CN111884372A - 永磁转子轴组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于电机的永磁转子轴组件，所述电机配置成具有叶尖速度高达300米/秒，所述永磁转子轴组件包括具有纵轴的永磁柱形芯，所述永磁柱形芯被第一和第二端轴轴向压缩，所述第一和第二端轴与所述永磁柱形芯邻接，所述永磁柱形芯和所述第一和第二端轴的一部分被由非磁性金属制成的并且以过盈配合的方式围绕所述永磁柱形芯和所述第一和第二端轴的所述一部分的套管径向压缩，并且所述第一和第二端轴中的每一个在其朝向所述永磁柱形芯的部分中包括中央肩头，该中央肩头与形成在所述永磁柱形芯的每一个正面中的中央部分中的配合中央凹座中的相应一个协作，从而确保在插入所述套管时，能够使所述第一和第二端轴与所述永磁柱形芯形成同心对位。

Description

永磁转子轴组件及其制造方法
本申请为申请日为2014年9月26日、申请号为201410499758.4、发明名称为“永磁转子轴组件及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于高速电机的永磁转子轴组件及其制造方法。
背景技术
在文献US6104115A中揭示了一个制造用于电机的永磁转子的已知方法的例子。根据该方法，在具有恒定外径的套管上提供永久磁铁，而套管的内部是圆锥形的。然后，在朝向电机定子的永久磁铁表面上提供基本上由高导电性材料制成的隔网。环形纤维增强支架配装在隔网上。内转子支架外侧的圆锥形状与套管内部的圆锥形状互补。这种制造过程不具有成本效益，制造和组装时间不适合于组装线生产。
文献US4741094A和文献WO98/34324A1揭示了一种制造电机的双极磁转子的方法，该方法包括以下步骤：使用沿相同磁极轴线排列并按紧密的叠置关系组装的小块磁体或者使用一整块圆柱形磁体(WO98/34324A1)形成圆柱形双极永磁体；把第一端件结合到圆柱形双极永磁体的一端上；把第二端件结合到圆柱形双极永磁体的另一端上；并以过盈配合的方式在圆柱形双极永磁体以及与圆柱形双极永磁体邻接的第一和第二端件部分的周围安装很薄的圆筒形固定箍。使用这种方法制造的组件具有两个端轴以及由多个磁体组装而成的作为芯的圆柱形磁体，所述芯被端轴轴向压缩，整个装置被高强度套管径向压缩并固定，这种方法具有成本效益，并且适合于组装线生产。但是，这种方法仍难以付诸实施，尤其是因为在插入套管时难以确保同心对位。
文献US7042118B2揭示了一种旨在改善插入套管时的同心对位的转子构造方法。根据该方法，提供多个空心盘状磁体，在空心盘状磁体的中心孔内提供连杆，并把连杆固定到端轴上。这种方法不具有成本效益，并且使用空心盘状磁体可能降低组件的刚度和效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于高速电机的永磁转子轴组件以及一种制造该永磁转子轴组件的方法，以消除上述缺陷。
更准确地说，本发明目的之一是通过减少布置在轴上的部件的数目来提高制造过程的便捷性。
本发明还旨在实现产生能提供高刚度永磁转子轴的转子组件的可能性。
本发明的另一个目的是简化制造过程，降低成本，并实现良好的连续制造过程。
由此，本发明提供一种用于电机的永磁转子轴组件，该永磁转子轴组件包括具有纵轴的永磁柱形芯，所述柱形芯被第一和第二端轴轴向压缩，并被由非磁性高强度金属制成的套管径向压缩，其特征在于，所述第一和第二端轴之中的至少一个端轴在其朝向所述柱形芯的部分中包括中央肩头，该中央肩头与制造在所述柱形芯的正面的中央部分中的配合中央凹座协作。
永磁柱形芯可包括例如由钕-铁-溴或者钐2钴17制成的稀土磁铁。
套管可由非磁性高强度金属材料制成，例如因康镍合金、哈斯特合金、钛-6％铝-6％钒-2％锡、钛-2.5％铜。
中央肩头可通过紧配合组装、滑动接头组装、或粘接组装方式插入到配合中央凹座中。
第一和第二端轴和套管可通过焊接、粘接或热缩方式固定在永磁柱形芯上。
根据一个具体实施例，第一和第二端轴还包括用于机械轴承的圆柱形轨道。
这种用于机械轴承的圆柱形轨道可位于第一和第二端轴的台阶部分上。
备选地或作为补充地，第一和第二端轴还可包括用于磁力轴承的圆柱形铁叠片。
这种用于磁力轴承的圆柱形铁叠片可位于第一和第二端轴的台阶部分上。
在根据本发明的永磁转子轴组件中，优选在第一和第二端轴之中的每个端轴的朝向柱形芯的部分中提供中央肩头，在柱形芯的前面的每个中央部分中提供配合中央凹座，并且中央肩头分别安装在配合中央凹座中。
永磁柱形芯可形成双极永磁体或四极永磁体。
本发明还提供一种叶尖速度高达300米/秒的旋转高速电机，其特征在于，所述电机包括上述的永磁转子轴组件。
本发明还提供一种制造用于电机的永磁转子轴组件的方法，该方法包括以下步骤：
