CN102282744B - 由磁性材料制成的转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由磁性材料制成的转子(2)，其中，该磁性材料的至少一个表面部分设置有耐磨涂层(18，20，22)。
Description
技术领域
本发明涉及一种由磁性材料制成的转子。
背景技术
在电动机中所使用的转子必须具有磁性。为此，公知的是在永磁电动机中将永久磁铁嵌入转子中。此外，由专利文献EP 1719916 A1可知一种无轴且完全由磁性材料构成的转子，其中，通过对转子中的磁性材料的相应磁化形成转子的各个磁体。
转子在电动机中必须沿轴向和径向安装。在此，轴承不仅要承受由转子本身产生的力，而且还要承受从连接在转子上的元件传递到转子上的外力。例如在泵机组中，由叶轮产生的轴向力以及作用在叶轮上的径向力可以直接传递到电动机的转子上，并且必然被转子的轴承所承受。
对于完全由磁性材料制成的转子，其可能的困难之处在于，轴承的尺寸要使其足够强，以便能够承受所发生的力。因此，专利文献EP 1719916 A1提出，在磁性材料中附加地嵌入轴承套管。然而，这意味着更高的制造和装配费用。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种简化的由磁性材料制成的转子，其制造成本低并能够实现足够稳固的支承。
本发明的这一目的通过本发明的由磁性材料制成的转子得以实现。
根据本发明的转子由磁性材料制成。在磁性材料中可以通过磁化来形成各转子磁极。为了至少在单独的一部分中，例如在作为轴承的区域中，提高耐磨性，磁性材料的至少一段表面部分涂有耐磨涂层。也就是说，将由具有理想的耐磨性以及硬度(如果必要)的其他材料制成的薄层涂在该表面部分。该涂层可以通过任何合适的方法，例如PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)、离子束镀魔(IBAD，离子束辅助沉积)或PCVD(等离子体化学气相沉积)等涂在磁性材料上。该耐磨涂层使得磁性材料的表面部分具有所需要的耐磨损性能，从而使该表面部分例如可以作为转子的轴承结构。在此，该涂层明显要比磁性材料本身更硬和/或更加耐磨，例如当其是不具有所需特性的铁氧体材料时。
根据一种优选实施方式，转子完全由磁性材料制成。也就是说，特别优选转子没有单独的转子轴，而是由磁性材料一体化地制造。然后，通过对磁性材料的一部分进行相应的磁化形成转子的极。根据本发明，整个转子或者转子的一个或多个表面部分都涂有耐磨涂层。这些表面部分可以是作为轴承的表面部分。替代地，例如当转子将接触到腐蚀介质或磨蚀介质时，也可以为其他的表面部分或整个转子涂上耐磨涂层。根据本发明的涂层的优点在于，不必在转子上或转子中安装或内置单独的轴衬(Lagerschale，套管)或轴承元件，由此可以使生产更加简化、成本更低。此外，如果不需要单独的轴衬，可以使转子中的磁性材料的比例最大化，由此可以改善转子的磁性特性并提高工作效率。
优选转子是电动机的一部分，并进一步优选是泵机组的电驱动电机的一部分。特别是在规模生产的泵机组中(例如供热循环泵机组)，转子能够以最简单的方式进行生产。同时，对于这种往往连续运转的泵，重要之处在于使效率最大化，以保持较低的能源消耗。因此，可取的是尽可能地优化转子的磁性特征。
涂层优选由DLC(英语：diamond-like carbon，类金刚石碳)制成，即由类金刚石碳、CrN(氮化铬)和/或TiAlN(氮化铝钛)构成。DLC涂层可以是四面体非晶碳薄膜(ta-C)、氢化非晶碳涂层(非晶氢化碳(a-C:H))或者四面体氢化非晶碳涂层(tetrahedral-bonded-hydrogen-containingamorphous carbon，四面体氢化无定形碳涂层，ta-C:H)。这些涂层材料可以单独使用，也可以组合使用，以形成磁性材料的耐磨涂层。但是，也可以单独或组合使用其他的合适的涂层材料，特别是与以上所述的材料之一组合使用。涂层材料的选择一方面依赖于所需要的涂层性能，特别是所要求的耐磨性，另一方面依赖于磁性材料，以便能够在涂层和磁性材料之间获得稳固的连接。
根据一种特别优选的实施方式，至少形成两层涂层。通过这种实施方式可以实现特别的耐磨性。此外，还可以改善涂层和磁性材料之间的结合(Bindung)。一般对用于转子的磁性材料，例如铁氧体，无法较容易地设置传统的耐磨涂层。这个问题可以通过涂层的多层结构加以解决。例如，可以先涂上一层，该层与磁性材料良好地结合并同时对于所涂的耐磨层也是合适的承载层。由此，该第一层可以实现磁性材料和实际耐磨层之间的结合。此外，该层还可以改善涂层工艺(Beschichtungsprozess)。因此，该第一涂层可以例如是导电的，从而允许利用耐磨材料通过传统的方式、方法(例如PVD方法)完成进一步的涂覆。通过这种方式还可以实现非导电性磁性材料的涂覆。
