CN112789795A - 用于制造旋转电机的转子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造旋转电机(2)的转子(6)的方法，该转子具有至少一个轴体(12)。为了给出一种与现有技术相比更简单且更便宜的制造方法而提出：借助于热喷涂法将覆层(14)喷涂到轴体(12)的基本上柱形的外表面(24)的至少一部分上，该覆层由至少一种第一金属材料(26)和与第一金属材料(26)不同的第二金属材料(28)构成，其中由覆层(14)形成产生磁极的元件的至少一部分。

Description

用于制造旋转电机的转子的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造旋转电机的转子的方法。

本发明还涉及一种用于旋转电机的、利用这种方法制造的转子。

本发明还涉及一种具有至少一个这种转子的旋转电机。

背景技术

这种方法尤其用于制造快速转动的旋转电机的转子，该电机例如构造为异步电机。例如，这种快速转动的旋转电机能够以至少1兆瓦的功率和至少5000U/min的转速运行，但是本发明不限于这种电机。快速转动的旋转电机可以作为电动机或发电机运行，例如在压缩机或涡轮机中运行。

转子具有至少一个产生磁极的元件、例如鼠笼、绕组或永磁体，该元件必须承受高转速时出现的离心力。

公开文献EP 2 979 349 A1描述一种用于制造电机的转子的方法，其中，该转子具有与转子轴线同心设置的、由芯材料构成的转子芯，其中，转子芯具有槽，该槽基本上沿轴向方向延伸，其中，转子芯在槽的相应的轴向端部处分别具有环形的、同心于转子轴线设置的凹陷部，凹陷部将槽连接，其中，转子芯具有扩散层，扩散层包括扩散材料并且扩散层至少部分地覆盖至少槽的相应的表面和/或相应的环形的凹陷部。

专利文献EP 2 979 350 B1描述一种用于制造异步电机的转子的方法。在该方法中制造具有轴槽的承载轴。将鼠笼转子施加到承载轴上，其中，承载轴和导电的散装材料被引入到容器中，使得散装材料填充轴槽。通过热等静压法在容器中将散装材料压实并且与承载轴连接。

公开文献EP 3 040 384 A1描述一种用于高速马达的转子轴，其中，转子轴包括轴体，轴体针对在高速马达的运行期间的转动运动设计。轴体由钢材料制成。转子轴还具有覆层，覆层附接在轴体的外表面的至少一部分处，其中覆层构造为引导用于轴体转动的感生电流。覆层由合金材料构成，其中，覆层的合金材料和轴体的钢材料是不同的材料。

公开文献DE 10 2012 006 248 A1描述了鼠笼转子及其制造方法，其中，转子具有强度够高的导体。在该发明文献中，导体颗粒以固态状态注入芯和/或导电杆中。由此，在覆盖层材料中显著地限制导体晶粒的增大，由此使导电的端环与芯和/或导电杆连接。

公开文献DE 10 2009 053987 A1描述一种用于制造紧凑的和/或实心的多层线圈的方法。借助于冷气喷涂(动态冷喷涂)，在嵌入载体材料中的各个导体层之间、尤其在各个印制导线之间建立导电连接。

公开文献WO 2016/017256 A1描述一种感应马达，其具有带汇流排的转子，汇流排包含在实心铁芯的切口中。切口是敞开的切口并且具有如下宽度，该宽度从转子的外环周侧朝内侧逐渐地且线性地渐缩。

公开文献EP 0 264 110 A1描述一种电磁装置、特别是一种具有彼此电绝缘的电流导体线圈的电磁绕组，电流导体线圈相互电绝缘并且具有导电膜的形式。膜可以是在电绝缘的塑料膜上的金属覆层或者由导电合成材料与绕组的各个匝之间的绝缘层构成。

发明内容

本发明的基本目的是：提出一种用于制造旋转电机的转子的方法，该方法与现有技术相比更简单且更便宜。

根据本发明，所述目的通过一种用于制造旋转电机的转子的方法来实现，该转子具有至少一个轴体和鼠笼，其中，借助于热喷涂法将覆层喷涂到轴体的基本上柱形的外表面的至少一部分上，覆层由至少一种第一金属材料和与第一金属材料不同的第二金属材料构成，其中，由覆层形成鼠笼的至少一部分。

