CN102342002B - 电动机的电枢以及制造这种电枢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于一种用于电动机的电枢(2)，该电枢带有金属芯(6)、设置在其上的电导体(12)以及将金属芯(6)和导体(12)包封的金属腐蚀保护层(38，44)。提出的是，腐蚀保护层(38，44)作为固体围绕金属芯(6)和导体(12)设置并且至少固定在金属芯(6)上。对于工业领域的高速电动机合适的电枢(2)可以被成本低廉地制造，并且可以可靠地用于将工业上的化学侵蚀性工艺气体压缩。
Description
本发明涉及一种用于电动机的电枢，其带有金属芯、设置在其上的电导体以及将金属芯和导体包封的金属腐蚀保护层，其中腐蚀保护层作为固体围绕金属芯和导体地来设置并且至少固定在金属芯上。此外，本发明还涉及一种用于制造带有金属芯和设置在其上的电导体的电动机的电枢的方法。
高转速的、例如用于工业设备的涡轮压缩机的工业电动机包含实心的转子，该转子由钢体以及铜件(例如环和杆)构成的集成的保持架 组成。杆在此插入金属芯的在轴向方向上延伸的槽中，并且同样通过铜短路环彼此电连接。这种电动机也用于将工业上的化学侵蚀性工艺气体压缩，其中这些工艺气体会腐蚀铜件，由此长久地影响这种电动机的功能。
为了保护更敏感的马达部分，WO 2005/124973公开了将因科镍合金(Inconel)构成的金属保护层施加到转子上。因科镍合金是美国纽约的New Hartford的特种金属公司(Special Metals Cooperation)的注册商标。该保护层覆盖了铜导体并且于是保护该铜导体免受腐蚀性气体影响。
本发明的任务是，提出一种用于工业领域的电动机的、可以成本低廉地制造的电枢，该电动机可以可靠地用于将工业上的化学侵蚀性工艺气体压缩。
该任务通过开头所提及类型的电枢来解决，其中根据本发明，腐蚀保护层作为固体围绕金属芯和导体设置并且至少固定在金属芯上。通过将腐蚀保护层作为固体围绕金属芯设置，可能的是相对于从液相施加腐蚀性保护金属而言比较简单并且成本低廉地制造电枢。
有利的是，腐蚀保护层不仅固定在金属芯上，而且也固定在导体上。金属芯可以是一件式的或者多件式的，并且可以由一种或者多种金属构成。在下文中，术语金属应当理解为其中也包括合金和金属混合物。作为腐蚀保护层而施加的固体可以是一件式的或者多件式的，例如作为圆柱形的管而推到带有导体的金属芯上，或者作为两件式的壳体施加到金属芯上。该施加可以包括铺设或者插上，或者一般地包括安装的所有可能性。
腐蚀保护层可以在其几何结构中实施为在金属芯和导体上的管状的罩。该罩形成在电动机的电枢和定子之间的间隙的边界。腐蚀保护层可以由任意合金构成，该合金可以被加工为薄壁的管并且在所预期的化学侵蚀性环境中稳定。特别合适的是高合金的不锈钢或者镍基合金，例如因科镍合金625。镍基合金主要由镍构成并且包括至少一种另外的化学元素，该化学元素合乎目的地借助熔融方法与镍接合。
将腐蚀保护层至少固定在金属芯上可以通过焊接在线上或者通过粘合或者压辊来实现。组合方法也是有利的。借助焊接，可以附加地实现电导体的可靠密封。纯粹的机械方法如拧紧也是可能的。
在本发明的一个有利的实施形式中，腐蚀保护层通过收缩而至少与金属芯连接。在这种低温成形中，可以实现机械上非常稳定的与金属芯的连接。有利的是，在此将固体在收缩之前扩张，例如通过压缩空气来扩张。
当腐蚀保护层通过热均衡挤压来与金属芯以及尤其是与导体连接时，可以实现腐蚀保护层与金属芯以及尤其是与导体的均匀、平面的并且非常牢固的连接。在热均衡挤压(HIP)的情况下(其也可以视为扩散焊接的一种方式)，电导体和金属芯的容纳该电导体的一部分焊在热挤压封装部(例如金属片筒)中并且被气密地封闭，必要时也被排空，使得HIP工艺气体可以以相应的压力作用到电枢上。通过从所有侧的压力作用，均衡地进行挤压。
接着，电枢在特殊的设备中，尤其是在高压锅中在保护气体气氛中经受非常高并且全面作用的气压。附加地，电枢被非常强烈地加热，尤其是超过导体的材料的屈服点，并且在此压缩。由此，可以实现腐蚀保护层和导体并且尤其是还有金属芯之间的材料配合的连接。