因此，如果直接涂在磁性材料上的内层优选是导电的，那么涂层的外层优选由低摩擦、高耐磨性的材料构成。这个外层例如对于转子的轴承区域，也就是将转子沿径向和/或轴向安装在其中的区域，是理想的层。相对于周围较硬的、例如由Al2O3(氧化铝)制成的轴衬而言，这种高耐磨层也形成了适合的对立面。通过这种方式可以实现轴承配对，该轴承配对一方面是高度耐磨的，并因此是相当耐用的，另一方面还可以承受更大的力。
特别优选将涂层构造为具有中间承载层的三层。因此，可以优选如上所述内层是导电的，并因此首先一次性生成非导电磁性材料的基本涂层特性。随后涂在内层上的中间层构成承载层或结合层，其在导电内层和随后涂上的外层之间产生结合。如前所述，外层由优选具有低摩擦的高耐磨材料组成。
内层优选至少部分地由CrN或耐腐蚀的金属制成。这是一种导电层，并允许例如以PVD法进行涂层，以便此后可以涂上其他的层，特别是高耐磨性的外层。
外层优选至少部分由DLC、CrN或TiAlN形成。这些是具有高耐磨性的材料。
如前所述，优选为转子的构成轴承面的至少一部分设置如前所述的涂层。另外，还可以优选以这种方式对整个转子进行涂层，以例如确保转子的耐蚀性。通过这种方式可以放弃例如具有不锈钢外套的转子的附加的包覆物或封装。由此一方面可以简化转子的制造，另一方面还可以改善转子的磁性特征，因为与附加的围绕转子外周的护套相比，薄涂层可以更小程度地影响磁场。
轴承表面也可以优选设置在转子的轴向延长部上。该延长部沿轴向、也就是沿转子的转动轴线方向在至少一个端面上突出，从而形成转子轴，但是同样优选由磁性材料与转子的其他部分一体化地构成。该延长部优选用于特别是沿径向方向安放转子，并在必要时用于将由转子驱动的部件(例如泵叶轮)与转子相连接。也就是说，该突出部分承担了转子轴的功能。
附图说明
下面参照附图对本发明做示例性地说明。
图1示出了根据本发明的第一种实施方式的泵机组的转子的侧视图，
图2示出了根据本发明的第二种实施方式的泵机组的转子的侧视图，
图3示出了根据本发明的第三种实施方式的泵机组的转子的侧视图，
图4a示出了根据本发明的第四种实施方式的泵机组的转子的侧视图，
图4b示出了如图4a所示转子的沿箭头A方向的轴向俯视图，
图5a示出了根据本发明的第五种实施方式的泵机组的转子的侧视图，
图5b示出了如图5a所示转子的沿箭头A方向的轴向俯视图，
图6示出了根据本发明的第六种实施方式的泵机组的转子的侧视图，
图7示出了根据本发明的优选实施方式的具有涂层的转子的示意性截面图，
图8示出了根据本发明的另一种实施方式的转子的示意图。
具体实施方式
图1-6示出了泵机组的转子，其中，对不同的区域进行涂层。泵机组的转子由实际的转子2构成，其构成了作为泵机组驱动电机的电动机的转子。在转子2上设置泵机组的叶轮4，以便使叶轮由转子2驱动或随转子2一起转动。转子2包括中央部分6，其在安装好的状态下位于环绕定子(未示出)的内部。轴状的突出部12和14从中央部分6的轴向端面8和10轴向延伸。突出部12和14与转子的中央部分6一起由磁性材料一体化地制成，并相对于转子的纵轴线或者说转动轴线X同心地延伸。它们担负起转子轴的功能并用作轴承结构，并且在突出部14的情况下还用于连接叶轮4。转子2完全、一体化地由例如氧化铁的磁性材料制成。为了使转子2的表面具有所要求的耐磨性或硬度(这样可以直接作为轴承面使用)，根据本发明，设置磁性材料的表面涂层。该涂层可以设置在不同的区域上。
在如图1所示的第一种实施方式中，在轴向突出部14的外围部分上设置涂层。由此使轴向突出部14构成用于转子2的径向轴承结构。由于叶轮4通过突出部14牢固地与转子2相连接，因此该径向轴承结构也担负起支承叶轮4的功能。
根据如图2所示的第二种实施方式，除了突出部14的外围区域或外周之外，还为突出部12的外周以及转子2的中央部分6的外周提供耐磨涂层。在这种实施方式中，突出部14和12的外周都作为径向轴承。中央部分6的外周同样涂有耐磨涂层，以便转子在该区域中获得所需要的耐磨性，为了能够保护转子的中央部分6免受外围介质造成的腐蚀和损害，特别是在湿运行电动机中，这将是必不可少的。
在如图3所示的第三种实施方式中，只在如前所述作为径向轴承的突出部12和14的外围表面上进行涂层。
如图4a和图4b所示的实施方式与如图2所示的实施方式基本相同，不同之处在于，在如图4所示的实施方式中(正如在图4b中所看到的那样)，在转子2的轴向端面8上也设置耐磨涂层。因此，转子2的中央部分6的轴向端面可以作为轴向轴承面。
