CN117916979A

CN117916979A - 用于高速电机的转子

Info

Publication number: CN117916979A
Application number: CN202280048118.4A
Authority: CN
Inventors: M·布拉泽; A·洛塞; F·迪特曼
Original assignee: Celeroton AG
Current assignee: Celeroton AG
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2024-04-19
Also published as: KR20240042420A; US20240297551A1; WO2023280893A1; JP2024528806A; EP4117146A1; EP4367778A1

Abstract

一种用于具有气体轴承的高速电机的转子(1)，包括：至少一个转子侧径向轴承(21)；转子侧轴向轴承(31)；转子主体段(29)，其包括至少一个转子侧径向轴承(21)；转子端部段(39)，其包括转子侧轴向轴承，其中，当沿转子的旋转轴线观察时，径向轴承段(22)被定义为径向轴承沿其延伸的段。其中，外转子部分(27)沿转子端部段和转子主体段延伸，外转子部分(27)成形为在转子主体段(29)中形成中空圆柱体或轴承套筒(28)，至少一个转子塞(5)布置在轴承套筒(28)的内侧，并且该至少一个转子塞(5)的材料具有低于7E‑6K^‑1的CTE。

Description

用于高速电机的转子

技术领域

本发明涉及电机领域。本发明涉及一种用于具有气体轴承的高速电机的转子，如独立权利要求的前序部分中所述。

背景技术

电动马达通常包括转子和定子，定子包括支撑和容纳电定子和轴承的定子主体。轴承包括一个或多个径向(也称为轴颈)和轴向(也称为推力)轴承，这些轴承是气体轴承。通常存在两个径向轴承。它们可以位于定子的相对侧，即驱动转子的电磁元件布置在两个径向轴承之间，或者位于定子的同一侧。后一种布置通常称为悬伸马达设计。通过悬伸设计，两个径向轴承可以集成到单个部分中。然而，该方法通常导致转子更长，并且因此转子的转子动力学行为更关键并且增加了转子的制造工作量。这导致由于希望保持转子较短、简化制造工作量并因此简化成本以及提高例如由转子动力学行为引起的性能限制而引起的相互矛盾的要求。

通常，转子径向轴承和转子轴向轴承的制造公差和材料要求是不同的，这使得找到一种易于制造、具有少量不同工件、材料和界面的转子结构具有挑战性。

WO 2018/041938 A1公开了一种具有径向空气轴承和轴向空气轴承的涡轮压缩机轴。用于承载叶轮和轴向轴承板的轴插入管状轴承段的一端，用于承载电动马达的元件的驱动部分插入另一端。管状轴承段由硬质材料制成，并且叶轮部分和/或驱动部分由与管状轴承段的硬质材料相比相对较软的材料制成。

US 4063850 A公开了一种燃气涡轮机转子，其具有陶瓷涡轮机叶片和部分由陶瓷材料形成的转子轴，叶片和转子的一部分形成为一个工件。转子的陶瓷轴部分延伸到发动机的冷却区中，在该区域中陶瓷轴部分连接至包含支撑管并桥接两个轴部分的钢轴部分。陶瓷轴部分由径向空气轴承支撑。陶瓷轴向轴承盘与陶瓷轴部分形成为一个工件。

US4585396A、US4854025A和US4639194A公开了连接至钢转子轴的陶瓷涡轮机叶片或叶轮。

WO 2014/175766 A1和WO 2017/200828 A1公开了一种转子轴，其具有中空横截面并且具有布置在中空横截面中的用于分配热量的导热元件。导热元件由比转子轴的材料具有更高导热率的材料制成。

GB 962277A公开了一种类似的布置，在导热元件的内侧具有冷却肋。

WO2017202941和WO2020002509公开了具有空气轴承的转子，其中径向轴承和轴向轴承由一件式材料制成。

US2004/0051416 A1示出具有加强套筒的转子，该加强套筒围绕永磁体的圆周并且在磁体的一侧围绕涡轮机轴并且在另一侧围绕轴承构件安装。加强套筒不包括任何轴承段。

现有技术中的所有转子都难以制造和/或不允许针对转子的不同部分和功能使用最优材料。

发明内容

因此，本发明的目的是创建一种用于具有气体轴承的高速电机的转子，其提供了对现有技术的改进。

这些目的通过根据权利要求的用于具有气体轴承的高速电机的转子来实现。

该转子用于具有气体轴承的高速电机，该转子包括：

至少一个转子侧径向轴承，

转子侧轴向轴承，

转子主体段，其包括至少一个转子侧径向轴承，

转子端部段，其包括转子侧轴向轴承，

其中，当沿转子的旋转轴线观察时，径向轴承段被定义为径向轴承沿其延伸的段。

其中，外转子部分沿转子端部段和转子主体段延伸，

外转子部分成形为在转子主体段中形成用作轴承套筒的中空圆柱体，

至少一个转子塞布置在轴承套筒的内侧，并且至少一个转子塞的材料具有低于7E-6K^-1、特别是低于5E-6K^-1、甚至更特别是低于4E-6K^-1的CTE。

这允许转子的CTE(特别是在径向方向上)由相对较低的转子塞的CTE支配。

在实施例中，当沿转子的旋转轴线观察时，转子塞不延伸至轴向轴承段。

在实施例中，转子塞是单独的部分并且不与转子端件组合。

在实施例中，转子塞不包含任何永磁材料。

在实施例中，转子塞被有意地制造成当将转子塞组装到轴承套筒中时使轴承套筒变形，更具体地向轴承套筒施加预张力。这与现有技术相反，在现有技术中，转子塞由软材料(意指对弹性或塑性变形具有低抵抗力的材料)制成，其使用的目的是使轴承套筒不变形。