形成具有纵轴的永磁柱形芯；
把第一端轴结合至所述永磁柱形芯的一端；
把第二端轴结合至所述永磁柱形芯的另一端；和
以过盈配合方式在所述永磁柱形芯和与所述永磁柱形芯邻接的所述第一和第二端轴部分周围安装由非磁性高强度金属制成的套管，从而所述柱形芯被所述第一和第二端轴轴向压缩，并被所述套管径向压缩，
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
在所述第一和第二端轴的面向柱形芯的部分中提供至少一个中央肩头，
在所述柱形芯的前面的中央部分中提供至少一个配合中央凹座，该配合中央凹座适合于与所述至少一个中央肩头协作；和
在以过盈配合方式在所述永磁柱形芯和与所述永磁柱形芯邻接的所述第一和第二端轴部分周围插入所述由非磁性高强度金属制成的套管之前，在所述至少一个配合中央凹座中安装所述至少一个中央肩头。
根据一个优选实施例，在所述第一和第二端轴之中的每个端轴的朝向所述柱形芯的部分中提供中央肩头，在所述柱形芯的前面的每个中央部分中提供配合中央凹座，并且，在以过盈配合方式在所述永磁柱形芯和与所述永磁柱形芯邻接的所述第一和第二端轴的周围插入所述由非磁性高强度金属制成的套管之前，把所述中央肩头分别安装在所述配合中央凹座中。
中央肩头可通过紧配合组装、滑动接头组装、或粘接组装方式插入到配合中央凹座中。
第一和第二端轴和套管可通过焊接、粘接或热缩方式固定到永磁柱形芯上。
更具体地说，由于提供了中央肩头和相应的配合中央凹座，在插入套管时，本发明能使第一和第二端轴与永磁柱形芯轻松地形成同心对位。而且，在组装后，整个装置的刚度也得到了提高。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的用于高速电机的永磁转子轴组件的示意性纵截面图；
图2是根据本发明的第二实施例的用于高速电机的永磁转子轴组件的示意性纵截面图；和
图3是图2所示的永磁转子轴组件的示意性部件分解图。
具体实施方式
下面将通过示例性优选实施例说明本发明。
本发明的第一实施例的典型布置形式在图1中示出。图1示出了用于电机的永磁转子轴组件100，更具体地说，该永磁转子轴组件100用于叶尖速度高达300米/秒的高速应用。所述组件100包括具有纵轴X-X'的永磁柱形芯101。永磁柱形芯101被第一和第二端轴102A、102B轴向压缩，并被由非磁性高强度金属制成的套管104径向压缩。元件101、102A和102B组合形成的整个装置形成整体转子轴。
根据本发明，第一和第二端轴102A、102B之中的一个(102A)在其朝向柱形芯101的部分中包括中央肩头103A，该中央肩头103A与制造在柱形芯101的前面的中央部分中的配合中央凹座106A协作。
在组装过程中，肩头103A确保元件101与102A的同心性，并为永磁柱形芯101提供支撑，同时，在安装过程完成后，还可提高由组装的元件101、102A和102B构成的整个装置的刚度。
永磁柱形芯101包括稀土磁铁，例如钕-铁-溴或者钐2钴17。
套管104由非磁性高强度金属材料制成，该金属材料可在因康镍合金、哈斯特合金、钛-6％铝-6％钒-2％锡、钛-2.5％铜中适当选择。
磁体101的磁化方向可以是径向、直径方向，或者由哈尔巴赫磁化方向构成。
芯101的磁体的极性可为2极或4极。
中央肩头103A可通过紧配合组装、滑动接头组装、或粘接组装方式插入到配合中央凹座中。
第一和第二端轴102A、102B和套管104可通过焊接、粘接或热缩方式固定在永磁柱形芯101上。
套管104构成箍环，该箍环径向压缩永磁柱形芯101和第一及第二端轴102A、102B。
第一和第二端轴102A、102B轴向压缩永磁柱形芯101。
根据一个具体实施例，第一和第二端轴102A、102B还包括用于机械轴承的圆柱形轨道105A、105B。
备选地，标号105A、105B也可代表用于磁力轴承的圆柱形铁叠片。这种圆柱形铁叠片可制造在第一和第二端轴102A、102B上，作为用于机械轴承的圆柱形轨道的替换物，但是在一个未示出的实施例中，第一和第二端轴102A、102B也可同时包括用于机械轴承(例如与磁力轴承配套的辅助轴承)的圆柱形轨道和用于磁力轴承的圆柱形铁叠片。
用于机械轴承的轨道和/或用于磁力轴承的铁叠片可位于第一和第二端轴102A、102B的台阶部分122A、122B上。实际上，元件105A、105B可根据需要位于端轴的不同高度(不同区域或不同肩部)。
图2和图3示出了本发明的第二实施例，该实施例涉及用于电机的永磁转子轴组件，更具体地说，该永磁转子轴组件用于叶尖速度高达300米/秒的高速应用。所述永磁转子轴组件包括具有纵轴X-X'的永磁柱形芯201。永磁柱形芯201被第一和第二端轴202A、202B轴向压缩，并被由非磁性高强度金属制成的套管204径向压缩。由元件201、202A和202B组合的整个装置以类似于第一实施例的组件100的整体转子轴的形成方式形成整体转子轴。
