CN102460914B - 电机转子 - Google Patents
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Abstract
一种用于电机的转子，包括一个装于转子中央的抗扩张环，以限制装于旋转轴上的转子元件在电机运转时因离心力而产生向外扩张的程度。这种电机适合用在电控涡轮增压器之类的高转速环境下。
Description
优先权
本申请要求获得美国非临时申请SN 12/1791732(于2010年6月1日申请)及美国临时申请SN 61/217,674(于2009年6月3日申请)的权利。
涉及的申请
本申请涉及本文所附参考文献中的专利合作条约PCT/US10/2070(于2010年1月21日申请)。
技术领域
本公告涉及电机转子的领域，更具体而言，涉及包含适合于高速运转的磁场反应式元件之类电机转子的领域。
背景技术
在设计驱动能力接近10万转/分的高速电机转子中，特别具有挑战性的方面涉及防止离心力引起转子元件扩张，这会导致转子元件与连接其上的转子轴分离。在感应电机情况下，重要的是要防止转子元件扩张而与定子元件接触或造成转子条与叠片短路。在永磁电机情况下，也有类似的担心，需要对转子扩张进行限制。
发明内容
本文公布的电机转子适合在涡轮增压器及电机可能需要在约10万转/分以上显著高速运转范围的其它环境中使用。通常情况下，电控涡轮增压器采用高速电机来转动存在于相向安装的压缩机与涡轮机之间的涡轮轴。除了上述参考文献PCT/US10/2070申请中所描述的约束环和加强圈改进以防止转子元件脱离和减少高速旋转轴的振动效应之外，这里所公布的实施方案还提供了一种装于转子中央的支撑环，以加强对转子条的限制，从而尽量减少其在高速运转期间向外变形。
附图说明
图1A和1A是一种感应电机转子中各个零件的分解图。
图2是包括图1A和1B中所示零件的感应电机转子总成沿其轴线的剖视图。
图3是图2中沿剖面线III-III截取的叠片的平面视图。
图4是图3中叠片孔口的放大图，其中包含转子条。
图5是图2中沿剖面线V-V截取的中央支撑环的平面视图。
图6是图5中叠片孔口的放大图，其中包含转子条。
图7是直接装于转子轴上的感应电机转子总成沿其轴线的剖视图。
图8是装于转子轴加强圈上的永磁电机转子总成沿其轴线的剖视图。
图9是直接装于转子轴上的永磁电机转子总成沿其轴线的剖视图。
具体实施方式
在图1A中，感应电机转子200的主要零件包括已组装的转子元件210、约束环204和206、以及装于转子轴240上的加强圈套筒零件202(图2)。
在图1B和图2中所示的转子元件210包括两个平衡环212和214(本文有时称为“端环”)，其上开有多个孔口112和114，并装有多个(19个)转子条218(218a-218s)、以及在组件216a、216b和226中多个(65个)按轴向对齐叠放的钢叠片。中央支撑环(本文有时称为“抗扩张环”或“抑制环”)220装于叠片组226的中央，以尽量减小在高速运转时离心力的效应，防止转子条218扭曲。图2是图3中沿虚线“A”和图5中沿虚线“C为标示的平面截取的剖视图。
钢叠片216可以使用高强度的电工钢(如Hyperco50TM)成形，并经过热处理以提供最大强度，经过表面氧化以防叠片之间的电流损失。转子条218可以使用高强度/密度比率(比模量)和高导电性的合金(如2219A1)制成。
组装时，转子叠片组216a和216b在叠片组226的两侧按同轴叠放，位于中央的支撑环220套在叠片组226上。转子条218插入(或模注入)开孔217(217a-217s)和227(227a-227s)中。平衡环212和214装于轴的两端，而转子条的两端分别装入平衡环212和214的孔口112和114内。然后将转子条218焊接到平衡环212和214上。这种焊接可以采用电子束工艺，也可以采用为这类金属提供有效高强度焊接的任意其他工艺。在进行这种焊接工艺期间，在转子上加装散热片，以尽量减少焊接变形效应。焊接后，对转子210上的所有外表面和内径进行机加工，以提高内径ID和外径OD的同心度及平衡性。
机加工后，将转子总成210装入加强圈套筒202内。然后对总成进行平衡，并将加强圈套筒202压合到转子轴240上。加强圈套筒202与叠片的内径之间可以有一些公差，以防叠片中的预应力，此时将平衡环212和214压合到套筒202上，确保在任何运转环境下，转子总成210不脱离转子轴240。
转子210还可能采用高压模铸法制成，将转子叠片216和226置于模中，然后将熔融铝注入开孔217和227中以形成转子条218，以及注入端环212和214中。
端环212和214最好采用与制造转子条218所使用的相同或类似的合金制造，以尽量减少在高速运转期间转子两端的扩张。
为了进一步减小高转速时产生的离心力效应，端环212和214可以在转子的两端有轴向伸出段213和215。伸出段213和215的直径大大小于端环主体的直径。通过减小端环伸出段213和215的直径，可以大大减小伸出段承受的离心力，从而在整个运转速度范围内，使其保持压合加强圈套筒202和转子轴240。
为保险起见，可以用高强度钢成形的约束环204和206来夹紧平衡环212和214，确保平衡环与加强圈套筒202和转子轴240之间的压紧。在图1A和图2中，约束环204和206装于端环伸出段213和215上。
采用电控涡轮增压器设计时，电机转子通常会被拉长。存在着一种担心，即转子条愈长(如图1A、1B和图2所示的218)，在高转速时的离心力就会愈大，从而可能导致转子条段所受径向向外的力足以扭曲转子与定子之间的空气隙。如果发生这种扭曲及转子的外径向外过度扩张，可能会造成与定子接触。此外，过大的向外方向的力可能会磨损开孔217内壁的绝缘涂层，最终导致叠片与转子条之间短路。