在实施例中，外转子部分的材料是金属或金属类型材料，特别是钢。

外转子部分的材料具有大于40HRC、特别是大于50HRC、甚至更特别是大于55HRC的洛氏硬度。

在实施例中，至少一个转子塞的材料具有低于4500kg/m^3、特别是低于3500kg/m^3的密度。

在实施例中，至少一个转子塞的材料具有低于7E-6K^-1、特别是低于5E-6K^-1、甚至更特别是低于4E-6K^-1的CTE。

在实施例中，存在第一组材料特征，其包括以下特征：至少一个转子塞的材料具有低于7E-6K^-1、特别是低于5E-6K^-1、甚至更特别是低于4E-6K^-1的CTE，并且外转子部分的材料是金属或金属类型材料，特别是钢。

在实施例中，存在第二组材料特征，其包括第一组材料特征并进一步包括以下特征：外转子部分的材料具有大于40HRC、特别是大于50HRC、甚至更特别是大于55HRC的洛氏硬度。

在实施例中，存在第三组材料特征，其包括第二组材料特征并进一步包括以下特征：至少一个转子塞的材料具有低于4500kg/m^3、特别是低于3500kg/m^3的密度。

在实施例中，存在第四组材料特征，其包括第三组材料特征并进一步包括以下特征：至少一个转子塞的材料具有大于250GPa/3100kg/m^3、特别是大于350GPa/3100kg/m^3的杨氏模量与密度之比。

根据实施例，定义转子塞和外转子部分的上述材料特性的优先级顺序是：

·第一优先级：转子塞的CTE；

·第二优先级：外转子部分的材料；

·第三优先级：外转子部分的洛氏硬度；

·第四优先级：转子塞的密度；

·第五优先级：转子塞的杨氏模量与密度之比。

·第六优先级：外转子部分的抗拉强度与密度之比。

因此，可以实现以下优点中的一项或多项：

·转子塞具有第一材料类型(例如陶瓷)允许具有用于制造第一类型材料部分的部分的简单工艺，因为一个或多个转子塞可以是简单的圆柱体。

·轴承套筒具有第二类型材料(例如高性能钢)使得其比第一类型材料更容易加工。当其与转子短轴一体成形时，这是特别有利的。

·在径向轴承段中具有第二类型材料的轴承套筒(这意味着其具有相对较高的CTE)原则上是一个缺点，因为其在操作期间会升温。然而，通过将第一类型材料的塞压入第二类型材料的转子套筒中，该组合的CTE可以降低至接近塞的CTE。

·与温度下的膨胀类似，通过压配合具有相对较高的弹性模量与密度之比的塞和具有可能较低的弹性模量与密度之比的套筒，在高旋转速度下，由于离心力，该组合的膨胀会随着塞的膨胀而降低。随着速度的增加，在轴承套筒开始膨胀之前，在轴承套筒内产生预张力的压配合首先部分地松开，变得不那么紧。套筒的膨胀更多地对应于实心圆柱体而不是中空圆柱体的膨胀，并且更多地对应于塞材料参数而不是套筒材料参数。在实施例中，套筒的厚度小于或等于塞的半径的20％。也就是说，套筒的外半径小于塞的半径的120％。

·作为外转子部分的一部分的轴向轴承板可以由第二类型材料制成。因此，它可以具有比第一类型材料的部分高的强度，这对于轴向轴承板来说是一个优点，因为其具有最大的直径，因此受到最高的离心力。

转子端部段中的外转子部分可形成转子短轴。转子短轴和轴承套筒可以由相同材料制成为单独的工件然后接合，或者它们可以一体成形，也就是说作为单个工件。转子塞可以是实心或中空圆柱体。

在实施例中，转子被设计用于的高速电机是涡轮压缩机，在这种情况下，其可以驱动附接至转子端件的叶轮。在其它实施例中，高速电机驱动束斩波器或旋转棱镜或反射镜或任何其它负载。在其它实施例中，高速电机由涡轮机与或不与涡轮压缩机叶轮组合来驱动。

根据另一方面，转子不由电机驱动或者不是电机的一部分。

气体轴承也称为气体润滑轴承，或采用气态流体的油膜轴承。气体轴承包括空气轴承。

在实施例中，转子塞由在a)旋转和b)温度下至少大致尽可能小地膨胀的材料制成，因为高速转子中存在高速旋转和升高的温度。理想情况下，膨胀应被最小化，以便保持转子和定子轴承衬套之间的小气体轴承间隙。此外，转子塞应轻质且坚硬，以便提高轴承性能(即提高最大稳定旋转速度)。