在本发明的另一有利的实施形式中，在金属芯和腐蚀保护层之间设置有金属的中间层，材料从该中间层通过热的均衡挤压而扩散到金属芯中以及腐蚀保护层中，并且将它们保持在一起。该发明变形方案所基于的思想是，金属芯的表面材料的屈服点通常在其温度方面高到使得通常由铜或者铜合金制成的导体受到损伤。通过使用中间层，例如使用镍层或者带有主要成分为镍的合金，已经可以在大约1000℃的温度情况下通过材料扩散实现腐蚀保护层与金属芯的焊接。在此，金属中间层的材料有利地是如下材料：该材料直到最高1050℃地允许腐蚀保护层与金属芯的扩散焊接。
本发明的另一有利的实施形式设计了，腐蚀保护层至少是热挤压封装部的至少一部分，该热挤压封装部用于均衡地挤压在金属芯中的导体。在该思想中考虑的是，通过均衡的热挤压可以实现在导体和金属芯之间的机械上特别牢固的连接。在此，如上面描述的那样，机械的金属片筒作为热 挤压封装部是有意义的，以便可以将电枢的这里要进行连接的元件屏蔽免受侵入的气体影响，使得保持外部的气体压力。
通过均衡的热挤压，不仅可以实现在导体和金属芯之间的连接，而且也可以实现在热挤压封装部和金属芯(并且合乎目的地还有导体)之间的连接。当热挤压封装部由相应的化学稳定的材料制造时，热挤压封装部可以用作腐蚀保护层。
通过在均衡的热挤压时巨大的压力，将导体在一定程度上压入到金属芯的容纳其的槽中，使得可能的是，金属芯突出于导体。这种不均匀的表面形状转移到热挤压封装部上，该热挤压封装部通过巨大的压力而紧密地靠置到该表面上。为了将电枢和定子之间的间隙保持得尽可能小，以实现电动机的高效率，有利的是，热挤压封装部在均衡的热挤压之后平坦地加工，使得形成圆形的、旋转对称的表面。
为了气密地封闭通过腐蚀保护层形成的内部空间，有利的是，将腐蚀保护层在边缘与金属芯的元件焊接。
均衡的热挤压可能导致在冷却时的如下温度变化：该温度变化在金属芯的金属结构的构造变化方面是不利的。因此，金属芯至少主要地、尤其是超过90％地由如下金属制成，该金属的构造在均衡挤压之后的冷却时得到其坚固性。然而这种金属通常难以焊接，尤其是难以与镍基合金焊接。当腐蚀保护层焊接到其上的元件朝着腐蚀层包括金属缓冲层，腐蚀保护层与该缓冲层焊接并且缓冲层在其组分方面与其下的金属芯的衬底不同时，可以改善腐蚀保护层的材料与金属芯的材料的可焊接性。
金属缓冲层使得将腐蚀保护层与金属芯的焊接变得容易，并且可以本身与金属芯的衬底焊接。
当腐蚀保护层是金属的圆柱管，该圆柱管在其端部分别与金属芯相连(合乎目的地焊接)时，可以实现简单地制造腐蚀保护层。腐蚀保护层在此有利地是无盖的圆柱管，使得其可以一件式地制造并且不必由多个部分组成。
有利的是，端部分别与终止环连接，尤其是与其焊接，该终止环将导体轴向地在金属芯上保持就位。终止环可以一件式地由金属芯加工得到，或者与金属芯连接，例如通过均衡的热挤压来实现。
终止环可以是金属芯的径向向外伸出的成形体，并且合乎目的地在两个轴向方向上径向向内陷落。必要时，可以在导体和终止环之间设置短路 环，其中该短路环于是合乎目的地多件式地实施，以便可以从径向外部地施加到金属芯上。
此外，本发明的一个任务是，提出一种用于制造用于电动机的耐腐蚀的电枢的成本低廉的方法。
该任务通过开头所述类型的方法来解决，其中根据本发明将金属腐蚀保护层作为固体围绕金属芯和导体设置，并且至少固定在金属芯上。可以省去从液态金属施加腐蚀保护层，并且可以在简单的制造方法中实现腐蚀保护层的高强度的金属构造。
有利的是，热挤压封装部围绕金属芯和导体地设置，并且导体与金属芯均匀地热挤压，其中随后热挤压封装部的至少一部分作为腐蚀保护层保留在电枢上，用于在电动机工作期间保护电枢。热挤压封装部由此可以具有两个功能，由此可以简单地保持制造工艺。合乎目的的是，腐蚀保护层在挤压工艺之后被平坦地加工，以便实现旋转对称的表面。
此外有利的是，在热挤压封装部和金属芯之间引入中间层，以便可以在出现金属扩散时将挤压的温度保持较低。中间层可以由镍构成，其例如作为箔或者电镀地或者化学地施加到热挤压封装部或者金属芯上。平坦加工可以通过车削来进行。
根据本发明的另一有利的实施形式设计了，导体与金属芯均衡地热挤压，并且电枢的径向外部的表面随后被平坦地加工，随后腐蚀保护层施加到平面上并且固定在其上。该固定合乎目的地通过均衡的热挤压来进行，尤其是通过使用中间层来进行。
