CN108900018A - 旋转电气机械 - Google Patents

Abstract

一种旋转电气机械，能更可靠地将转子铁心与驱动轴加以紧固。具备：中心有轴孔(12a)的转子铁心(12)；形成为圆筒状、以外周面与转子铁心(12)的轴孔(12a)嵌合的圆筒部件(60)；以及被插入圆筒部件(60)(轴环)的中空部(60b)的驱动轴(50)。轴环(60)使用拉伸弹性模量比转子铁心(12)及旋转轴(50)低的材料，并且内周面形成为锥形面(60a)。在驱动轴(50)的外周形成了与轴环(60)的锥形面(60a)作面接触并与之嵌合的锥形面(54a)。

Description

旋转电气机械

本发明专利申请是国际申请号为PCT/JP2013/003667，国际申请日为2013年6月11日，进入中国国家阶段的申请号为201380027655.1，名称为“旋转电气机械”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及旋转电气机械，尤其涉及转子结构。

背景技术

已知一种对压缩机构等实施旋转驱动的旋转电气机械。这种旋转电气机械具备安装在驱动轴上的转子和配置在该转子的外周的定子，通过使驱动轴旋转来对压缩机构实施旋转驱动。作为高速旋转电动机所用的旋转电气机械的转子，有一种转子为了克服旋转的离心力，在转子铁心与旋转轴之间夹入套筒或轴环从而将三者做成压入紧固结构(参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本发明专利4586531号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

然而，单纯的压入紧固结构在转子的旋转速度成为高速时可能无法保证足够的紧固力。而且在运转过程中转子的温度会上升，因此转子铁心会向径向扩大，这也是紧固力降低的原因。

本发明正是为了解决上述问题，目的在于能够更可靠地将转子铁心与驱动轴加以紧固。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述问题，第一发明的特征在于具备：

转子铁心12，在该转子铁心的中心有轴孔12a；

圆筒部件60，该圆筒部件60形成为圆筒状，且以外周面与所述转子铁心12的轴孔12a嵌合；以及

驱动轴50，该驱动轴50被插入所述圆筒部件60的中空部60b，

所述圆筒部件60使用拉伸弹性模量比所述转子铁心12及所述旋转轴50低的材料，并且内周面形成为锥形面60a，

在所述驱动轴50的外周上形成有锥形面54a，该锥形面54a以面接触的方式与所述圆筒部件60的锥形面60a嵌合。

采用这种结构，由于驱动轴50与圆筒部件60之间是锥形面54a、60a彼此接触，因此如果将驱动轴50从轴向压入圆筒部件60，圆筒部件60就会发生变形而使其外径增大。此时，驱动轴50的变形程度比圆筒部件60小，或是几乎不发生变形。这是因为圆筒部件60一方用拉伸弹性模量比驱动轴50低的材料构成。而且一旦圆筒部件60的外径扩大，该圆筒部件60与转子铁心12就被更牢牢地紧固。这是因为圆筒部件60一方用拉伸弹性模量比转子铁心12低的材料构成。