尽管转子塞优选易于加工，但在与上述特性的权衡中，可承受降低的加工性。这可以通过以下方式得到缓解：保持转子塞的形状简单，从而比外转子部分更容易制造。

在实施例中，外转子部分由具有高抗拉强度(特别是与转子塞相比)以及高抗拉强度与密度之比的材料制成，因为这允许相对较高的圆周速度，并且因此对于给定的旋转速度允许较大的轴向轴承外直径。较大的轴向轴承直径允许较大的最大轴向负载，这进而有利于承受振动和例如由安装到转子上的叶轮产生的轴向推力。此外，对于具有比转子塞的形状更复杂的形状的外转子部分，可以使用比转子塞的材料更容易加工的材料，从而降低加工成本。此外，理想情况下，外转子部分的材料应该是硬的，以便最小化气体轴承启动停止时的磨损，其中，在气体轴承启动停止时，转子和定子轴承之间存在干摩擦。

虽然外转子部分优选在a)旋转和b)温度下表现出低膨胀，但在与上述特性的权衡中，可以承受更高的膨胀，因为该膨胀被转子塞减轻。

因此，外转子部分和转子塞的材料不同。通过将转子分成两个部分，这两个部分可以由两种不同的材料制成，这允许满足如下的不同要求：

·外转子部分，特别是轴向轴承的强度以及外转子的更复杂的形式和公差的简单加工，以及

·转子塞，特别是径向轴承在温度和旋转下的低膨胀。

通过在径向方向上通过压配合将能够承受较高膨胀的材料的薄轴承套筒与具有较低膨胀的厚转子塞组合，可以限制径向轴承中的膨胀。压配合总体上产生低膨胀，因为膨胀主要由转子塞而非轴承套筒定义。轴向轴承和/或转子短轴可以被制成为与轴承套筒相同材料的单独部分，或者与轴承套筒一体成形，使得它们比转子塞的材料更容易加工。

在实施例中，转子塞和轴承套筒之间不存在压配合，但是转子塞和轴承套筒通过另一种方式(焊接、胶合、钎焊等)刚性连接，使得转子塞限制轴承套筒在可能没有预张力的情况下因温度或离心力而膨胀。

然而，在存在不同材料的组合的现有技术中，具有高热膨胀系数(CTE)的材料布置在内侧，而具有低CTE的材料布置在外侧，根据本发明，可以实现相反的构造。

总之，第一类型材料(其也可称为陶瓷类型材料)用于转子塞。在实施例中，第一类型材料具有以下特性中的一种或多种：

·低CTE：低于7E-6K^-1，或5E-6K^-1或4E-6K^-1。

·低密度(与弹性模量无关)：低于4500kg/m^3或低于3500kg/m^3。

·高弹性模量与密度之比：高于250GPa/3100kg/m^3或350GPa/3100kg/m^3。

典型的第一类型材料是：陶瓷材料，更具体地SiN、SiC、AlO。其它替代材料为：铁镍合金(诸如因瓦合金)、玻璃陶瓷、碳化钨、碳化物金属。

总之，第二类型材料(其也可称为金属类型材料)用于外转子部分28。在实施例中，第二类型材料具有良好的机械加工性，并且具有以下特性中的一种或多种：

·高硬度(洛氏硬度)：高于40HRC或50HRC或55HRC。

·高强度与密度之比：高于700MPa/7700kg/m^3或1500MPa/7700kg/m^3或2000MPa/7700kg/m^3。

典型的材料是：金属，更具体地钢，更具体地高强度硬钢，特别是EN 10027-2钢号1.4108、1.4125、1.4112。

在实施例中，在一个或多个径向轴承段中的至少一个特别是所有径向轴承段中，转子塞沿大部分特别是所有径向轴承段延伸。

这允许转子塞定义并稳定径向轴承段中转子主体的直径。转子塞沿大部分径向轴承段延伸意味着其沿径向轴承段的长度的至少90％、特别是至少100％或105％延伸。

在实施例中，在一个或多个径向轴承段中的至少一个特别是所有径向轴承段中，沿轴向方向观察，转子塞仅沿径向轴承段延伸而不进一步延伸，或者相对于径向轴承段的长度仅进一步延伸30％或40％。

可以存在沿两个或更多个径向轴承段延伸的单个转子塞，或者可以存在通常由间隙分隔开的单独的转子塞，每个转子塞沿对应的径向轴承段延伸。由单独的塞元件(通常具有相同的半径，彼此抵靠或非常靠近地布置(沿轴向方向观察))制成的转子塞功能上可以与单个转子塞相同，并且因此可以被认为是单个转子塞。

在实施例中，转子包括与第一径向轴承段和第二径向轴承段分别对应的第一转子侧径向轴承和第二转子侧径向轴承，以及其中，第一转子塞和第二转子塞分别布置为沿第一径向轴承段和第二径向轴承段延伸。

这允许相对轻质的结构。可以简化压配合的形成，因为第一转子塞和第二转子塞可以依次组装并且比单个塞短。

在实施例中，转子包括与第一径向轴承段和第二径向轴承段分别对应的第一转子侧径向轴承和第二转子侧径向轴承，以及其中，单个转子塞布置为沿第一径向轴承段和第二径向轴承段延伸。