此外，根据本发明，所述目的通过一种用于旋转电机的转子来实现，该转子具有鼠笼并且借助这种方法来制造。

另外，根据本发明，所述目的通过具有至少一个这种转子的旋转电机来实现。

以下关于方法描述的优点和优选设计方案可以转用于转子和旋转电机。

本发明基于如下构思：通过使用热喷涂法来优化用于旋转电机的转子的制造。热喷涂法例如是电弧喷涂、等离子喷涂或火焰喷涂。借助热喷涂法将不同的金属材料喷涂到轴体的基本上柱形的外表面上，其中形成紧密的且牢固附着的覆层，并且其中，由覆层形成产生磁极的元件的至少一部分。金属材料是例如分别具有硬磁、软磁或非磁特性的金属或合金。产生磁极的元件例如是鼠笼、电磁体或永磁体。如果将两种金属材料都喷涂到轴体上，则通过形成材料配合的连接来改善材料之间的结合，从而例如针对运行中出现的离心力保护产生磁极的元件。特别地，与热等静压法相比，通过热喷涂法显著减少了工作步骤的数量，这简化了制造方法并降低了制造成本。

特别有利的是，将冷气喷涂用作热喷涂法。在冷气喷涂中，具有大的动能的经由气流加速的固体颗粒射到轴体上，该动能经由扩散机制形成材料配合的连接。与其他增材制造法相比，借助冷气喷涂，可以在短时间内且以几何方面非常灵活的方式制造厚层、例如毫米范围和厘米范围中的厚层。因为借助于冷气喷涂涂覆的材料不熔化而是因其动能而变形，所以很大程度上避免热感应的应力、尤其连接区域中的热感应的应力。

在一个优选的实施方式中，第二金属材料是软磁材料。软磁材料例如是铁或钢，其适合于在材料内部引导磁通量。如果将软磁材料与第一金属材料一起喷涂，则轴体的加工更简单，因为例如不必铣削槽。此外，通过形成材料配合的连接来改善材料之间的结合，从而例如针对运行中出现的离心力保护产生磁极的元件。

在一个优选的设计方案中，轴体由第二金属材料制成。特别地，如果第二金属材料是软磁材料，则转子的电学特性被改善并且电学行为的仿真被简化。通过减少材料数量，可以实现成本降低。

在另一个有利的设计方案中，由第一金属材料形成鼠笼的至少一部分。例如，鼠笼的杆由与第二金属材料一起喷涂到轴体上的第一金属材料形成，其中，短路环与短路杆在短路杆的轴向端部处连接。这种鼠笼可以容易且便宜地制造。

在一个优选的实施方式中，鼠笼完全嵌入转子中。特别地，将由第一金属材料连同第二金属材料一起构成的短路环与短路杆喷涂到轴体上，使得鼠笼完全地材料配合地连接，从而例如针对运行中出现的离心力保护鼠笼。

在另一个有利的设计方案中，第一金属材料具有大于40MS/m的电导率。例如，第一金属材料具有铜和/或银。由于这样高的电导率，减小了转子中的电损失。因为产生更少的废热，所有可以简单且便宜地冷却转子。

特别有利的是，利用第一喷涂设备喷涂第一金属材料，并且利用第二喷涂设备喷涂第二金属材料。例如，分别利用在制造技术方面优化的参数、如喷嘴直径、颗粒大小、压力和/或温度来喷涂材料，这引起转子的电和机械特性的改善。通过使用多个不同的喷涂设备减小了制造时间。

在另一个有利的设计方案中，将金属材料滚动式喷涂到轴体的基本上柱形的外表面上。滚动式喷涂表示：轴体围绕轴体的旋转轴线转动，同时喷涂设备平行于该旋转轴线运动。由于喷涂设备不沿环周方向运动，所以确保了喷涂颗粒以恒定的角度射到轴体的外表面上。此外，滚动式喷涂不仅精确而且节省时间，因为沿轴向方向刚性运动的喷涂设备至少很少重新定向。

特别有利的是，交替地和/或在渐开线轨迹上进行金属材料的滚动式喷涂。交替滚动式喷涂表示：轴体在喷涂设备沿轴向方向运动并且在此喷涂固体颗粒期间静止。此后，轴体在喷涂过程中断期间转动小的步进角。然后，在轴体静止期间，固体颗粒重新以直接相邻且平行于旋转轴线延伸的轨迹喷涂。交替滚动式喷涂可以简单地实现。在渐开线轨迹上滚动式喷涂表示：与交替喷涂相反，在喷涂设备沿轴向方向运动并且在此喷涂固体颗粒期间，轴体同样运动。在渐开线轨迹上的滚动式喷涂使制造方法加速。可以简单地实现例如鼠笼转子中的槽斜度。

