專利名稱：高速轉(zhuǎn)子軸的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及對(duì)高速轉(zhuǎn)子軸的改進(jìn)，特別涉及用于高速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸。
本發(fā)明將結(jié)合它在氣體、空氣或冷凍劑壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用情況來(lái)進(jìn)行描述。但是，應(yīng)予理解的是，本發(fā)明的原理也可以應(yīng)用于其它形式的電動(dòng)機(jī)用轉(zhuǎn)子中以及在其它應(yīng)用情況中使用的其它轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。
本發(fā)明的背景雖然高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是周知的，但是，由于這種電動(dòng)機(jī)的功率輸出較低，因此，它們的應(yīng)用受到限制。在這方面，可以參閱由Say和Taylor(PitmanInternational)撰寫(xiě)的文章“直流機(jī)器”，尤其是4.8、5.10和11.4章節(jié)。在所描述的一種形式中，這種電動(dòng)機(jī)包括一具有稀土磁鐵的轉(zhuǎn)子，諸如釹鐵硼[NdFeB]稀土磁鐵。這種材料和其它的稀土磁性材料通常具有較低的抗拉強(qiáng)度并且有些易碎，因此限制了它的使用。其它形式的電動(dòng)機(jī)使用了鐵氧體或其它磁性材料。由于這種電動(dòng)機(jī)的高旋轉(zhuǎn)速度會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，因此，必需以一種能保證磁心不會(huì)裂開(kāi)、扭曲、解體或變得不能使用的方式來(lái)構(gòu)造所述轉(zhuǎn)子。
因此，人們希望能提供一種用于諸如電動(dòng)機(jī)之類的高速機(jī)器的轉(zhuǎn)子，它具有一由諸如稀土磁鐵材料之類的低拉伸材料制成的磁心。
人們還希望能提供以這樣一種方式來(lái)構(gòu)造的電動(dòng)機(jī)用轉(zhuǎn)子，即，它能提供在高旋轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有所必需的機(jī)械性能的轉(zhuǎn)子。
人們還希望能提供一種制造起來(lái)較為經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)子。
人們還希望能提供一種用來(lái)構(gòu)造一具有稀土磁心的轉(zhuǎn)子的方法。
本發(fā)明的概述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于諸如無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)之類的高速機(jī)器的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有一稀土磁心；一環(huán)繞所述磁心以便在其高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將所述磁心徑向地緊緊夾住的軸套，所述軸套自所述磁心起朝著兩軸向方向軸向延伸以形成一用于所述轉(zhuǎn)子的中空軸，所述軸套由導(dǎo)電材料制成；位于所述軸套內(nèi)部并且分別與所述磁心的每一端直接或間接嚙合的諸個(gè)端件，所述端件將一軸向壓縮力施加于所述磁心上。
在一實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子是用在一無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，其中所述磁心是沿徑向被磁化的，所述磁心材料用的是釹鐵硼[NdFeB]。在該實(shí)施例中，所述電動(dòng)機(jī)被設(shè)計(jì)成其運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍可在大約20,000rpm和50,000rpm之間。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)子還可以用在一些具有更高旋轉(zhuǎn)速度的機(jī)器中。