这允许相对简单的结构、更坚硬的转子主体，从而具有更佳的动力学行为。此外，与存在两个单独的、保持一定距离的转子塞时相比，轴承套筒可以制造得更薄。

在实施例中，通过涂覆转子塞或转子塞的一部分来制造轴承套筒。以该方式，可以制造出非常薄的轴承套筒。涂层可以是具有良好摩擦学特性的硬质材料，诸如硬铬或碳化钨，或类金刚石碳(DLC)。

在实施例中，转子塞与转子端件组合，也就是说，转子塞和转子端件被制造为单个部分并且由相同的材料制成。这可以是陶瓷类型材料。如上所述，可以通过涂覆转子塞来制造布置在此类转子塞上的轴承套筒。

在实施例中，轴承套筒是沿第一径向轴承段延伸而不沿第二径向轴承段延伸的近侧套筒，并且另一或远侧套筒28b沿第二径向轴承段而不沿第一径向轴承段延伸。

这减少了转子主体的总重量。套筒可以从相对侧压在转子塞上，使得转子体更容易组装。

在实施例中，远侧套筒在转子塞的远端上方延伸，并且永磁体布置在远侧套筒中。

对于具有两个单独的套筒的实施例，这实现了永磁体的简单附接和支撑，而无需附加部分。

在实施例中，轴承套筒在转子塞的远端上方延伸，并且永磁体布置在轴承套筒中。

对于具有单个轴承套筒的实施例，这实现了永磁体的简单附接和支撑，而无需附加部分。

在实施例中，永磁体布置在磁体套筒中，磁体套筒在永磁体上方延伸并与转子塞远端形成压配合。

对于具有单个转子塞或具有两个或更多个单独的转子塞的实施例，这实现了永磁体利用附加部分的简单附接和支撑。这允许用与轴承套筒的材料不同的材料来制造磁体套筒，和/或磁体套筒可以容易地制造成具有与轴承套筒或远侧套筒不同的直径和/或厚度。此外，径向轴承段中的压配合不受与永磁体的连接影响，和/或轴承套筒可以与永磁体保持一定距离，从而减少其对磁场的影响。在实施例中，磁体套筒由非磁性材料制成。在实施例中，磁体套筒由磁性材料制成，即磁导率大于1，其被制成为相对较薄，以免损害永磁体的磁场。例如，磁体套筒的厚度小于磁体的直径的5％。

在实施例中，至少一个转子塞至少在一个转子塞端处特别是在两端处渐缩，

其中，当沿转子的旋转轴线观察时，渐缩段被定义为塞沿其渐缩的段，

从而逐渐减小渐缩段中转子塞与套筒之间的压配合力，

特别地，其中，渐缩段不与轴承段重叠。

这允许避免在压入轴承套筒中的转子塞端处轴承套筒和转子塞中的过大的应力。

在实施例中，渐缩段仅渐缩至有限程度，并且压配合的力使得一个或多个转子塞与轴承套筒之间的压配合沿至少径向轴承的整个轴向长度存在。

在实施例中，渐缩段在轴向方向上具有小于转子塞的长度的十分之一或者小于五毫米的长度。在转子塞的相应端处塞的半径的最大减小量可以小于塞的直径的千分之一，或者小于十微米。

在实施例中，永磁体布置在第一转子塞和第二转子塞之间。

这允许将电机的电磁元件(在轴向方向上观察)布置在径向轴承段之间，从而缩短转子和电机的结构。

在实施例中，转子包括：

转子主体，其包括至少一个转子侧径向轴承，

转子端件，其包括转子侧轴向轴承，

其中，转子端件和转子主体是分开制造并彼此连接的部分，

特别地通过压配合连接，更特别地其中，转子端件在这两个部分的界面处径向地围绕转子主体。

因此，在该实施例中，转子主体和转子端件是分开制造的部分并且在制造转子时被组装。

在实施例中，转子端件连接至转子塞并且轴承套筒连接至转子塞，两种连接特别是压配合。

在实施例中，转子端件连接至单个转子塞并且轴承套筒连接至单个塞，两种连接特别是压配合。

在实施例中，转子端件包括中空段，该中空段可以充当压配合补偿体积并且接收在建立压配合时排出的气体。这可以消除压缩气体迫使压配合分开的问题。此外，它还可以使外转子部分更有弹性，并且改善外转子部分与转子塞的压配合。此外，中空的悬伸转子端件减少了重量，改善了转子的动力学行为和轴承的稳定性。

