域左边界为当前V型磁钢孔2与左边的V型磁钢孔2之间的一半距离，大扇环区域右边界为当前V型磁钢孔2与右边的V型磁钢孔2之间的一半距离。

[0064] 第三步，在大扇环区域内拟定出小扇环区域，将小扇环区域作为减重孔6设计位置。由于减重孔6设计为扇环结构，其减重效果最好且强度不受影响。

[0065] 第四步，利用强度仿真软件计算出，在满足磁通量条件下减重孔6的外孔边11与V型磁钢孔2之间的距离，此距离确定后，则可以计算出减重孔6的其他尺寸。

[0066] 第五步，对减重孔6的左孔边14与大扇环边界间距、右孔边12与大扇环边界间距取最小值，对减重孔6的内孔边13与轴孔4间距取最小值，即在满足磁通量（在满足磁通量条件下已确定减重孔6的外孔边11与V型磁钢孔2之间的距离）情况下，减重孔6在大扇环区域内的最大面积。也基于此，左孔边14、右孔边12均位于铁芯本体1的半径轨迹上，可以使得减重孔6可以在大扇环区域内满足磁通量的条件下形成最大化。

[0067] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。