第二发明是在第一发明的旋转电气机械的基础上，其特征在于，

所述圆筒部件60的外径比转子铁心12的轴孔12a的内径大。

采用这种结构，能够利用压入或热压配合的方法将圆筒部件60和转子铁心12加以固定。

第三发明是在第一发明或第二发明的旋转电气机械的基础上，其特征在于，

在所述转子铁心12中埋入有永磁体14。

采用这种结构，就能在所谓磁体埋入式的旋转电气机械中将驱动轴50、圆筒部件60以及转子铁心12这三者牢牢地紧固。

第四发明是在第三发明的旋转电气机械的基础上，其特征在于，

所述转子铁心12通过将电磁钢板加以层叠来构成。

采用这种结构，就能在层叠结构的转子铁心中将驱动轴50、圆筒部件60以及转子铁心12这三者牢牢地紧固。

第五发明是在第四发明的旋转电气机械的基础上，其特征在于，

所述永磁体14是通过将所述驱动轴50与所述圆筒部件60嵌合之际由该圆筒部件60的管径扩张导致的所述转子铁心12变形而被固定在该转子铁心12内的。

这种结构是在所谓磁体埋入式旋转电气机械中通过圆筒部60的管径扩张来使永磁体14固定在转子铁心12内。

发明效果

根据第一发明，驱动轴50、圆筒部件60以及转子铁心12三者间的紧固要比单纯通过热压配合方式固定的传统转子更加牢固。由此，能够在要求旋转电气机械高速旋转的场合、或运转过程中转子(转子铁心12)的温度容易上升的场合可靠地发挥旋转电气机械的功能。

根据第二发明，能够将圆筒部件60和转子铁心12预先加以固定。

根据第三发明，通过采用所谓磁体埋入式的结构，能够改善转子表面的散热特性，从转子表面有效地将磁体加以冷却，因此能够提高释能密度。

根据第四发明，能够减小转子铁心表面的涡流。

根据第五发明，能够提高永磁体14与转子铁心12之间的接触性改善永磁体14的冷却性。

附图说明

图1是表示使用本发明实施方式的电动机的压缩机的结构的示意剖视图。

图2是表示实施方式的电动机的结构的立体图。

图3是说明转子的结构的图，表示各组成零件组装前的状态。

图4是表示转子组装完毕的状态的剖视图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施方式。不过，以下实施方式是本质上的较佳示例，并不意味对本发明、其适用物或其用途范围的限制。

《发明的实施方式》

图1是表示使用实施方式的电动机10的压缩机1的结构的示意剖视图。压缩机1与有制冷剂循环而进行制冷循环的制冷剂回路连接，且对在该制冷剂回路中流动的制冷剂进行压缩。压缩机1是所谓的涡轮式压缩机，如图1所示，具备电动机10、壳体30和叶轮40。

壳体30是两端封闭的圆筒状容器。壳体30内的空间通过壁部31来划分。在壁部31右侧的空间里收容叶轮40，在壁部31左侧的空间里收容电动机10。另外，壳体30内设有对电动机10的旋转轴50进行支承的轴承机构36。轴承机构36具备触底轴承37、37以及磁力轴承38、38。磁力轴承38、38利用磁力而以非接触状态支承旋转轴50。触底轴承37、37例如用球轴承构成，在磁力轴承38不通电时支承旋转轴50。

〈电动机的结构〉

电动机10用于对叶轮40进行驱动。

电动机10是本发明的旋转电气机械的一例。在该例中，电动机10是无刷直流电动机。更具体而言，电动机10是所谓的磁体埋入式电动机(Interior Permanent MagnetMotor，以下也称为IPM电动机)。电动机10具备转子11和定子21，且收容在压缩机1的壳体30中。

本实施方式中，所谓轴向，是指转子11的旋转轴50的轴心方向，所谓径向，是指与旋转轴50的轴向正交的方向。另外，所谓外周侧，是指远离旋转轴50的轴心的一侧，所谓内周侧，是指靠近旋转轴50的轴心的一侧。

〈定子的结构〉

图2是表示实施方式的电动机10的结构的立体图。定子21具备圆筒状的定子铁心22及线圈20(图2中省略图示)。定子铁心22是层叠式铁心，其是通过对电磁钢板进行冲压加工制作出层叠板，再将多片层叠板沿轴向层叠而构成的。定子铁心22具备背轭铁部23、多个齿部24、24、……及多个凸缘部25、25、……。背轭铁部23形成于定子铁心22的外周部，且为圆环状。背轭铁部23的外周固定在壳体30的内表面上。齿部24形成为从背轭铁部23的内周面沿径向延伸的长方体状。在齿部24、24、……间形成了收容线圈20用的线圈槽。在齿部24上卷绕着线圈20。卷绕的线圈20被收容在线圈槽内。由此在各齿部24、24、…上形成了电磁体。凸缘部25在齿部24的内周侧连续形成。凸缘部25的宽度(圆周方向的长度)比齿部24大，凸缘部25的内周侧的面形成为圆筒面。凸缘部25的圆筒面以一定的距离(气隙G)与转子11的外周面(圆筒面)互为相对。