在另一个有利的设计方案中，喷涂第三材料，以使金属材料彼此隔离地布置。例如，可以借助热喷涂法来制造具有电磁体的转子，该转子具有励磁绕组。这种方法例如在极数、导体横截面和绕组数方面是灵活的，并且由于减少了方法步骤数量而是简单的。

特别有利的是，覆层的至少两种材料形状配合地连接。这种形状配合的连接例如可以经由尤其锯齿形的肋片结构制造。通过形状配合还使转子稳定。

附图说明

在下文中，根据附图中所示的实施例更详细地描述和阐述本发明。

附图示出：

图1示出旋转电机的纵截面，

图2示出具有鼠笼的转子的侧视图，

图3示出具有覆层的转子的第一实施方式的横截面，

图4示出具有覆层的转子的第二实施方式的横截面，

图5示出具有覆层的转子的第三实施方式的放大的横截面，

图6示出具有覆层的转子的第四实施方式的放大的横截面，

图7示出用于制造转子的第一方法的示意图，以及

图8示出用于制造转子的第二方法的示意图。

具体实施方式

下面阐述的实施例是本发明的优选的实施方式。在实施例中，实施方式的所描述的部件分别为本发明的可彼此独立考虑的各个特征，这些特征分别也彼此独立地改善本发明，进而也可单独地或以与所示出的组合不同的组合方式当作本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也可以由本发明的已经描述的其他特征补充。

在各个附图中，相同的附图标记具有相同的含义。

图1示出旋转电机2的纵截面，旋转电机构造为异步电机。异步电机具有可围绕旋转轴线4旋转的转子6和包围转子6的定子8。在转子6和定子8之间存在间隙10，该间隙尤其构造为空气间隙。旋转轴线4限定轴向方向、径向方向和环周方向。转子6包括具有覆层14的实心轴体12，覆层具有产生磁极的元件。产生磁极的元件构造为鼠笼16。可替换地，旋转电机2构造为同步电机，其中，同步电机的转子6作为产生磁极的元件具有永磁体或带有励磁绕组的极。定子8包括：引导磁场的定子元件18，定子元件为了抑制涡流而构造为叠片组；和定子绕组20，定子绕组在定子叠片组的轴向端部处形成绕组头22。

图2示出具有鼠笼16的转子6的侧视图。该鼠笼16具有短路杆16a，短路杆在其轴向端部处经由相应的短路环16b相连。覆层14借助热喷涂法涂覆进而构造为，使得转子6基本上构造为柱形并且鼠笼16完全嵌入转子6的覆层14中。热喷涂法是例如电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂或冷气喷涂。实心轴体12由软磁材料制成。覆层14包括第一金属材料和第二金属材料，其中，第二金属材料是软磁材料并且基本上对应于轴体12的软磁材料。鼠笼16的第一金属材料、例如铜或铜合金具有大于40MS/m的电导率。此外，包括鼠笼16的覆层14通过热喷涂法至少材料配合地与轴体12连接，使得直径d至少为30cm的转子6能够以至少1MW的功率和至少10000U/min的转速运行。例如，在冷气喷涂中，具有大的动能的经由气流加速的固体颗粒射到轴体12上：该动能经由扩散机制形成材料配合的连接。图2中的转子6的另外的设计对应于图1中的设计方案。

图3示出具有覆层14的转子6的第一实施方式的横截面。覆层包括由第一金属材料26构成的固体颗粒和由第二金属材料28构成的固体颗粒，其中，第一金属材料26借助第一喷涂设备30并且第二金属材料28借助第二喷涂设备32直接喷涂到轴体12的基本上柱形的外表面24上。如图2所示，鼠笼16由第一金属材料28的固体颗粒形成。如图2中所示，第二金属材料28是软磁材料、例如钢，并且基本上对应于轴体12的软磁材料。鼠笼16完全嵌入转子6中。至少鼠笼16的短路杆16a的横截面具有圆环段形的轮廓。该轮廓近似为矩形或正方形。通过鼠笼16的导体的这种矩形或正方形的轮廓实现高的载流能力。图3中的转子6的另外的设计对应于图2中的设计方案。

图4示出具有覆层14的转子6的第二实施方式的横截面，至少鼠笼16的短路杆16a的横截面具有倒圆的轮廓。例如，短路杆16a的轮廓表现为U形。鼠笼16完全嵌入转子6的覆层14中。图4中的转子6的另外的设计对应于图3中的设计方案。

图5示出具有覆层14的转子6的第三实施方式的放大的横截面，其中，第一材料26和第二材料26通过例如锯齿形的肋片结构34还形状配合地连接。鼠笼16完全嵌入转子6的覆层14中。图5中的转子6的另外的设计对应于图3中的设计。

