CN115765224A - 旋转电机和用于这样的电机的转子 - Google Patents

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Abstract

一种用于旋转电机的转子，该转子(6)包括轴(7)和由轴支撑的磁体(11)。此外，转子还包括保护套筒(18)，该保护套筒围绕磁体(11)的外表面延伸并且至少部分由PEEK或环氧树脂制成。

Description

旋转电机和用于这样的电机的转子
技术领域
本发明总体上涉及旋转电机，尤其是气密旋转电机，更准确地说，涉及由爆炸性和/或侵蚀性气体冷却的旋转电机。
特别地，本发明涉及用于旋转电机的转子和包括转子的旋转电机。
背景技术
气密电机通常包括布置在加压外壳中的电马达。
用于诸如氢气液化的H2应用的马达压缩机单元是气密电机的一示例。
在这种应用中，存在作为侵蚀性和腐蚀性气体的H2与内部部件接触会导致电机退化。
对于其他应用，马达压缩机单元的内部部件可能与碳氢化合物、CO2气体、蒸汽和/或液态水以及H2S气体的混合物接触，它们也是侵蚀性和腐蚀性气体。
此外，旋转电机通常配备有用于马达的冷却装置。冷却装置通常包括在套中循环的水和乙二醇液体混合物，用于冷却定子的外部部分，以及在定子和马达之间循环的处理气体，用于冷却电机的内部部分。
被处理的气体是冷却电机的转子和主动磁轴承的唯一方式，通常是H2或包括碳氢化合物、二氧化碳、蒸汽和液态水的火炬气。直接来自油井的火炬气是侵蚀性和爆炸性的并且与电机结构不相容。
以前的旋转电机的组成和结构，其冷却方法通常基于空气和制冷剂，不适于经受侵蚀性和/或爆炸性气体。这些情况导致其寿命缩短。
发明内容
因此，本发明旨在通过提供一种与基于处理气体循环的冷却方法兼容的转子来克服这些缺点，从而导致电机的正确冷却并防止其过早劣化。
本发明的一个目的是要提供一种用于旋转电机的转子，该转子包括轴和由轴支撑的磁体。
此外，转子还包括保护套筒，该保护套筒围绕磁体的外表面延伸，并且至少部分由PEEK树脂或环氧树脂制成。
优选地，保护套筒径向接触磁体的外表面。
优选地，转子还包括由轴支撑的至少第一和第二环，第一环安装在磁体的一端，第二环安装在磁体的相对端。
优选地，所述第一和第二环以及保护套筒一起限定了封闭的室，磁体位于该室中。
优选地，转子还包括至少两个O形环密封件，这两个O形环密封件中的每一个都位于保护套筒的两个相对端之一与第一和第二环之一之间。
根据一实施例，所述保护套筒至少部分由基于PEEK树脂或环氧树脂的基质的复合材料制成。
有利地，所述保护套筒可以至少部分地由基于用纤维增强的PEEK树脂或环氧树脂的基质的复合材料制成。
优选地，所述保护套筒至少部分由基于用碳纤维增强的PEEK树脂或环氧树脂的基质的复合材料制成。
本发明还涉及一种旋转电机，该旋转电机包括限定气密室的外壳、安装在气密室内并包括设置有绕组的定子的定子组件、以及如上所述可旋转地安装在所述定子内的转子。
根据一实施例，定子可以包括保护套筒，该保护套筒在绕组的内表面内延伸并且由非磁性材料制成。
有利的是，保护套筒可以至少部分由PEEK树脂或环氧树脂制成。
优选地，保护套筒至少部分由用纤维，优选用碳纤维增强的复合材料制成。
根据一实施例，密封和冷却元件可以包覆成型到定子上。
优选地，定子设置有叠片，所述包覆成型元件包覆成型在绕组和叠片上。
优选地，所述包覆成型元件由聚合温度接近旋转电机的工作温度的聚合材料制成。
作为示例，所述包覆成型元件可以由环氧树脂制成。
有利的是，所述包覆成型元件可以位于外壳和定子之间的气密室的所有间隙中。
优选地，旋转电机包括至少两个适于在定子的两个横向侧支撑主动磁轴承模块的凸缘，所述凸缘由非磁性材料制成。
此外，所述凸缘可各自包括内壁，该内壁的形状适于与定子一端的形状相一致。
优选地，凸缘用至少一个贝氏垫圈组装到旋转电机上。
附图说明
本发明的其他优点和特征将从本发明的实施例的详细描述中显现，这些实施例是非限制性的示例，在附图中示出，在附图中:
图1是根据本发明的实施例的气密旋转电机的截面图。
图2是根据本发明的另一实施例的气密旋转电机的截面图。
具体实施方式
如图1所示的实施例中所示的，加压且气密的旋转电机1通常包括由电机外壳3界定的气密室2。示出的旋转电机1是马达压缩机单元。
旋转电机1包括定子组件4，定子组件4安装在气密室2内，并包括定子5，定子5包括绕组9。