在目前一些正在研制的電動(dòng)機(jī)中，建議采用250,000rpm和更高的設(shè)計(jì)速度。具有這種極高運(yùn)轉(zhuǎn)速度的電動(dòng)機(jī)將具有極小的尺寸，但其功率輸出足以使用于例如冷凍系統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)能進(jìn)行工作。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子的高旋轉(zhuǎn)速度對(duì)轉(zhuǎn)子提出了嚴(yán)格的機(jī)械要求，即，它必須構(gòu)造得能經(jīng)受住所產(chǎn)生的作用力。所述轉(zhuǎn)子還必須具有足夠的剛性，即，其共振彎曲頻率要超過(guò)最大旋轉(zhuǎn)頻率。所述轉(zhuǎn)子還必須盡可能輕，以最大程度地減小轉(zhuǎn)子軸承上的載荷。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述軸套將一徑向壓縮力施加于所述磁心上，這樣，當(dāng)所述磁心處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所述磁心既受到徑向壓縮力的作用也受到軸向壓縮力的作用。在旋轉(zhuǎn)時(shí)，所產(chǎn)生的離心力是由所述軸套內(nèi)的壓力來(lái)抵消的，這樣，當(dāng)以最大旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，在所述磁心內(nèi)如果有也只產(chǎn)生最小的張力。這樣，由軸套和端件施加在磁心上的壓縮力可以保證磁心材料不受損傷，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，所述壓縮力也可以降低磁心內(nèi)的徑向張力。根據(jù)所采用的構(gòu)造模式以及所需的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，各端件可以直接或間接地與磁心的端部相嚙合。
轉(zhuǎn)子軸套最好由一種非磁性的高強(qiáng)度金屬制成，諸如鉻鎳鐵合金，它具有相對(duì)較高的楊氏模量，并且能為電動(dòng)機(jī)軸提供必需的抗彎剛度。但是，也可以采用其它的高強(qiáng)度材料來(lái)形成轉(zhuǎn)子軸套，諸如鈦和鈦合金。
軸向地壓緊磁心的端件可以藉助在端件和磁芯組件上加熱-收縮所述軸套而保持在位。這種加熱-收縮過(guò)程也可以為所述磁心提供所需的徑向壓縮力。但是，也可以采用其它形式來(lái)給所述軸套預(yù)加應(yīng)力，以提供所需的軸向壓縮力，諸如，在將抗張力施加于所述軸套或?qū)嚎s力施加于各端件時(shí)，通過(guò)機(jī)械連接或藉助將一個(gè)或兩個(gè)端件焊接或粘結(jié)于所述軸套上。
本發(fā)明還提供了一種用來(lái)制造高速機(jī)器用轉(zhuǎn)子的方法，所述轉(zhuǎn)子包括一稀土磁心，所述方法包括以下步驟形成一軸套，所述軸套的內(nèi)徑其尺寸要與置于軸套內(nèi)部的磁心和端件發(fā)生干涉配合；將所述軸套加熱至一低于其回火溫度的溫度，從而使所述軸套徑向和軸向膨脹；將所述磁心和各端件插進(jìn)膨脹的軸套內(nèi)；將一軸向力施加于各端件上從而將壓縮力施加于所述磁心上；使所述軸套冷卻，由此使所述軸套在所述磁心和各端件的外表面周圍冷縮。采用這種方法，由于施加于端件的軸向力以及軸套在磁心上的收縮，所述磁心可以被軸向壓緊。
在一實(shí)施例中，所述軸套是一經(jīng)預(yù)先硬化的、經(jīng)固溶退火的、超高強(qiáng)度的航天級(jí)非磁金屬合金。藉助一其內(nèi)放入所述軸套的感應(yīng)加熱線圈系統(tǒng)將所述軸套加熱至所需溫度，該溫度低于所述材料的回火溫度。一旦所述軸套處于指定的溫度，磁心和端件將準(zhǔn)確地位于所述軸套內(nèi)。在軸套迅速冷卻時(shí)將軸向的預(yù)加載作用力施加于各端件上以將所述磁心保持在壓縮狀態(tài)。冷卻過(guò)程可以使軸套在磁心和端件的表面周圍收縮。施加于所述較佳實(shí)施例中的各端件的壓縮力可以高達(dá)約600M帕。
對(duì)冷卻速率加以精確控制以防止磁特性和磁心表面受損，最好在與磁心相嚙合和夾緊之前先與各端件相嚙合并夾緊。軸套冷卻時(shí)，軸套的軸向收縮也有助于保持對(duì)磁心的軸向壓緊或在磁心上產(chǎn)生軸向壓縮力。