图6示出了具有覆层14的转子6的第四实施方式的放大的横截面，其中，覆层包括由第一金属材料26、第二金属材料28和第三材料36制成的固体颗粒。材料26、28、36借助于不同的喷射设备30、32喷射到轴体12的基本上柱形的外表面24上。为了清楚，在图6中未示出喷涂设备30、32。

第三材料36是导电材料，导电材料例如具有银、黄铜、锌或铝并且在电、热和/或机械特性方面不同于第一金属材料26。例如，通过导电的第三材料36改善转子6的机械稳定性和/或减少在运行中出现的损失。第三材料36被分配给鼠笼16并且将第一金属材料26与第二金属材料26连接。可替换地，第三材料36是电绝缘材料，电绝缘材料例如具有氧化铝并且使第一金属材料26与第二金属材料28绝缘。图6中的转子6的另外的设计对应于图5中的设计。

图7示出用于制造转子6的第一方法的示意图。转子6的覆层14借助于冷气喷涂由例如两个喷涂设备30、32喷涂到轴体12的基本上柱形的外表面24上，其中，喷涂设备沿轴向依次设置和/或沿环周方向并排设置。

喷涂设备30、32同时或交替地运行。将覆层14的金属材料26、28滚动式喷涂到轴体12上，这意味着：轴体12围绕其旋转轴线4转动，同时喷涂设备30、32平行于旋转轴线4运动。因为喷涂设备30、32不沿环周方向运动，因此确保了固体颗粒以80°至110°的恒定角度射到轴体12的外表面24上。

金属材料26、28的滚动式喷涂交替进行，这意味着：在喷涂设备30、32沿轴向运动并且在此喷涂固体颗粒期间，轴体12静止。此后，轴体12在喷涂过程中断期间转动小的步进角。随后，在轴体12静止期间重新将固态颗粒在直接相邻且平行于转动轴线延伸的轨迹上喷涂。图7中的转子6的另外的设计对应于图3中的设计。

图8示出用于制造转子6的第二方法的示意图。金属材料26、28的滚动式喷涂在渐开线轨迹上进行，这意味着：与交替喷涂相反，轴体12在喷涂设备30、32沿轴向方向运动并且在此喷涂固态颗粒期间同样运动。为了实现可复现的结果，喷涂设备30、32的运动和轴体12的旋转运动必须同步。图8中的转子6的另外的设计对应于图7中的设计。

综上所述，本发明涉及一种用于制造旋转电机2的转子6的方法，该转子具有至少一个轴体12。为了给出一种与现有技术相比更简单且更便宜的制造方法而提出：借助于热喷涂法将覆层14喷涂到轴体12的基本上柱形的外表面24的至少一部分上，该覆层由至少一种第一金属材料26和与第一金属材料26不同的第二金属材料28构成，其中，由覆层14形成产生磁极的元件的至少一部分。

Claims (15)

1.一种用于制造旋转电机(2)的转子(6)的方法，所述转子具有至少一个轴体(12)和鼠笼(16)，

其中，借助于热喷涂法将覆层(14)喷涂到所述轴体(12)的基本上柱形的外表面(24)的至少一部分上，所述覆层由至少一种第一金属材料(26)和与所述第一金属材料(26)不同的第二金属材料(28)构成，

其中，由所述覆层(14)形成所述鼠笼(16)的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将冷气喷涂用作所述热喷涂法。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第二金属材料(28)是软磁材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述轴体(12)由所述第二金属材料(28)制成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，由所述第一金属材料(26)形成鼠笼(16)的至少一部分。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述鼠笼(16)完全嵌入所述转子(6)中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一金属材料(26)具有大于40MS/m的电导率。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用第一喷涂设备(30)喷涂所述第一金属材料(26)，并且利用第二喷涂设备(32)喷涂所述第二金属材料(28)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将金属材料(26、28)滚动式喷涂到所述轴体(12)的基本上柱形的所述外表面(24)上。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，交替地和/或在渐开线轨迹上进行金属材料(26、28)的滚动式喷涂。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，喷涂第三材料(36)，以使金属材料(26、28)彼此隔离地布置。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述覆层(14)的至少两种材料(26、28、36)形状配合地连接。

13.一种用于旋转电机(2)的转子(6)，所述转子具有鼠笼(16)，所述转子利用根据前述权利要求中任一项所述的方法制成。

14.根据权利要求13所述的转子(6)，其中，所述转子(6)能够以至少5000U/min的转速运行。

15.一种旋转电机(2)，具有至少一个根据权利要求13或14所述的转子(6)。

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