旋转电机1还包括转子6，该转子6可旋转地安装在定子5内，并且包括围绕中心轴线X延伸的轴7。转子6包括磁体11。
旋转电机1可以包括用于轴7的壳体8，该壳体8有利地专用于磁体11的安装和收缩。
定子5具有绕组9，有利地是铜线，用于传导电流和产生感应和磁场，以及叠片10，用于转子6的磁通量循环和限制由感应变化产生的磁损耗。叠片之间的电绝缘限制了损耗的涡流源。
转子6包括磁体11，特别是永磁体，由用于传递扭矩的轴支撑，用于与定子5产生的旋转磁场进行磁相互作用。磁体11在轴向和径向方向上彼此相对堆叠。
此外，所示的旋转电机1包括主动磁轴承(AMB)模块12a和12b，用于在正常操作中径向引导转子6。优选地，冷却装置包括在气密室2中流动的处理气体，以便冷却AMB模块12a、12b、转子6和定子5。
在AMB模块失效的情况下，也可以提供备用轴承模块13a和13b。当AMB模块12a、12b未被激活时，它们也支撑转子6。
旋转电机1优选包括用于限制磁损耗的槽楔14和用于电线、叠片和槽楔14的电绝缘的绝缘纸15。
优选地，至少两个凸缘16a和16b适于在定子5的两个横向侧上支撑主动磁性轴承模块12a、12b。第一凸缘16a安装在定子5的一端，第二凸缘16b安装在定子5的相对端。凸缘16a和16b也可以提供气密室2的气密性。
此外，如图1所示，冷却装置可以包括在气密室内的冷却设备17，该冷却设备17包括冷却套，该冷却套优选地靠着外壳3的内表面定位，并配备有用于水和乙二醇混合物的循环的螺旋管，用于散发由定子5、绕组9产生并由其它接触部件如气密室和凸缘2、16a传导的热量。
此外，转子6包括环形保护套筒或环箍18，用于保护磁体11免受侵蚀性和/或爆炸性冷却气体，例如火炬气或H2的影响。转子6的环箍18围绕磁体11的外表面延伸，并且至少部分由聚醚醚酮(PEEK)树脂或环氧树脂制成。
在示出的示例中，环箍18与磁体11的外表面径向接触。
环箍18能够将受到离心作用的永磁体11保持在轴7上，然后将电磁扭矩传递到轴7。
环箍18在磁体11上施加预应力，以便将它们压靠在轴壳体8和转子轴7上，使得它们不会在离心作用下分离，并且使得它们能够将永磁体11中的电磁扭矩传递到轴7。
有利地，转子6的环箍18由基于PEEK树脂或环氧树脂的基质的复合材料制成，可选地用纤维例如碳纤维增强。纤维基准可以适应转子6的最大转速。
PEEK树脂和环氧树脂有利地与侵蚀性和爆炸性气体(例如火炬气)相容，并且特别耐受。
PEEK树脂或环氧树脂基复合材料的碳纤维提高了转子6的环箍18的机械和耐热性及其与侵蚀性性和爆炸性气体的相容性。此外，碳纤维允许减少材料的质量，以便不影响旋转电机1的性能。
例如，转子6的环箍18可以由包括PEEK树脂和
Figure BDA0003777473830000041
TC42S碳纤维的复合材料制成，PEEK树脂尤其与侵蚀性和爆炸性气体相容。
转子6的环箍18优选地定位成与转子6的磁体11的外表面直接接触。
优选地，定子5还包括环形保护套筒或管19，用于保护绕组9以及叠片10、铜线及其连接件免受侵蚀性和/或爆炸性冷却气体的影响。定子5的保护套筒19在绕组9的内表面内部延伸，并且由电绝缘和非磁性材料，例如非金属材料，制成。绕组9的内表面形成所述绕组的孔。
在定子5的保护套筒19和转子6的环箍18之间设置有径向间隙(未标出)。
根据一实施例，定子5可以不包括保护套筒19。
有利地，定子5的保护套筒19可以至少部分地由PEEK树脂或环氧树脂制成，并且优选地由基于PEEK树脂或环氧树脂的基质的复合材料制成。可选地，复合材料可以用纤维，例如碳纤维增强。纤维基准、层取向和纤维宽度可以适应内部气压水平。
PEEK树脂和环氧树脂有利地与侵蚀性和爆炸性气体(例如火炬气)相容，并且特别耐受。
PEEK树脂或环氧树脂基复合材料的碳纤维提高了定子5的保护套筒19的机械和耐热性及其对侵蚀性和爆炸性气体的相容性。非磁性碳纤维复合材料的使用允许避免电机磁路的任何扰动，以便不影响旋转电机1的性能。
例如，定子5的保护套筒19可以由包括PEEK树脂和
Figure BDA0003777473830000051
TC42S碳纤维的复合材料制成。
优选地，旋转电机1包括包覆成型在定子5上的密封和冷却元件20，以下称为包覆成型元件20，用于保护定子5免受侵蚀性和/或爆炸性气体的影响以及定子5的正确冷却。