〈转子的结构〉

图3是说明转子11的结构的图，表示各组成零件组装前的状态。图4是表示转子11组装完毕的状态的剖视图。转子11具备转子铁心12、永磁体14、轴环60、旋转轴50以及端板70。

－转子铁心－

转子铁心12是层叠式铁心，其是通过对电磁钢板进行冲压加工制作出层叠板，再将多片层叠板沿轴向层叠而形成的。在转子铁心12上，如图3所示，在中心形成了轴孔12a，用于插入对压缩机1进行驱动的旋转轴50(驱动轴)。另外，在转子铁心12里埋入了多个永磁体14(参照图4)。

另外，定子铁心22和转子铁心12可能采用相互不同的材料。例如，可能存在以下情况：定子铁心22采用铁损低的电磁钢板(最好是涡流损耗低的电磁钢板)，转子铁心12则采用高强度电磁钢板。本实施方式的压缩机1那样的涡轮压缩机属于生产数量较少的品种，而且转子铁心12或定子铁心22在整个电动机10中所占的铁心成本比例较小。从而，即使定子铁心22和转子铁心12分别采用不同材料，并且对定子铁心22实施冲压加工而将内径侧部分冲掉，对于成本的影响也较小。另外，虽然用于转子铁心12的高强度电磁钢板一般铁损特性不佳，但因为发生在转子上的铁损要比定子上的小，因此即使转子铁心12采用高强度电磁钢板，也几乎不会影响电动机效率。

－轴环－

如图3所示，轴环60是形成了中空部60b的圆筒形状。轴环60是本发明的圆筒部件的一例。轴环60的外径在整个长度范围内相同，并且比转子铁心12的轴孔12a的内径稍大。不过，轴环60的外径尺寸设定为用较小的力量即能将轴环60压入转子铁心12的轴孔12a。由这种压入形成的两者的紧固强度可以比转子11使用时所需的强度小。

另外，轴环60的内周面是内径从图3的左方向右方缩小的锥形面60a。构成该轴环60的材料采用拉伸弹性模量比转子铁心12及旋转轴50都低的材料。

－旋转轴－

旋转轴50具备直身部52、挡块部53以及锥形部54(参照图3)。旋转轴50例如用铬钼钢构成。直身部52是旋转轴50两端的部分，一个直身部52受轴承机构36支承并且与叶轮40连接。而另一个直身部52则受另一个轴承机构36支承。挡块部53是外径比直身部52大的圆柱状部分。

挡块部53用于限定端板70在轴向上的位置。锥形部54则是形成了内径从图3的左方向右方缩小的锥形面54a的部分(参照图3)。对于锥形部54的锥形面54a，以能够与轴环60的锥形面60a作面接触并嵌合的方式规定了其外径d1、d2及锥角。

－端板－

端板70为圆筒状部件，在旋转轴50上设置两块。端板70能够防止插入转子铁心12后的永磁体14脱落。另外，通过对端板70进行切削或在端板70上加配重，还能够修正整个转子的不平衡。

〈转子的制造〉

为了制造出本实施方式的转子11，首先要将转子铁心12固定在轴环60上，制造出带轴环60的转子铁心12。本实施方式是通过将轴环60压入转子铁心12的轴孔12a中将二者固定。当然，也可以通过其它方法、例如热压配合将二者固定。

然后将一个端板70插入到旋转轴50的挡块部53的位置。并且将旋转轴50的锥形部54从图3的左方插入轴环60的中空部60b，并沿轴向加压以将之压入。锥形部54和轴环60的中空部60b双方以锥形面54a、60a彼此接触(面接触)，因此通过这样实施轴向的压入，如图4中箭头所示，使轴环60发生变形而使其外径扩大。另一方面，旋转轴50的变形程度比轴环60小，或是几乎不发生变形。这是因为轴环60一方用拉伸弹性模量比旋转轴50低的材料构成。