應(yīng)予理解的是，端件可以包括用于轉(zhuǎn)子的軸節(jié)。在本發(fā)明的另一形式中，端件包括由諸如釹鎳鐵合金之類的非磁性材料制成的軸節(jié)，而另一端件或部分端件是一非磁性間隔件，它夾設(shè)在所述磁心和一由其它也可能是磁性材料制成的軸節(jié)之間。
應(yīng)予理解的是，雖然本發(fā)明的轉(zhuǎn)子是用在高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中的，但是，所述轉(zhuǎn)子也可以用在磁耦合應(yīng)用場(chǎng)合中，例如，氣輪機(jī)的軸是與一離心式壓縮機(jī)等的軸磁耦合的。采用這種設(shè)置，所述磁心是為耦合目的而設(shè)計(jì)的，因此，它所具有的結(jié)構(gòu)可以不同于它在電動(dòng)機(jī)用途中所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。
為了更好地理解本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施例進(jìn)行描述。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
圖1是一轉(zhuǎn)子軸的局部剖視的正視示意圖，它示出了環(huán)繞在所述轉(zhuǎn)子軸周圍的電動(dòng)機(jī)定子；圖2是所述轉(zhuǎn)子軸組件的示意圖。
較佳實(shí)施例的描述請(qǐng)參閱各附圖，所示的轉(zhuǎn)子10是用來(lái)在高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中使用，以驅(qū)動(dòng)一離心壓縮機(jī)的(未示)。所述電動(dòng)機(jī)被設(shè)計(jì)得盡可能緊湊，以盡可能的減小電動(dòng)機(jī)/壓縮機(jī)的總體尺寸。但是，電動(dòng)機(jī)必需將足夠的功率傳遞給所述壓縮機(jī)。
轉(zhuǎn)子10包括一磁心12，所述磁心由釹鐵硼(NdFeB)制成，它是一種抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低的燒結(jié)磁性材料。軸套14環(huán)設(shè)在磁心12周圍，并自該處朝著兩個(gè)方向軸向延伸以形成一中空軸。在此實(shí)施例中，軸套14是由鉻鎳鐵合金718制成的，它是一種磁導(dǎo)率較低的超高強(qiáng)度的航天級(jí)非磁性合金。軸套14被施加預(yù)應(yīng)力以在磁心12上提供一徑向和軸向的壓縮力。此外，磁心12在一非磁性軸節(jié)16和一非磁性間隔件17之間還受到軸向壓縮力。軸節(jié)16和間隔件17可以由鉻鎳鐵合金制成，但它們也可以采用其它的非磁性材料。
由磁性材料制成的第二軸節(jié)18也被軸套14在間隔件17的外面嚙合。本實(shí)施例的軸節(jié)16和18被設(shè)計(jì)成將轉(zhuǎn)子10支承在以19總的示出的磁性軸承內(nèi)。軸節(jié)18的外端適于支承一冷凍劑壓縮機(jī)(未示)的葉輪。
較佳的是，軸節(jié)16、18和間隔件17都具有一定尺寸，從而能與軸套14的內(nèi)表面進(jìn)行干涉配合。但是，應(yīng)予理解的是，軸節(jié)18和間隔件17中的一個(gè)也可以不是干涉配合的，只要壓縮力能通過(guò)它施加于磁心12上即可。
轉(zhuǎn)子10的所述結(jié)構(gòu)形成一較堅(jiān)硬亦即機(jī)械性能較穩(wěn)定的電動(dòng)機(jī)用轉(zhuǎn)子。磁心12受軸套14、軸節(jié)16和間隔件17的作用而保持處于徑向和軸向壓縮力作用之下，這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高達(dá)50,000rpm或者甚至250,000rpm時(shí)，可以平衡所產(chǎn)生的離心力。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖2，圖中示出了轉(zhuǎn)子軸的各構(gòu)成部件的裝配方法。所述裝配方法能藉助對(duì)軸套14進(jìn)行加熱，即借助使用一感應(yīng)加熱器21來(lái)進(jìn)行感應(yīng)加熱，將軸套14加熱到400℃和480℃之間但低于其回火溫度而獲得所示實(shí)施例中的壓縮力。較佳的是，將所述溫度保持得盡可能低，以降低對(duì)磁心表面造成損傷的任何可能性。隨后用一搖振工具22插入磁心12、非磁心軸節(jié)16、間隔件17和磁性軸節(jié)18。