包覆成型元件20是热导体，其通过传递热通量而有助于冷却。
根据一实施例，旋转电机1可以不包括包覆成型在定子5上的密封和冷却元件20。
在所示示例中，包覆成型元件20包覆成型在绕组9和叠片10上，并且优选填充绕组9和叠片10的所有空体积。
有利地，包覆成型元件20可以填充定子5的所有空体积。
包覆成型元件20优选由聚合温度接近旋转电机1的正常工作温度的聚合材料制成，以便不在定子6内部产生热弹性应力。旋转电机1的正常工作温度指的是额定工作条件。
有利地，包覆成型元件20具有用于改善定子组件4的冷却的良好导热性，以及用于防止处理过的气体向外泄漏到旋转电机1的良好气密性。
出于制造考虑，包覆成型元件20的材料优选具有最小化的体积和质量。
包覆成型元件20可以由树脂制成，例如环氧树脂。例如，环氧树脂可以是
Figure BDA0003777473830000061
XB2252和
Figure BDA0003777473830000062
XB2253的混合物。
包覆成型元件20可以位于外壳3和定子5之间的气密室的所有间隙中，并且优选地，位于定子组件4的线圈的导线之间，用于改善定子组件4的密封和冷却效果，以及改善定子5免受侵蚀性和/或爆炸性气体的保护。可以定位包覆成型元件20，以便包覆成型和气密旋转电机1的接口，例如电源和温度探针端子。
定子5空腔内的所有剩余空间优选由包覆成型元件20填充，例如在绕组9周围、绕组9的端部、叠片10的槽内、馈通周围等。
此外，适于在定子5的两个横向侧上支撑主动磁轴承模块12a、12b的两个凸缘16a和16b优选地由非磁性材料制成，以避免由于涡流损耗而导致的额外加热。例如，两个凸缘16a和16b可以由非磁性奥氏体不锈钢制成。
如图1所示，定子5的第一和第二凸缘16a、16b以及保护套筒19一起限定了封闭的室，定子5位于该室中。
此外，两个凸缘16a和16b中的每一个可以分别包括内壁21a和21b，该内壁具有适于与定子5的一端的形状相一致的形状。以这种方式，包覆成型元件20的体积，在所示示例中的树脂体积，可以被最小化，然后适应所使用的树脂的聚合速度。
此外，两个凸缘16a和16b可以用至少一个贝氏(Belleville)垫圈22组装到旋转电机1。贝氏垫圈22允许限制用于固定凸缘16a和16b的螺钉的张力，这是由于包覆成型元件20和周围的部件(例如外壳3、凸缘16a和16b以及冷却设备17)之间的热膨胀差异。
优选地，旋转电机1包括密封件，例如O形环密封件和扁平密封件。
O形环密封件23a定位成在包覆成型元件20的包覆成型期间和操作期间确保气密性，从而形成防止处理气体渗透到定子5中的屏障。
当与O形环23a结合时，由定子5的保护套筒19提供的对处理过的气体的气密性得到特别改善。
此外，O形环密封件23b被定位成确保水和乙二醇混合物与包覆成型元件20之间的气密性。
O形环密封件23c定位成确保包覆成型元件20和旋转电机1之间在馈通外部的气密性。
如图1和2所示，在包覆成型元件20的包覆成型期间一个O形环密封件23损坏的情况下，旋转电机1在每个位置包括一组至少三个O形环密封件。
两个凸缘16a和16b可以包括用于插入O形环密封件23a的凹槽。
扁平密封件24a和24b被定位成确保位于电源接线盒的外侧的包覆成型元件20和旋转电机1之间的气密性。
此外，扁平密封件被定位成以便确保在温度探针接线盒的外部的包覆成型元件20和旋转电机1之间的气密性。
优选地，旋转电机1还包括第一和第二环25a、25b，用于保护永磁体的端面免受侵蚀性和/或爆炸性气体的影响。
第一和第二环25a、25b由轴7支撑。第一环25a安装在磁体11的一端，第二环25b安装在磁体11的相对端，以保护磁体11的侧端面。换句话说，第一环25a安装在一堆磁体11的一个轴向端，第二环25b安装在一堆磁体的相对轴向端。在示出的示例中，第一和第二环25a中的每一个轴向邻接抵靠磁体11中的一个。替代地，可以在第一和第二环25a中的每一个和相关联的磁体11之间提供轴向间隙。优选地，轴向间隙最小化。
转子6的环箍18的两个相对端均径向接触第一和第二环25a、25b中的一个，使得第一和第二环25a、25b以及转子6的环箍18一起限定了封闭的室，磁体11位于该室中。
在定子5的保护套筒19和转子6的第一和第二环25a、25b之间提供径向间隙(未标出)。