在实施例中，转子端件包括中空段，该中空段在轴向方向上至少沿轴向轴承段延伸，并且特别是在轴向方向上沿转子端件的长度的至少50％或70％延伸，以及特别地，其中

·中空段包括或构成建立与转子的周围环境的流体连接的通风管道，特别地，其中，通风管道是轴向延伸的通孔，

·或者，中空段包括或构成压配合补偿体积并且以气密方式封闭。

在实施例中，中空段的内直径是轴向短轴或转子短轴的直径的10％至60％。转子短轴通常被设计成承载由转子驱动或驱动转子的部分。

在实施例中，在转子端件的除轴向轴承段之外的区域中，存在中空段的转子端件的壁厚至少是转子端件在相同轴向位置处的半径的50％。

如果中空段和/或压配合补偿体积包括或构成通风管道，则除了消除上述气体压缩之外，还消除了可能缓慢泄漏并污染工艺气体的气穴的存在。

如果压配合补偿体积以气密方式封闭，则这具有防止制造期间或工艺气体中可能出现的诸如颗粒或灰尘的固体材料进入转子并导致不必要的磨损或不平衡或者操作期间工艺气体不必要的污染的优点。在实施例中，构成中空段和/或压配合补偿体积的中心孔被加工成在与转子塞的压配合相对的端处闭合。在其它实施例中，其被制造为通孔并用帽或塞元件闭合。此类塞还可用于在很大程度上填充中心孔，从而通过转子主体中的塞来补偿转子端件的变形。

根据可与上述特征组合或独立实施的本发明的一个方面，提供了具有以下特征的转子：

特别是根据前述权利要求中任一项所述的用于具有气体轴承的高速电机的转子，该转子包括：

·至少一个转子侧径向轴承，

·转子侧轴向轴承，

·至少一个转子侧径向轴承，

·其中，当沿转子的旋转轴线观察时，径向轴承段被定义为径向轴承沿其延伸的段，

·其中，当沿转子的旋转轴线观察时，轴向轴承段是包括转子侧轴向轴承的段，以及

·其中，周向凹槽布置在轴向轴承段与其最近的径向轴承段之间。

这在因风阻损失而升温的轴向轴承或推力轴承与对温度变化也敏感的径向轴承之间形成了热障。另一优点在于，周向凹槽可以减少由于径向轴承段中的压配合产生的应力而导致的轴向轴承段中的推力轴承区域的变形。

在实施例中，周向凹槽的径向深度是最近的径向轴承段中的轴承套筒的半径的至少10％，特别是至少20％，特别是至少30％。

根据本发明的一个方面，提供了定子衬套，其形成气体轴承的非旋转部分。

根据第一实施例，定子衬套用于具有空气轴承的高速电机的定子中，该定子衬套包括：

·以中空圆柱体形式的至少一个套筒，其包括至少一个定子侧径向轴承，以及

·以环形板形式的定子侧轴向轴承板，

其中

法兰附接至套筒，该法兰包括径向延伸即在垂直于旋转轴线的方向上延伸的对准表面，用于将定子侧轴向轴承板与套筒对准。

根据第二实施例，在第一实施例的定子衬套中，法兰由金属类型材料制成。

根据第三实施例，在第一或第二实施例的定子衬套中，套筒由陶瓷类型材料制成。

根据第四实施例，在第一、第二或第三实施例的定子衬套中，定子侧轴向轴承板由金属材料制成。

根据第五实施例，定子衬套用于具有空气轴承的高速电机的定子中，该定子衬套包括：

·以环形板形式的定子侧轴向轴承板，

其中

定子侧轴向轴承板和套筒分开制造并彼此结合。

在实施例中，结合可以是例如胶合、焊接、钎焊。

根据第六实施例，在第五实施例的定子衬套中，法兰由金属类型材料制成。

根据第七实施例，在第五或第六实施例的定子衬套中，定子侧轴向轴承板由金属材料制成。

根据第八实施例，定子衬套用于具有空气轴承的高速电机的定子中，该定子衬套包括：

·以中空圆柱体形式的至少一个套筒，其包括至少一个定子侧径向轴承，

其中

套筒包括由不同的材料制成的内套筒和外套筒，即内套筒由内套筒类型材料制成以及外套筒类型材料。

在实施例中，内套筒类型材料具有以下特性：

·它是如本文所定义的金属类型材料或第二类型材料。

在实施例中，外套筒类型材料具有以下特性：

·低CTE：低于7E-6K^-1，特别是低于5E-6K^-1，甚至更特别是低于4E-6K^-1。

·典型的外套筒类型材料是：陶瓷材料，更具体地SiN、SiC、AlO。其它替代材料为：铁镍合金(诸如因瓦合金)、玻璃陶瓷、碳化钨、硬质合金金属。

根据第九实施例，在第八实施例的定子衬套中，外套筒包括与外套筒一体成形的法兰。

在实施例中，存在第五组材料特征，其包括以下特征：套筒的材料具有低于7E-6K^1、特别是低于5E-6K^1、甚至更特别是低于4E-6K^1的CTE，并且法兰由金属、特别是钢制成。

在实施例中，存在第六组材料特征，其包括第五组材料特征并进一步包括以下特征：套筒具有大于10Gpa、特别是大于15GPa、甚至更特别是大于20GPa的HK5或维氏硬度。