一旦轴环60的外径扩大(管径扩张)，该轴环60与转子铁心12就被更牢固地紧固。这是因为轴环60一方用拉伸弹性模量比转子铁心12低的材料构成。

然后将永磁体14插入转子铁心12并用端板70加以覆盖。由此完成转子11的组装(参照图4)。

另外，也可以利用轴环60管径扩张导致的转子铁心12变形将永磁体14固定在转子铁心12内。在此种场合，例如在形成于转子铁心12上的磁体槽(永磁体插入孔)中预先插入永磁体14，再将轴环60插入(例如压入)转子铁心12。然后，只要通过将旋转轴50插入(压入)轴环60使轴环60的管径扩张，永磁体14就会挤压磁体槽的外周侧而被固定。

通过这样随着轴环60的管径扩张使转子铁心12变形来将永磁体14加以固定，就能提高永磁体14与转子铁心12间的接触性并改善永磁体14的冷却性。

另外，是以带锥形的结构将旋转轴50压入，因此转子铁心12能够在层叠方向均匀地变形。因此，在转子铁心12的变形过程中(压入过程中)不会发生永磁体14破裂。另外，还能在转子铁心12和旋转轴50的一体化工序中同时完成永磁体14的固定。即，能够简化组装工序。

〈本实施方式的效果〉

如上所述，是用拉伸弹性模量比转子铁心12及旋转轴50低的材料来构成轴环60，同时将轴环60和旋转轴50的紧固面做成锥形面54a、60a。因此根据本实施方式，旋转轴50、轴环60以及转子铁心12三者间的紧固要比单纯通过热压配合方式固定的传统转子更加牢固。而旋转轴50、轴环60以及转子铁心12三者间的紧固强度可以用轴环60材质的机械特性(拉伸弹性模量)和各锥形面54a、60a的锥角来进行调节。

例如，传统的涡轮制冷机用压缩机或受高速驱动的大容量(大直径)电动机多采用表面磁体式电动机(Surface Permanent Magnet Motor，以下也称为SPM电动机)，这类SPM电动机一般要在磁体的外周设置增强环。SPM电动机由于在外周设有增强环，因此为了确保增强环与磁体充分的紧固量，有的是将旋转轴压入，以使配置在磁体内径侧的转子铁心发生变形。另外，有的SPM电动机使转子表面的磁体向外侧膨胀以用增强环加以保持，同时使旋转轴、转子铁心、磁体及增强环形成为一体。这种结构有的是在旋转轴和转子铁心上分别设置锥形部，以在压入时实现轴向均匀的紧固量。

然而，在本实施方式那样的IPM电动机的场合，转子铁心往往采用钢板的层叠结构，一般情况下旋转轴的插入口为同一内径。因此，无法在转子铁心的旋转轴插入口设置锥形结构，如果单纯地将旋转轴压入转子铁心，就难以在轴向上得到均匀的紧固量。

而本实施方式是在旋转轴50与转子铁心12之间设置拉伸弹性模量比转子铁心12及旋转轴50还低的轴环60，并且将轴环60的内表面和旋转轴外周做成锥状，因此能够在压入时沿轴向得到均匀的紧固量。

另外，当转子铁心的结构采用钢板的层叠结构时，如果在钢板的加工过程中采用冲压加工，冲压加工就会导致塌边或毛刺发生，容易使插入旋转轴的孔的内径面粗糙。另一方面，旋转轴一般使用铬钼钢等高强度材质，如果将转子铁心与旋转轴直接紧固，则因双方的变形小而难以确保嵌合力。结果是二者的接触程度低，很难得到足够的紧固力。

然而，一旦如本实施方式那样在转子铁心12和旋转轴50之间设置拉伸弹性模量比它们低的轴环60，则轴环60自身会发生变形，使三者间的接触度得以改善，从而能够实现三者间充分的紧固。如果接触度得以提高，还能改善旋转轴50与转子铁心12间的导热特性，能够使转子11上产生的热量有效地向旋转轴50一侧传递。即，能够在要求电动机10高速旋转的场合、或运转过程中转子的温度容易上升的场合可靠地发挥电动机的功能。