在軸套14迅速冷卻，以致軸套14在軸節(jié)16和18、軸套14和磁芯12的外表面周圍收縮時(shí)，將高達(dá)600M帕的軸向力施加于軸節(jié)16和18上，以使所述間隔件和磁芯12預(yù)加載而處于壓縮狀態(tài)，所述整個(gè)工藝過(guò)程大致需要5秒鐘，而且冷卻速率被精確控制以防止磁心12受損。軸節(jié)16和18的尺寸是這樣的，即，它們?cè)诖判?2之前先被冷卻中的軸套14徑向夾緊，因此，持續(xù)的冷卻作用也可以產(chǎn)生一軸向的收縮，由此可以使軸節(jié)16、18和間隔件17繼續(xù)將一軸向壓縮力施加于磁心12上。
如果需要，可以將軸節(jié)16和18焊接于軸套14上。如果需要也可以將所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)部抽空或用一種氣體來(lái)填充，所述氣體與所述磁鐵化學(xué)地相容，從而產(chǎn)生一氣密的密封結(jié)構(gòu)。
應(yīng)予理解的是，正如前文指出的那樣，間隔件17可以具有這樣一個(gè)尺寸，即，它不與軸套14發(fā)生干涉配合。在這種情況中，壓縮力是被施加在軸節(jié)16和18之間，而所述間隔件也由此被保持在壓縮狀態(tài)。采用這種設(shè)置，所述間隔件僅僅起著將磁心12與軸節(jié)18磁心分隔開(kāi)的作用。如果需要，尤其是如果兩軸節(jié)都是由一種磁性材料制成時(shí)，可以將間隔件設(shè)置在所述磁心的每一端部。
根據(jù)本發(fā)明，還可以對(duì)本發(fā)明轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)和/或構(gòu)造作出很多變化，凡是在本發(fā)明范圍之內(nèi)的所有這些變化都將被認(rèn)為是落在以上描述的范圍之內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種用于諸如無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)之類的高速機(jī)器的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有一稀土磁心；一環(huán)繞所述磁心以便在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將所述磁心徑向地緊緊夾住的軸套，所述軸套自所述磁心起朝著兩軸向方向軸向延伸以形成一用于所述轉(zhuǎn)子的中空軸，所述軸套由導(dǎo)電材料制成；位于所述軸套內(nèi)部并且分別與所述磁心的每一端直接或間接嚙合的諸個(gè)端件，所述端件將一軸向壓縮力施加于所述磁心上。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述機(jī)器是一直流電動(dòng)機(jī)，其中所述磁心是沿徑向被磁化的，所述磁心材料是釹鐵硼[NdFeB]。
3.如權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子的共振彎曲頻率超過(guò)最大旋轉(zhuǎn)頻率。
4.如權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述軸套將一徑向壓縮力施加于所述磁心上，這樣，當(dāng)所述磁心處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所述磁心既受到徑向壓縮力的作用也受到軸向壓縮力的作用。
5.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述壓縮力具有這樣的值，即，當(dāng)以最大旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，在所述磁心內(nèi)將產(chǎn)生最小(如果有的話)的張力。
6.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述端件的至少其中之一通過(guò)一非磁間隔件與所述磁心的相應(yīng)端間接嚙合。
7.如權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子軸套由一種非磁性的高強(qiáng)度金屬制成，它具有一相對(duì)較高的楊氏模量，以便為所述電動(dòng)機(jī)軸提供抗彎剛度。