但是，在根据图2和图3所示的第二实施例的永磁转子轴组件中，在第一和第二端轴202A、202B之中的每个端轴的朝向柱形芯201的部分中提供一个中央肩头203A、203B，在柱形芯201的前面的每个中央部分中提供一个配合中央凹座206A、206B，并且中央肩头203A、203B分别安装在配合中央凹座206A、206B中。第二实施例的这种布置形式与第一实施例类似，并且同样的材料、组装方式、以及可选特征(例如图1所示的附加轨道或铁叠片105A、105B)也可用于图2所示的实施例。但是，图2所示的组件是本发明的最佳实施方式，并能确保在插入套管204时元件202A、201、202B能轻松地形成同心对位，并且在组装后能提高整个装置的刚度。
本发明还涉及一种制造用于电机的永磁转子轴组件100的方法，该方法包括以下步骤：
形成具有纵轴X-X'的永磁柱形芯101或201；
把第一端轴102A或202A结合至永磁柱形芯101或201的一端上；
把第二端轴102B或202B结合至永磁柱形芯101或201的另一端上；和
以过盈配合方式在永磁柱形芯101或201以及与永磁柱形芯101或201邻接的第一和第二端轴102A、102B或202A、202B部分的周围安装由非磁性高强度金属制成的套管104或204，从而柱形芯101或201被第一和第二端轴102A、102B或202A、202B轴向压缩，并被套管104或204径向压缩。
更具体地说，本发明的方法还包括以下步骤：
在第一和第二端轴102A、102B或202A、202B的朝向柱形芯101或201的部分中提供至少一个中央肩头103A或203A、203B；
在柱形芯101或201的前面的中央部分中提供至少一个配合中央凹座106A或206A、206B，该配合中央凹座适合于与所述至少一个中央肩头103A或203、203B协作；和
在以过盈配合方式在永磁柱形芯101或201以及与永磁柱形芯101或201邻接的第一和第二端轴102A、102B或202A、202B部分的周围插入由非磁性高强度金属制成的套管104或204之前，在至少一个配合中央凹座106A或206A、206B中安装至少一个中央肩头103A或203A、203B。
在图2和图3所示的优选实施例中，在第一和第二端轴202A、202B之中的每个端轴的朝向柱形芯201的部分中提供一个中央肩头203A、203B，在柱形芯201的前面的每个中央部分中提供一个配合中央凹座206A、206B，并且，在以过盈配合方式在永磁柱形芯201以及与永磁柱形芯201邻接的第一和第二端轴202A、202B部分的周围插入由非磁性高强度金属制成的套管204之前，把中央肩头203A、203B分别安装在配合中央凹座206A、206B中。
中央肩头103A、203A或203B优选通过紧配合组装、滑动接头组装、或粘接组装方式插入到相应的配合中央凹座106A、206A或206B中。
第一和第二端轴102A、102B或202A、202B以及套管104或204优选通过焊接、粘接或热缩方式固定到永磁柱形芯101或201上。
总体而言，本发明实现了制造过程的简化，提高了性能，并降低了成本。1)虽然在上文中示出并说明了本发明的一些优选实施例，但是应理解，在不脱离本发明的范围的前提下，能够进行各种变化和修改。因此，不同实施例的特性可以组合。尤其是，图1所示的实施例的台阶部分122A、122B和圆柱形轨道或叠片105A、105B可在图2和图3所示的实施例中实施。

Claims (12)

1.一种用于电机的永磁转子轴组件，所述电机配置成具有叶尖速度高达300米/秒，所述永磁转子轴组件包括具有纵轴的永磁柱形芯(101；201)，所述永磁柱形芯(101；201)被第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)轴向压缩，所述第一和第二端轴与所述永磁柱形芯邻接，其特征在于，所述永磁柱形芯和所述第一和第二端轴的一部分被由非磁性金属制成的并且以过盈配合的方式围绕所述永磁柱形芯和所述第一和第二端轴的所述一部分的套管(104；204)径向压缩，并且所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)中的每一个在其朝向所述永磁柱形芯(101；201)的部分中包括中央肩头(103A；203A、203B)，该中央肩头与形成在所述永磁柱形芯(101；201)的每一个正面中的中央部分中的配合中央凹座(106A；206A、206B)中的相应一个协作，从而确保在插入所述套管时，能够使所述第一和第二端轴与所述永磁柱形芯形成同心对位。