在实施例中，存在第七组材料特征，其包括第六组材料特征并进一步包括以下特征：定子侧轴向轴承板由金属、特别是钢制成。

根据实施例，定义套筒、法兰和定子侧轴向轴承板的上述材料特性的优先级顺序是：

·第一优先级：套筒的CTE和法兰的材料；

·第二优先级：套筒的维氏硬度；

·第三优先级：定子侧轴向轴承板的材料。

进一步的实施例在从属专利权利要求中是显而易见的。

附图说明

本发明的主题将在下文中参考附图中示出的示例性实施例来更详细地解释，附图示意性地示出：

图1-2示出具有两个单独的转子塞的转子；

图3-4示出具有单个转子塞的转子；

图5以夸大形式示出转子塞的渐缩端；

图6示出在两个转子塞之间具有永磁体的转子；

图7示出转子端件接合至转子主体的转子；

图8-10示出转子的其它变型；

图11-14示出具有法兰的定子衬套的实施例；

图15示出由同心套筒制成的定子衬套。

原则上，图中相同的部分具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出转子1，其具有转子主体2和转子端件3。转子主体2具有两个转子侧径向轴承21。转子端件3包括转子侧推力轴承板或转子侧轴向轴承31。当沿转子的旋转轴线观察时，对于每个转子侧径向轴承21，对应的径向轴承段22被定义为径向轴承21沿其延伸的段。这是气体轴承生成径向力的段。通常，径向轴承段具有至少大致恒定的径向轴承间隙。同样，轴向轴承段32被定义为转子侧轴向轴承31沿其延伸的段。转子端件3包括轴向短柱或转子短轴38，用于承载由转子1驱动或驱动转子1的部分，例如叶轮、涡轮机、束斩波器、旋转棱镜等。

具有转子短轴38和转子侧轴向轴承31的转子端件3布置在转子主体2的第一端或近端处。在其相对的第二端或远端处，永磁体4接合到转子主体2。当沿转子的旋转轴线观察时，转子主体段29、转子端部段39和磁体段42分别被定义为转子主体2、转子端件3和永磁体4沿其延伸的段。

轴承套筒28与转子端件3一体成形。它们一起形成外转子部分27。轴承套筒28是中空圆柱体，并且一个或多个转子塞5布置在轴承套筒28的内侧并与轴承套筒28同心。转子侧径向轴承21可以通过在转子侧径向轴承21的区域中具有稍大直径的轴承套筒28来实现，但是在其它实施例中，如图1中所示，轴承套筒28可以沿转子侧径向轴承21和它们之间的段具有相同的直径。

转子塞5通过压配合位于轴承套筒28中。压配合也称为过盈配合、冷缩配合或类似的配合。轴承套筒28相对较薄，并且通过预张力保持抵靠转子塞5，轴承套筒28的热膨胀适应转子塞5的膨胀。这允许制造金属类型材料的轴承套筒28，该金属类型材料更容易加工并且适合转子侧径向轴承21，但具有不适合转子侧径向轴承21的相对较高的CTE(热膨胀系数)(如果该CTE是有效的话)，并且在预张力下不因与塞组合而降低。转子塞5由陶瓷类型材料制成，具有相对较低的CTE，或甚至为零或负CTE。结果，两种材料的组合使得转子主体2作为整体，并且特别是径向轴承段22，在径向方向上具有相对较低的CTE。

永磁体4借助于沿永磁体4延伸的同心磁体套筒43和转子塞远端51b的连接短柱(stub)附接至转子塞5的转子塞远端51b。转子塞5具有转子塞近端51a。如果存在两个转子塞5，则它们中的每一个都具有转子塞近端51a和转子塞远端51b。

为了清楚起见，在下面的附图中并非重复图1中所示的所有附图标记。

为了进一步区分元件，两个单独的转子塞5被标记为第一转子塞5a和第二转子塞5b。每个塞对应于一个、两个或更多个转子侧径向轴承21，该转子侧径向轴承21进而对应于标记为第一径向轴承段22a和第二径向轴承段22b的径向轴承段22，如图2中所示。

图2示出转子1的设计的变型：转子端件3包括中心孔33。当将转子塞5压入轴承套筒28中时，它可以用作通风管道。通过减少悬伸转子端件3的重量，中心孔33还可以改善转子1的动力学特性。在孔的外端处，可以布置第一定心座25，第二定心座26布置在第二转子塞的转子塞远端51b处。使用这些定心座，可以将转子短轴38、转子侧轴向轴承31和转子侧径向轴承21组装形成部分组件，并可以一起进行加工，这有利于转子1的加工质量。

在未示出的其它实施例中，中心孔33由叶轮7或由转子1驱动的另一元件或端盖闭合，该端盖可以是单独的元件或与外转子部分27加工成一体，以气密方式覆盖中心孔33的端部。这防止固体材料或气体进入中心孔33或从中心孔33逸出。当沿轴向方向观察时，转子短轴38的直径例如通过外直径和内直径的逐步变化而变化。

图3示出转子1，其中轴承套筒28延伸以支撑永磁体4，从而替代了先前实施例的磁体套筒43。此外，存在沿两个转子侧径向轴承21延伸的单个转子塞5。例如，单个转子塞5还可以与磁体套筒43组合实施。

图4示出具有单个转子塞5并且轴承套筒28被分成近侧套筒28a和远侧套筒28b的转子1。这两个套筒压在转子塞5的两端上。近侧套筒28a可以与转子端件3一体成形。远侧套筒28b可以与支撑永磁体4的套筒一体成形，或者，如图所示，可以存在已经引入的磁体套筒43。