本发明借助附图中所示的实施例来进一步阐述。
其中：
图1示出了通过用于驱动涡轮压缩器的10MW电动机的电枢的纵剖面图，
图2示出了沿着线II-II通过电枢的横截面，
图3示出了图1中的热挤压封装部被取下的电枢的剖面图，
图4示出了图3中的带有施加的腐蚀保护层的剖面图，
图5示出了图4中的在其准备好工作的形式中的腐蚀保护层，
图6示出了通过15MW电动机的另一电枢的纵剖面图。
图1示出了用于涡轮压缩器的10MW电动机的电枢的剖面图，该涡轮压缩器用于在工业制造工艺中压缩化学侵蚀性的工艺气体。压缩器是径向压缩器并且针对至少14,000转/分的运行速度来设计。电枢包括轴4，其在图2中在横截面中示出，并且其同时形成电枢2的金属芯6。
在一件式地实施的并且基本上圆柱形的金属芯6中，在中央区段18中引入多个槽8，它们平行于电枢2的轴向方向10延伸。以直的铜杆为形式的电导体12分别引入到槽8中，这些槽在其轴向端部上分别通过短路环14彼此电连接。终止环16将短路环14以及轴向延伸的导体12在其轴向位置中保持在金属芯6上。
围绕金属芯6的中央区段18、电导体12以及短路环14和终止环16设置有金属圆柱体形式的热挤压封装部20，该圆柱体在其两个轴向端部上分别支承盖22。盖22与轴4或者金属芯6焊接，如通过两个角焊24所表明的那样。此外，盖22与热挤压封装部20的圆柱形部分焊接，这出于清楚的原因而在图1中未示出。通过该焊接，热挤压封装部20将金属芯6在导体12的区域中气密地对环境封闭。
在电枢2的制造工艺中将其引入到压力锅中并且在高压和超过1000℃的温度下均衡地热挤压。导体12在此借助中间层通过扩散焊接彼此连接(中间层在导体12和金属芯6之间设置在槽8中)，使得导体12牢固地放置在金属芯6中。导体12通过高压而在一定程度上压入到槽8中，使得槽8形成在金属芯6的接片26之间的小的凹部，热挤压封装部20也压入到这些凹部中，使得而其圆柱形部分略为从旋转对称变形。
借助图3中的示意图阐述下一个方法步骤。热挤压封装部20(包括盖22和角焊24)被车削并且由此被完全去除，并且金属芯6、导体12、短路环14和终止环16被车削至径向制造尺寸并且由此被平坦地加工。导体12的铜由此径向地对外暴露。
接下来的步骤借助图4中的草图来示出。新的热挤压封装部28以其盖30和角焊32将接片26、导体12、短路环14和钢终止环16气密地对外封闭。此外，在热挤压封装部28和导体12以及接片26之间设置有例如镍构成的中间层34，其对于接下来的均衡的热挤压渗入热挤压封装部28中以及渗入导体12和接片26中，并且将元件在扩散焊接的意义中彼此牢固地连接。不同于第一热挤压封装部20，第二热挤压封装部28由金属因科镍合金625制造。如上面所示的那样，术语“金属”也理解为金属合金。
此外，将金属的缓冲层36焊接到金属芯6上，其由金属构成，该金属可以以合理的开销焊接到金属芯6上。两个缓冲层36设置在热挤压封装部36的两侧，使得两个盖30通过两个缓冲层36和角焊32与金属芯通过焊接连接。缓冲层36已经可以设计用于施加角焊24。
在随后的均衡热挤压的方法步骤(其中热挤压封装部28又用作气密的屏蔽物用于对金属芯6建立压力)之后，热挤压封装部28如在图5中所示的那样被车削为最终尺寸并且由此被平坦地加工。现在，热挤压封装部在导体12、短路环14和终止环16的区域中将金属芯6完全对外部环境封闭，使得导体12被有效地被保护免受化学工艺气体影响。热挤压封装部28现在形成围绕导体12的腐蚀保护层38。通过在金属芯6上的焊接以及在接片26和导体12上的扩散焊接，存在机械上极其牢固的构造，其也耐受直到16,000转/分的高转动以及直到300米/秒的旋转速度。
借助图6中的示意图来示出另一实施例。随后的描述基本上局限于与前面附图中的实施例的不同，关于相同的特征和功能参见前面实施例。基本上相同的部件原则上设置有相同的附图标记，并且未提及的特征在随后的实施例中采用，而并不对其重新描述。