2.如权利要求1所述的永磁转子轴组件，其中，所述永磁柱形芯(101；201)包括由钕-铁-溴或者钐2钴17制成的稀土磁铁。
3.如权利要求1或2所述的永磁转子轴组件，其中，所述套管(104；204)由从因康镍合金、哈斯特合金、钛-6％铝-6％钒-2％锡、钛-2.5％铜之中选择的非磁性金属制成。
4.如权利要求1至2中任一项所述的永磁转子轴组件，其中，所述中央肩头(103A；203A、203B)通过紧配合组装或滑动接头组装或粘接组装方式插入在所述配合中央凹座(106A；206A、206B)中。
5.如权利要求1至2中任一项所述的永磁转子轴组件，其中，所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)以及所述套管(104；204)通过焊接或粘接或热缩方式固定在所述永磁柱形芯(101；201)上。
6.如权利要求1或2所述的永磁转子轴组件，其中，所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)还包括用于机械轴承的圆柱形轨道(105A、105B)。
7.如权利要求1或2所述的永磁转子轴组件，其中，所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)还包括用于磁力轴承的圆柱形铁叠片(105A、105B)。
8.如权利要求6所述的永磁转子轴组件，其中，所述用于机械轴承的圆柱形轨道(105A、105B)位于所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)的台阶部分(122A、122B)上。
9.如权利要求7所述的永磁转子轴组件，其中，所述用于磁力轴承的圆柱形铁叠片(105A、105B)位于所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)的台阶部分(122A、122B)上。
10.一种制造用于电机的永磁转子轴组件的方法，所述电机配置成具有叶尖速度高达300米/秒，所述方法包括以下步骤：
形成具有纵轴的永磁柱形芯(101；201)；
把第一端轴(102A；202A)结合至所述永磁柱形芯(101；201)的一端上；
把第二端轴(102B；202B)结合至所述永磁柱形芯(101；201)的另一端上；和
以过盈配合方式在所述永磁柱形芯(101；201)以及与所述永磁柱形芯(101；201)邻接的所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)部分的周围安装由非磁性金属制成的套管(104；204)，从而所述永磁柱形芯(101；201)被所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)轴向压缩，并被所述套管(104；204)径向压缩，
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
在所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)中的每一个的朝向所述永磁柱形芯(101；201)的部分中提供中央肩头(103A；203A、203B)；
在所述永磁柱形芯(101；201)的每一个正面的中央部分中提供相应的配合中央凹座(106A；206A、206B)，该配合中央凹座适合于与所述中央肩头(103A；203、203B)协作，从而确保在插入所述套管时，能够使所述第一和第二端轴与所述永磁柱形芯形成同心对位；和
在以过盈配合方式在所述永磁柱形芯(101；201)以及与所述永磁柱形芯(101；201)邻接的所述第一和第二端轴(101A、102B；204A、201B)部分的周围插入所述由非磁性金属制成的套管(104；204)之前，在所述配合中央凹座(106A；206A、206B)中相应地安装所述中央肩头(103A；203A、203B)。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述中央肩头(203A、203B)通过紧配合组装或滑动接头组装或粘接组装方式插入在配合中央凹座(206A、206B)中。
12.如权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，所述第一和第二端轴(102A、102B；202A、202B)以及所述套管(104；204)通过焊接或粘接或热缩方式固定到所述永磁柱形芯(101；201)上。
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