另外，本实施方式是通过钢板的层叠来构成转子铁心，因此能够减少转子铁心表面的涡流。

《其它实施方式》

另外，转子铁心12也可以用所谓的压粉磁心来构成。

而且转子11的结构不限于电动机10，还适用于发电机。

另外，永磁体14的安装结构为示例。端板70也不是必须的。

而且构成转子铁心12和定子铁心22的电磁钢板的加工方法不限于冲压加工。例如也可采用线切割或激光加工。

另外，旋转轴50、轴环60以及转子铁心12的紧固结构还可用于SPM电动机。SPM电动机也是既可以将电磁钢板层叠后形成转子铁心，也可以用压粉磁心来构成。

而在采用IPM电动机时，有与SPM电动机不同的以下有利之处。

例如，SPM电动机有时要在磁体的外周使用金属的筒状增强环，这样会在筒状增强环的表面发生涡流损耗。如果采用CFRP(碳纤维强化塑料)的筒状增强环，则虽然不会发生涡流，但为了确保能经受住离心力的强度而需要规定的厚度，会使磁性气隙增大。一旦磁性气隙增大，可能对电动机的性能产生恶劣影响。

而IPM电动机则无须这些外周的增强环(例如用CFRP、SUS(不锈钢)、镍铬铁耐热耐蚀合金等构成)，能够缩小磁性气隙。因此，与SPM电动机相比，IPM电动机能够以更少的磁体量实现同样的性能。

另外，在SPM电动机中使用的CFRP增强环导热特性不佳，而且CFRP有温度限制(一般为100℃左右)，因此不能提高电动机的释能密度。然而，通过采用IPM电动机，能够改善转子表面的散热特性，有效地从转子表面将磁体加以冷却，因此能够提高释能密度。

如上所述，通过采用上述紧固结构，作为例如数百kW输出、数万rpm的涡轮压缩机用电动机或涡轮发电机用发电机(用旋转电气机械这一名称来包含电动机及发电机)，能够实现IPM电动机或IPM发电机(磁体埋入式发电机)，与此同时，与表面磁体式的旋转电气机械相比，通过采用磁体埋入式的旋转电气机械而能够以更少的磁体量实现高释能密度。

工业上的可利用性

本发明适用于旋转电气机械(例如电动机或发电机)的转子结构。

符号说明

10 电动机(旋转电气机械)

12 转子铁心

12a 轴孔

14 永磁体

50 旋转轴

50 旋转轴(驱动轴)

54a 锥形面

60 轴环(圆筒部件)

60a 锥形面

60b 中空部

70 端板。

Claims (4)

1.一种旋转电气机械，其特征在于，具备：转子铁心(12)，在该转子铁心的中心有轴孔(12a)；

圆筒部件(60)，该圆筒部件(60)形成为圆筒状，且以外周面与所述转子铁心(12)的轴孔(12a)嵌合；以及

驱动轴(50)，该驱动轴(50)被插入所述圆筒部件(60)的中空部(60b)，

所述圆筒部件(60)的内周面形成为锥形面(60a)，且所述圆筒部件(60)的外径比所述转子铁心(12)的轴孔(12a)的内径大，

在所述驱动轴(50)的外周上形成有锥形面(54a)，该锥形面(54a)以面接触的方式与所述圆筒部件(60)的锥形面(60a)嵌合，

所述圆筒部件(60)与所述转子铁心(12)通过热压配合而固定。

2.如权利要求1所述的旋转电气机械，其特征在于，

在所述转子铁心(12)中埋入有永磁体(14)。

3.如权利要求2所述的旋转电气机械，其特征在于，

所述转子铁心(12)是通过将电磁钢板加以层叠而构成的。

4.如权利要求3所述的旋转电气机械，其特征在于，

所述永磁体(14)是通过将所述驱动轴(50)与所述圆筒部件(60)嵌合之际由该圆筒部件(60)的管径扩张导致的所述转子铁心(12)变形而被固定在该转子铁心(12)内的。