终止环40一件式地从金属芯6中作为径向成型部加工得到，这些成型部在两个轴向方向10中径向向内地陷落。由此，这些形成部形成了针对短路环42的轴向边界，这些短路环两件式地、即作为半环地实施，并且围绕金属芯6地设置。导体12插入到接片26之间，尤其是带有中间层地来插入，并且围绕导体12和接片26设置有腐蚀保护层44，其由镍基合金制造并且具有无盖的圆柱形状。腐蚀保护层44在其轴向端部上与终止环40、即金属芯6本身焊接，其中在此缓冲层36又是有利的。中间层34使得均衡的热挤压变得容易，因为通过其(如在前面的实施例中那样)在金属芯6的金属的屈服点之下的温度情况下已经可以进行在腐蚀保护层44和金属芯6之间的扩散焊接。
在均衡的热挤压的唯一方法步骤中，现在导体12与金属芯6并且腐蚀保护层44与金属芯6和导体12彼此牢固地机械连接。可替选地可能的是，在两个分离的方法步骤中进行连接，其中首先将导体12与金属芯6在热挤压封装部20的帮助下连接，随后热挤压封装部20如在前面的实施例中那样被去除，并且接片26和导体12被平坦地加工，并且作为随后的步骤将腐蚀保护层44施加到导体12和接片26上并且与其连接。
Claims (12)
1.一种用于电动机的电枢(2)，带有金属芯(6)、设置在其上的多个电导体(12)以及将金属芯(6)和多个导体(12)包封的金属的腐蚀保护层(38，44)，其中腐蚀保护层(38，44)作为固体围绕金属芯(6)和导体(12)地来设置并且至少固定在金属芯(6)上，
其中腐蚀保护层(44)是热挤压封装部的至少一部分，该热挤压封装部用于在金属芯(6)中均衡地挤压导体(12)，
其中在金属芯(6)和腐蚀保护层(38，44)之间是金属的中间层(34)，材料从该中间层通过热的均衡挤压而扩散到金属芯(6)中以及腐蚀保护层(38，44)中，并且将金属芯(6)和腐蚀保护层(38，44)保持在一起。
2.根据权利要求1所述的电枢(2)，其特征在于，腐蚀保护层通过收缩而至少与金属芯(6)连接。
3.根据权利要求1所述的电枢(2)，其特征在于，腐蚀保护层(38，44)通过热均衡挤压来至少与金属芯(6)连接。
4.根据权利要求1至3之一所述的电枢(2)，其特征在于，腐蚀保护层(38，44)在边缘与金属芯(6)的元件焊接。
5.根据权利要求4所述的电枢(2)，其特征在于，所述元件在朝着腐蚀保护层(38，44)的方向中包括金属缓冲层(36)，腐蚀保护层(38，44)与该缓冲层焊接并且缓冲层在其组分方面与其下的金属芯(6)的衬底不同。
6.根据权利要求1至3之一所述的电枢(2)，其特征在于，腐蚀保护层(44)是金属的圆柱管，该圆柱管在其端部分别与金属芯(6)相连。
7.根据权利要求6所述的电枢(2)，其特征在于，所述端部分别与终止环(16)连接，该终止环将导体(12)轴向地保持在金属芯(6)上的合适位置中。
8.根据权利要求6所述的电枢(2)，其特征在于，所述端部分别与金属芯(6)的径向向外伸出的成形部气密地连接。
9.根据权利要求8所述的电枢(2)，其特征在于，所述成形部是终止环(16)，其将导体(12)轴向地在金属芯(6)上保持就位。
10.一种用于制造电动机的电枢(2)的方法，该电枢带有金属芯(6)和设置在其上的多个电导体(12)，所述方法包括：
将金属的腐蚀保护层(38，44)作为固体围绕金属芯(6)和导体(12)设置，并且该腐蚀保护层(38，44)至少固定在金属芯(6)上，
其中将金属的腐蚀保护层(38，44)作为固体围绕金属芯(6)和导体(12)设置包括：
金属的热挤压封装部(28)围绕金属芯(6)和导体(12)设置，
随后导体与金属芯(6)均衡地热挤压，
其中随均衡的热挤压之后，热挤压封装部(20)的至少一部分作为腐蚀保护层(20)保留在电枢(2)上，用于在电动机工作期间保护电枢(2)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，导体(12)与金属芯(6)均衡地热挤压，并且电枢(2)的径向外部的表面随后被平坦地加工，随后腐蚀保护层(38)施加到该平面上并且固定在该平面上。
12.根据权利要求10至11之一所述的方法，其特征在于，所述固定通过均衡的热挤压来进行。
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