例如，第一和第二环25a、25b可以由不锈钢制成。
有利地，转子6的环箍18可以固定到第一和第二环25a、25b和/或磁体11。
优选地，永磁体11被胶合到轴壳体8上。环箍18围绕磁体滑动，并且环25a和25b被带到一起以形成子组。之后，通过轴向推动环25，该子组件通过该子组件的所有部件的力、径向收缩被插入。然后，环箍18被“附接”到环25a和25b以及永磁体11上。
根据图2所示的替代实施例，其中相同的部件被给予相同的附图标记，旋转电机1包括两个O形环密封件26a和26b，以便增加由第一和第二环25a、25b和环箍18限定的封闭室的气密性。两个O形环密封件26a和26b中的每一个都位于环箍18的两端之一和第一和第二环25a、25b之一之间。
例如，每个环25a、25b包括在其外表面上的凹槽，用于接收两个O形环密封件26a、26b中的一个。
根据另一个实施例，旋转电机1可以包括两个以上的O形环，例如在转子6的每一端有两个或三个O形环。
转子6的环箍18允许旋转电机1，特别是永磁体，被有利地保护免受被处理气体腐蚀的风险，以及它们爆炸或泄漏到电机1外部的风险。优选地，通过包覆成型元件20与定子5的包覆成型元件20和/或保护套筒19的组合来提高这种防止爆炸和腐蚀风险的保护。

Claims (15)

1.一种用于旋转电机的转子，转子(6)包括轴(7)和由轴(7)支撑的磁体(11)，其特征在于，它还包括围绕磁体(11)的外表面延伸并且至少部分由PEEK或环氧树脂制成的保护套筒(18)。
2.根据权利要求1所述的转子，其中，所述保护套筒(18)与所述磁体(11)的外表面径向接触。
3.根据权利要求1或2所述的转子，进一步包括由轴(7)支撑的至少第一和第二环(25a，25b)，第一环(25a)安装在磁体(11)的一端，第二环(25b)安装在磁体(11)的相对端。
4.根据权利要求3所述的转子，其中，第一和第二环(25a，25b)以及保护套筒(18)一起限定了一封闭的室，磁体(11)位于该室中。
5.根据权利要求4所述的转子，还包括至少两个O形环密封件(26a，26b)，两个O形环密封件(26a，26b)中的每一个都位于保护套筒(18)的两个相对端之一与第一和第二环(25a，25b)之一之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，所述保护套筒(18)至少部分由基于PEEK或环氧树脂的基质的复合材料制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，所述保护套筒(18)至少部分由复合材料制成，该复合材料基于用纤维特别是碳纤维增强的PEEK或环氧树脂的基质。
8.一种旋转电机，包括限定气密室(2)的外壳(3)，安装在气密室(2)内并包括设置有绕组(9)的定子(5)的定子组件(4)，以及可旋转地安装在所述定子(5)内的根据前述权利要求中任一项所述的转子(6)。
9.根据权利要求8所述的旋转电机，其中，定子(5)包括保护套筒(19)，该保护套筒在绕组(9)的内表面内延伸，并且由非磁性材料制成。
10.根据权利要求9所述的旋转电机，其中，所述保护套筒(19)至少部分由PEEK或环氧树脂制成。
11.根据权利要求9或10所述的旋转电机，其中，所述保护套筒(19)至少部分由用纤维优选地碳纤维增强的复合材料制成。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的旋转电机，其中，密封和冷却元件(20)包覆成型在定子(5)上。
13.根据权利要求12所述的旋转电机，其中，所述包覆成型元件(20)由环氧树脂制成。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的旋转电机，其中，所述包覆成型元件(20)位于外壳(3)和定子(5)之间的气密室(2)的所有间隙中。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的旋转电机，包括至少两个凸缘(16a，16b)，该至少两个凸缘适于在定子(5)的两个横向侧支撑主动磁性轴承模块(12a，12b)，所述凸缘(16a，16b)由非磁性材料制成。
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