图5示出在每个转子塞端51a、51b处具有渐缩段的转子塞5。在旋转轴线的方向上观察，上图中的渐缩段具有连续减小的直径，下图中的渐缩段具有首先在第一段中连续减小然后在第二段中保持恒定的直径。转子塞5的渐缩程度相对较小，并且在图中被高度夸大。例如，渐缩段可以在旋转轴线的方向上沿两毫米延伸，并且使得在转子塞5的相应端处塞的半径最大减小四微米。该渐缩使得轴承套筒28中的内应力逐渐减小，并避免在靠近转子塞5的相应端处产生过大的应力。

图6示出布置在轴承套筒28的内侧、两个单独的转子塞5之间并且因此也布置在转子侧径向轴承21之间的永磁体4。这使得转子1的结构较短。

图7示出一个实施例，其中外转子部分27由单独的部分制造，这些部分是轴承套筒28和转子短轴38以及转子侧轴向轴承31。轴承套筒28和一个或多个转子塞5构成转子主体2，并且转子短轴38和转子侧轴向轴承31构成转子端件3。转子主体2和转子端件3特别地通过压配合连接，特别地通过在这两个部分的界面处径向地围绕转子主体2的转子端件3连接。转子端件3和轴承套筒28二者都可以由金属类型材料制成，使得它们比转子塞5更容易加工。在未示出的替代实施例中，转子主体2在这两个部分的界面处径向地围绕转子端件3。

图8对应于图2的实施例，但具有拼合轴承套筒28。转子端件3通过拼合轴承套筒28的近侧段连接至转子塞5a，并且该拼合轴承套筒28的远侧段连接至转子塞5a，两种连接特别是压配合。

图9对应于图8的实施例，但具有一个转子塞而不是两个转子塞。

图10示出在转子端件3(具有转子短轴38和转子侧轴向轴承31)和轴承套筒28之间具有周向凹槽35的实施例。周向凹槽35可以热和/或机械地使转子端件3和轴承套筒28彼此脱离。

在实施例中，外转子部分27的至少一部分、特别是轴承套筒28通过涂覆转子塞5或转子塞5的一部分来制造。涂层可以是例如硬铬或碳化钨，或类金刚石碳(DLC)。这允许形成非常薄的轴承套筒28。其热膨胀主要由轴承塞5的热膨胀决定。

构成轴承套筒的此类涂层可以存在于例如图4(作为远侧套筒28b)或图9(作为轴承套筒28)的实施例中，

图11-15示出定子衬套100的实施例，其包括套筒101和用于将定子侧轴向轴承板131与套筒101对准的法兰102。

图11示出定子衬套100，其包括套筒101和环形定子法兰102，该套筒基本上为圆柱形，该法兰102进而包括对准表面103。定子衬套100被设计用作带有轴颈轴承的转子1的轴承衬套，该转子具有本文所述但不限于此的类型。套筒101在内圆柱形表面上构成一个或多个定子侧径向轴承121。对准表面103垂直于旋转轴线，该旋转轴线与定子衬套100的纵向轴线重合。对准表面103用于将定子侧轴向轴承板131(图10中未示出)与套筒101对准。该定子侧轴向轴承板131与第二定子侧轴向轴承板一起形成推力轴承，转子的轴向轴承板在推力轴承中转动。通过将法兰102制造为与定子衬套100分离的部分然后将它们彼此接合，可以将它们中的每一个制造为易于加工的部分，和/或它们可以由不同的材料制成。套筒101和法兰102的接合可以通过压配合、胶合、焊接或钎焊来完成。

以该方式与套筒101对准的定子侧轴向轴承板131可以用在如通过引用并入本文的WO 2017/202941 A1中的轴承布置中。

图12示出基本上为圆柱形的法兰102，其与套筒101同轴布置并以固定方式附接至套筒101。法兰102通过轴向补偿元件132以WO 2017/202941A1中公开的方式压靠轴向轴承板131。轴向补偿元件132可以是板簧(圆锥形弹簧垫圈)或弹簧垫圈或O形环。其布置为通过对衬套套筒101的法兰102施加轴向力使衬套套筒101在远离定子主体(未示出)的轴向方向上压靠轴向轴承板131或定子盘。轴向轴承板131或定子盘进而通过紧固件(未示出)压靠并保持抵靠定子主体。

图13示出以固定方式(例如通过胶合、焊接、锡焊)附接至套筒101的轴向轴承板131。

图14示出以固定方式附接至套筒101的轴向轴承板131，其中，一个或多个通风开口104在轴向轴承板131和/或套筒101彼此接合的区域中穿过轴向轴承板131和/或套筒101。

图15示出包括同轴布置的内套筒101a和外套筒101b的套筒101。它们可以通过压配合或另一连接方式诸如例如胶合、焊接、锡焊组装。以该方式，它们可以由不同的材料制成。此外，外套筒101b包括一体成形的法兰105。以该方式，外套筒101b可以被选择为比内套筒101a厚，从而支配由两种材料的组合产生的总CTE。这与转子实施例中的原理相同，在该转子实施例中，转子塞5与轴承套筒28组合的CTE支配转子主体2的总CTE。内套筒101a的材料可根据一个或多个径向轴承121的要求来选择。