如图5a和图5b所示的实施方式与如图4a和图4b所示的实施方式基本相同，其不同之处在于，转子2的中央部分6的外围表面没有完全涂上耐磨涂层。在如图5所示的实施方式中(正如在图5a中所看到的那样)，在中央部分6的外周上，只为环形部分16提供了涂层。环形部分16沿轴向X位于中央部分6的中间区域内。环形部分16在那里构成径向紧急轴承面，如果转子与环绕在周围的定子或缝管(Spaltrohr)发生接触，则环形部分16可以保护转子免受磨损。
如图6所示的实施方式与如图1所示的实施方式基本相同，其不同之处在于，在如图6所示的实施方式中，不是突出部14，而是在突出部12的周壁上设置耐磨涂层。因此在这里将突出部12作为转子的径向轴承。
现在根据图7对前面所述的涂层结构做进一步的说明，在此需要指出的是，所有在前面所提到的可以设置耐磨涂层的区域都可以通过这种方式构成。
图7示出了转子2的涂层区域的截面图。转子2由例如氧化铁或钕的磁性材料构成，在此，通过在磁性材料中适当的磁化构成转子极。首先为转子2的外围表面涂上导电内层18。该导电内层例如可以由CrN(氮化铬)组成。在内层18的外部涂上中部层或者中间层20，该中间层构成外层22的承载层。中间层20例如由CrN形成，并可以通过PVD法涂在导电内层18上。因此，导电内层18可以使用通用的涂层方法一次性地涂覆，以在转子2的磁性材料上涂上合适的硬涂层。磁性材料不能单独通过传统的方法进行涂层。然后在中间层20上形成高耐磨层作为外层22，该高耐磨层可以作为转子2的轴承面。在此，外层22优选由DLC(英语：diamond-like carbon，类金刚石碳)、CrN(氮化铬)或TiAlN(氮化铝钛)构成。该外层具有较高的耐磨性和极低的摩擦，并由此例如在与由Al2O3制成的环绕轴承套配对时提供良好的轴承特性(Lagereigenschaften)
代替一步步重叠地涂覆多个涂层，还可以沿径向形成具有阶梯状或变化的特征的一层或多层。由此可以在单独的材料或材料特征之间实现阶梯状或平稳的过渡。在这种实施方式中，各个层不再被明确地分开，而是呈阶梯状或平稳地相互转化。
图8示出了带有直接设置的电动机的磁性转子24的叶轮4。在图中示出了具有轴向定向磁通的转子24，即，相关的定子是在端侧而不是在周围面对转子24。转子24也由磁性材料一体化地制成。转子24具有轴向延长部26，该延长部构成用于径向引导转子24和所安装的叶轮4的轴端(Wellenstumpf)。在转子24上，将围绕轴向延长部26的环形端面28和延长部26的周面30构造为轴承面。端面28形成轴向轴承面，而周面30形成径向轴承面。在此以前面所述的方式为端面28和周面30设置耐磨涂层。
附图标记列表
2转子
4叶轮
6中央部分
8，10轴向端面
12，14轴向突出部
16环形部分
18内层
20中间层
22外层
24转子
26轴向延长部
28端面
30周面
X纵轴线或转动轴线
A轴向方向
Claims (11)
1.一种由非导电的磁性材料制成的转子（2），其特征在于，该磁性材料的至少一个表面部分设置有耐磨涂层（18，20，22），其中，所述涂层（18，20，22）构造成为至少两层的，并具有直接涂在该磁性材料上的内层（18），该内层是导电的，以及具有由高耐磨性材料构成的外层（22）。
2.如权利要求1所述的转子（2），其特征在于，所述外层（22）由低摩擦的材料制成。
3.如权利要求1所述的转子（2），其特征在于，所述转子完全由磁性材料制成。
4.如权利要求1所述的转子（2），其特征在于，所述转子是电动机的一部分。
5.如权利要求1所述的转子（2），其特征在于，所述转子是泵机组的电驱动电机的一部分。
6.如前面任一项权利要求所述的转子（2），其特征在于，所述涂层（18，20，22）由DLC、CrN和/或TiAIN构成。
7.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述涂层（18，20，22）构造为具有中间承载层（20）的三层涂层。
8.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述内层（18）至少部分地由CrN或耐腐蚀金属构成。
9.如权利要求1或2所述的转子，其特征在于，所述外层（22）至少部分地由DLC、CrN或TiAIN构成。
10.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子（2）的至少构成轴承面的一部分（8；12；14）设有所述涂层。
11.如权利要求10所述的转子，其特征在于，所述轴承面设置在所述转子（2）的轴向延长部（12，14）上。
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