在使用端环212和214抑制转子条118的末端扩张的同时，在转子的中央还装有抗扩张环220，限制转子条218的其余部分向外移动。图1A、1B和图2示出抗扩张环相对于其它元件所处的中央位置。
图3是图2中沿剖面线III-III截取的叠片216的平面视图，显示出19个开孔217a-217s的周向分布。叠片216与叠片组216a和216b中的所有其它叠片完全相同。在该视图中显示出圈在转子轴240上的加强圈202。转子条218a-218s插入对应的开孔217a-217s中。
图4是叠片216中开孔217的放大视图，可以看见其位于径向，并朝轴心方向缩小。由于抗扩张环220对转子条中央段的压紧效应，叠片组216a和216b中的转子条在朝着最接近转子轴线的开孔217的内侧方向受到压缩。这种压缩会在转子条外表面与开孔217外侧之间产生空气隙。空气隙开孔221隔开相邻的槽口，这使得在相邻的齿中形成转子条。
图5是图2中沿剖面线V-V截取的叠片226的平面视图，显示出19个开孔227a-217s的分布。叠片226与装在抗扩张环220下面的中央叠片中的所有其它叠片相同。叠片226沿加强圈202的周向叠放，后者压合到转子轴240上(或在图7中压合到转子轴340上)。转子条218a-218s插入对应的开孔217a-217s中。叠片226和在中央叠片组中的所有其它叠片与图3和图4中的叠片有些不同，因为需要放置和装入抗扩张环220。如图6中开孔227的放大视图所示，叠片的外径减小值等于在图4中的虚线“B”所标示的抗扩张环220的厚度。空气隙段(如图4的叠片216中所示)得以消除，使抗扩张环220与转子条218直接接触。在这种构造中，叠片226与抗扩张环220的复合外径等于叠片组216a和216b中的叠片216的外径。
抗扩张环220最好用高强度钢成形，而且选用低热膨胀系数的材料，以尽量减小转子总成200的扩张。
图7示出一种直接装于转子轴340上的转子总成300，在这类构造环境中，加强圈零件不需要在运转时控制振动。所示转子总成300包括两个平衡环312和314、多个转子条318和多个沿轴向对齐叠放的钢叠片组316a、316b和326。中央支撑环320装于叠片组326的中央，以尽量减小离心力效应，防止转子条318在高速运转时扭曲。如早先所描述的实施方案那样，伸出段313和315的直径大大小于端环312和314主体的直径，以减小转子轴340上压合体周围的质量。
图8示出应用于一台永磁电机的转子400的构造原理。在这个实施方案中，加强圈零件402被压合到转子轴440上。高强度钢圆形套筒420从端环412与414上和两者之间伸出，以套在磁性材料416上。这样，套筒就可以限制转子在高速运转时因离心力而产生的扩张量。端环412和413采用上述质量减小的伸出段413和415。为保险起见，可以用高强度钢成形的约束环204和206来夹紧平衡环212和214，确保平衡环与加强圈套筒202和转子轴240之间的压紧。约束环404和406装于端环伸出段413和415上。
图9示出一种直接装于转子轴540上的转子总成500，在这类构造环境中，加强圈零件不需要在运转时控制振动。在这个实施方案中，高强度钢圆形套筒520从端环512与514上和两者之间伸出，以套在磁性材料516上。这样，套筒就可以限制转子在高速运转时因离心力而产生的扩张量。端环512和513采用上述质量减小的伸出段513和515。最好给端环伸出段513和515装上高强度钢约束环504和506。
这里所示的实施方案的性质只是示范，不应被视为是对本文阐明的权利要求范围的限制。
Claims (6)
1.一种感应电机的转子总成，包括：
·具有第一种外径的第一组叠片(216a)；
·具有第二种外径的第二组叠片(216b)，该第二种外径等于所述第一种外径；
·与所述第一和第二组叠片(216a、216b)轴向对齐并装于两者之间的第三组叠片(226)，所述第三组叠片(226)具有第三种外径，所述第三种外径小于所述第一种外径；
·在所述第一、第二和第三组叠片(216a、216b、226)上所开的多个孔口(217、227)；
·多个转子条(218)，用于插入所述孔口(217、227)中；以及
·套装在所述第三组叠片上的抑制环(220)，所述抑制环(220)具有第四种外径，其大小等于所述第一种外径。
2.在权利要求1的转子总成中，所述抑制环(220)的内径基本上等于所述第三种外径。
3.在权利要求1或权利要求2的转子总成中，所述第一、第二和第三组叠片(216a、216b、226)上开有一个中心孔，所述总成还包括：
·插入所述中心孔内的旋转轴(240)。
4.在权利要求1或权利要求2的转子总成中，所述第一、第二和第三组叠片(216a、216b、226)上开有一个中心孔，所述总成还包括：
·旋转轴(240)；以及
·套装在所述旋转轴(240)上的加强圈套筒(202)，套装后的轴被插入所述中心孔内。
5.在权利要求1或权利要求2的转子总成中还包括：
·开有孔口(112)的第一个平衡环(212)；以及
·开有孔口(114)的第二个平衡环(214)，其中所述第一和第二个平衡环(212、214)的孔口(112、114)中装有所述转子条(218)。
6.在权利要求5的转子总成中，所述第一和第二个平衡环(212、214)的外径在与其相邻的相关叠片组(216a、216b)处基本上等于所述第一种外径，而在相距所述第三组叠片较远处直径较小，总成还包括：
·套装在所述平衡环(212、214)的所述较小直径段上的约束环(204、206)。
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