8.如權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子軸套的材料是從以下材料中選擇出來(lái)的鉻鎳鐵合金、鈦和鈦合金。
9.如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述端件通過(guò)在端件和磁鐵的組件上加熱-收縮軸套而保持在所述軸套內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，在將張力施加于所述軸套或?qū)嚎s力施加于各端件的時(shí)候。藉助將一個(gè)或兩個(gè)端件焊接或粘結(jié)于所述軸套上而將各端件與所述軸套相連。
11.一種用來(lái)制造高速機(jī)器用轉(zhuǎn)子的方法，所述轉(zhuǎn)子包括一稀土磁心，所述方法包括以下步驟形成一軸套，所述軸套的內(nèi)徑其尺寸要與置于軸套內(nèi)部的各端件發(fā)生干涉配合；將所述軸套加熱至一低于其回火溫度的溫度，從而使所述軸套徑向和軸向膨脹；將所述磁心和各端件插進(jìn)膨脹的軸套內(nèi)；將一軸向力施加于各端件上從而可以將壓縮力施加于所述磁心上；使所述軸套冷卻，由此使所述軸套在所述磁心和各端件的外表面周圍冷縮。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述磁心的直徑具有一可與所述軸套發(fā)生干涉配合的直徑。
13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述軸套藉助一其內(nèi)放入所述軸套的感應(yīng)加熱線圈系統(tǒng)而被加熱至所需溫度。
14.如權(quán)利要求11至13中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟當(dāng)所述磁心被預(yù)加壓縮應(yīng)力時(shí)，使經(jīng)加熱的軸套迅速冷卻。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟對(duì)冷卻速率加以控制，以防止磁特性和磁心表面受損，并可確保所述軸套在與磁心相嚙合和夾緊之前先與各端件相嚙合并夾緊。
16.一種用來(lái)制造高速機(jī)器用轉(zhuǎn)子的方法，所述轉(zhuǎn)子包括一稀土磁心，所述方法包括以下步驟形成一軸套；將所述磁心設(shè)置在所述軸套內(nèi)部；在所述軸套內(nèi)設(shè)置諸個(gè)端件以便直接或通過(guò)一間隔件間接地與所述磁心的各軸向端部嚙合；利用各端件對(duì)所述磁心軸向地預(yù)加壓縮應(yīng)力；以及當(dāng)磁心被軸向預(yù)加應(yīng)力時(shí)將各端件固定于所述軸套上。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述各端件是藉助焊接、粘結(jié)或加熱-收縮所述軸套以產(chǎn)生干涉配合而固定于所述軸套上的。
18.藉助權(quán)利要求11至17中任一權(quán)利要求所述的方法制得的轉(zhuǎn)子。
19.具有一如權(quán)利要求1至10中任一權(quán)利要求或權(quán)利要求18所述的轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)。
全文摘要
用于高速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子(10)在一形成轉(zhuǎn)子軸的軸套(14)內(nèi)部具有一稀土磁心(12)。磁心(12)被軸向地壓縮在藉助焊接、粘結(jié)或加熱－收縮而固定于所述軸套的兩端件(16,18)之間。在磁芯(12)上同時(shí)施加徑向的壓縮力。轉(zhuǎn)子(10)的裝配方法具有以下步驟:將磁心(12)軸向地壓縮在端件(16,18)之間,并在磁心(12)被預(yù)加應(yīng)力時(shí)將軸套(14)固定于端件(16,18)上。
文檔編號(hào)H02K15/03GK1246217SQ98802132
公開(kāi)日2000年3月1日 申請(qǐng)日期1998年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月29日
發(fā)明者R·D·康里, R·迪策爾, 林懷玉, H·C·洛瓦特, P·A·沃特森 申請(qǐng)人:特伯考普有限公司, 聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織, 悉尼技術(shù)大學(xué)