尽管已经在当前实施例中描述了本发明，但是显然应理解，本发明不限于此，而是可以在权利要求的范围内以其它方式不同地体现和实践。

Claims

1.一种用于具有气体轴承的高速电机的转子(1)，所述转子包括：

至少一个转子侧径向轴承(21)，

转子侧轴向轴承(31)，

转子主体段(29)，其包括所述至少一个转子侧径向轴承(21)，

转子端部段(3)，其包括所述转子侧轴向轴承，

其中，当沿所述转子的旋转轴线观察时，径向轴承段(22)被定义为径向轴承沿其延伸的段，

其特征在于

外转子部分(27)沿所述转子端部段和所述转子主体段延伸，

所述外转子部分(27)成形为在所述转子主体段(29)中形成中空圆柱体或轴承套筒(28)，

至少一个转子塞(5)布置在所述轴承套筒(28)的内侧，并且所述至少一个转子塞(5)的材料具有低于7E-6K^-1、特别是低于5E-6K^-1、甚至更特别是低于4E-6K^-1的CTE。

2.根据权利要求1所述的转子(1)，其中，所述外转子部分(27)的材料是金属或金属类型材料，特别是钢。

3.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其中，所述外转子部分(27)的材料具有大于40HRC、特别是大于50HRC、甚至更特别是大于55HRC的洛氏硬度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其中，所述至少一个转子塞(5)的材料具有低于4500kg/m^3、特别是低于3500kg/m^3的密度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其中，在一个或多个径向轴承段(22)中的至少一个特别是所有径向轴承段中，转子塞(5)沿大部分特别是所有径向轴承段(22)延伸。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其中，所述转子包括与第一径向轴承段(22a)和第二径向轴承段(22b)分别对应的第一转子侧径向轴承(21)和第二转子侧径向轴承(21)，以及其中，第一转子塞(5a)和第二转子塞(5b)分别布置为沿所述第一径向轴承段(22a)和第二径向轴承段(22b)延伸。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的转子(1)，其中，所述转子包括与第一径向轴承段(22a)和第二径向轴承段(22b)分别对应的第一转子侧径向轴承(21)和第二转子侧径向轴承(21)，以及其中，单个转子塞(5)布置为沿所述第一径向轴承段(22)和第二径向轴承段(22)延伸。

8.根据权利要求7所述的转子(1)，其中，所述轴承套筒(28)是沿所述第一径向轴承段(22a)延伸而不沿所述第二径向轴承段(22b)延伸的近侧套筒(28a)，并且另一或者远侧套筒(28b)沿所述第二径向轴承段(22b)而不沿所述第一径向轴承段(22a)延伸。

9.根据权利要求8所述的转子(1)，其中，所述远侧套筒(28b)在所述转子塞(5)的远端上方延伸，并且所述永磁体(4)布置在所述远侧套筒(28b)中。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的转子(1)，其中，所述轴承套筒(28)在所述转子塞(5)的远端(51b)上方延伸，并且所述永磁体布置在所述轴承套筒(28)中。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的转子(1)，其中，所述永磁体布置在磁体套筒(43)中，所述磁体套筒(43)在所述永磁体上方延伸并与转子塞远端(51b)形成压配合。

12.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其中，至少一个转子塞(5)至少在一个转子塞端(51)处特别是在两端处渐缩，

其中，当沿所述转子的旋转轴线观察时，渐缩段被定义为所述塞沿其渐缩的段，

从而逐渐减小所述渐缩段中所述转子塞(5)与所述套筒之间的压配合力，

特别地，其中，所述渐缩段不与所述轴承段重叠。

13.根据权利要求1至6中任一项或从属于权利要求1至6中任一项的权利要求12所述的转子(1)，其中，所述永磁体(4)布置在所述第一转子塞(5a)和第二转子塞(5b)之间。

14.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，包括：

转子主体(2)，其包括至少一个转子侧径向轴承(21)，

转子端件(3)，其包括所述转子侧轴向轴承，

其中，所述转子端件(3)和所述转子主体(2)是分开制造并彼此连接的部分，

特别地通过压配合连接，更特别地其中，所述转子端件(3)在这两个部分的界面处径向地围绕所述转子主体(2)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其中，所述转子端件(3)包括中空段，所述中空段在轴向方向上至少沿所述轴向轴承段(32)延伸，并且特别是在所述轴向方向上沿所述转子端件(3)的长度的至少50％或70％延伸，

以及特别地，其中

·所述中空段包括或构成建立与所述转子的周围环境的流体连接的通风管道，特别地，其中，所述通风管道是轴向延伸的通孔，

·或者，所述中空段包括或构成压配合补偿体积并且以气密方式封闭。

16.特别是根据前述权利要求中任一项所述的用于具有气体轴承的高速电机的转子(1)，所述转子包括：

·至少一个转子侧径向轴承(21)，

·转子侧轴向轴承(31)，

·至少一个转子侧径向轴承(21)，

·其中，当沿所述转子的旋转轴线观察时，径向轴承段(22)被定义为径向轴承沿其延伸的段，

·其中，当沿所述转子的旋转轴线观察时，轴向轴承段(32)是包括所述转子侧轴向轴承(31)的段，以及

·其中，周向凹槽(35)布置在所述轴向轴承段(32)与其最近的径向轴承段(22)之间。