CN1211100A - 永磁高速电动旋转机械用转子、制造方法及该旋转机械 - Google Patents

Abstract

一种根据本发明的用于永久磁体激发的高速电动旋转式机械的转子的制造方法,包括:利用沿径向压紧的预应力以纤维增强塑料保护盖覆盖至少一个永久磁体的外周面;将一个钢套筒插入该至少一个永久磁体中,以形成一个永久磁体装配件;制备至少一个永久磁体装配件;将一个转子轴插入钢套筒,同时将液压施加在制备的至少一个永久磁体装配件的钢套筒的内周面上,以使钢套筒膨胀;然后移去液压,使至少一个永久磁体装配件紧配合在转子轴上。

Description

永磁高速电动旋转机械用转子、制造方法及该旋转机械

本发明涉及用于一种永久磁体激发的高速的电动旋转式机械的转子的制造方法，特别涉及一种用于大容量永久磁体激发的高速电动旋转式机械的转子的制造方法，其中转子以例如不小于每分钟数千转的高速旋转。本发明也涉及该转子和包括该转子的电动旋转式机械。

通常，一个用于永久磁体激发的电动旋转式机械的转子包括一个转子轴、一个紧密安装在该转子轴上的套筒和圆筒形永久磁体装配件，以及一个安装在该装配件的圆筒形永久磁体上的保护盖，如日本专利、未审查的公布号6-284611中所公开的。英国专利、申请号GB2299217A和日本专利、未审查的公布号5-22880各公开了一种转子，该转子包括多个圆筒形永久磁体和一个插在圆筒形永久磁体中的转子轴。日本专利、未审查的公布号9-19093公开了一种纤维增强塑料的保护盖的制造方法。日本专利、未审查的公布号8-107641公开了一种用纤维增强塑料制成的保护盖。美国专利No.5,485,045公开了一种利用锥形形式将保护盖固定在永久磁体上的方法。

为了使转子高速旋转，转子必须做成这样，使得在转子轴和永久磁体装配件之间不出现由于高速旋转产生的离心力而引起的滑动。为此，在转子轴和永久磁体装配件之间需要一个大的干涉。

为了将一个永久磁体安装在转子轴上，不能应用通常的冷缩装配。这是因为永久磁体在加热时由于其热膨胀系统小而不能很大地膨胀，所以不能获得大的干涉。

为了在圆筒形永久磁体和转子轴之间获得干涉，已知一种方法，其中磁体和保护盖安装在冷却的转子轴上，因为制成保护盖的纤维增强塑料和磁体材料的热膨胀系数都几乎为零。在该方法中，获得的干涉由转子轴的温度决定。对于降低转子轴温度用的大多数适当的方法，有一种使用液氮的方法。但是，即使通过该法，获得的温度差仅仅为约170℃至约180℃的程度。转子速度越高，待使用的转子轴的直径就越小，因此，热收缩量相应地变小。因此，当考虑机械加工公差、加工余量等时，该方法对高速转子难以获得必需的干涉。

此外，当冷却的转子轴逐渐返回正常温度时，转子轴也沿其轴向膨胀。但是，因为用纤维增强塑料制成的磁体和保护盖几乎不膨胀，所以保护盖沿轴向拉伸，而在该方向其强度变小。这可能导致保护盖破裂。因此在包括纤维增强塑料(FRP)保护盖的高速转子的装配中很难应用这样一种冷却安装或膨胀安装。

另一方面，为了增大转子的容量，必须将具有高通量密度的稀土烧结磁体用作圆筒形永久磁体。但是，在这样一种稀土烧结磁体中，成形的自由度是很低的。特别是，在一种圆筒形磁体中，相对于圆筒形磁体的外径不可能增大其长度。为此，在大容量转子的情况下，必须在套筒上沿轴向并置多个圆筒形磁体。结果，转子的沿轴向总长度变长。因此，将转子轴压力安装到套筒中的行程变长，而在转子轴的压力安装时，发生永久磁体和/或保护盖的变形和/或破裂。这样，不能应用机械压力安装。

本发明的目的是提供一种用于永久磁体激发的高速电动旋转式机械的转子的制造方法、该转子和包括该转子的电动旋转式机械。

一种根据本发明的用于永久磁体激发的高速电动旋转式机械的转子的制造方法包括：利用沿径向压紧的预应力以纤维增强塑料保护盖覆盖至少一个永久磁体的外周面；将一个钢套管插入该至少一个永久磁体中，以形成一个永久磁体装配件；制备至少一个永久磁体装配件；将一个转子轴插入钢套管，同时将液压施加在制备的至少一个永久磁体装配件的钢套筒的内周面上，以使钢套筒膨胀；然后移去液压，使至少一个永久磁体装配件紧配合在转子轴上。

该方法可以包括一个步骤：在移去液压的步骤后，切割掉钢套筒的用于将液压施加到钢套筒内周面上的液压引入通道。

该方法可以包括一个步骤：在插入钢套筒时，在至少一个永久磁体的两端上设置端环。

转子轴的插入最好通过液压进行。

在用纤维增强塑料的保护盖覆盖圆筒形永久磁体的步骤中，该圆筒形永久磁体可以装入预先制成的保护盖，或以预定张力将浸渍了塑性树脂的纤维缠绕在圆筒性永久磁体上。

一种根据本发明的永久磁体激发的高速电动旋转式机械用的转子，包括：至少一个永久磁体装配件，和一个用不小于0.003的干涉比利用液压安装到至少一个永久磁体装配件中的转子轴。该至少一个永久磁体装配件包括：至少一个圆筒形永久磁体；一个安装在至少一个圆筒形永久磁体中的钢套筒，而该钢套筒中用液压方法装入该转子轴；以及一个用纤维增强塑料制成的保护盖，该保护盖利用沿径向压缩的预应力覆盖至少一个圆筒形永久磁体的外周面。

该钢套筒设有一个通道，用于将液压引到其内周面上。

该转子轴的在压力安装到至少一个永久磁体装配件时的前端最好是锥形的。

保护盖可以是预先制成的，而至少一个圆筒形永久磁体插入该保护盖中。

该保护盖可以包括用预定张力缠绕在至少一个圆筒形永久磁体上而浸渍了塑性树脂的纤维。

该至少一个永久磁体装配件包括多个永久磁体装配件，而该多个永久磁体装配件沿轴向并置在转子轴上。

该至少一个永久磁体包括多个永久磁体，而该多个永久磁体沿轴向并置在钢套筒上。

该转子还包括以这样的方式安装在钢套筒上的非磁性材料的端环，使得这些端环沿轴向从至少一个永久磁体的两端推挤它们。

图1是一种作为包括本发明的转子的电动旋转式机械的压缩机的截面图；

图2是本发明的一种转子的实施例的侧视图；

图3是沿图2中线Ⅲ-Ⅲ截取的截面图；

图4是表示一种纤维增强塑料的保护盖的制造步骤的视图；

图5是通过图4中所示制造步骤制成的保护盖和永久磁体装配件的截面图；

图6是表示钢套筒插入保护盖和永久磁体装配件中的状态的截面图；

图7是一个截面图，用于例示处于施加液压之前状态的本发明转子的制造方法；

图8是一个截面图，用于例示处于施加液压之后状态的本发明转子的制造方法；

图9是本发明转子的另一实施例的部分截面图。

下面参照附图描述本发明的实施例。图1表示一种两级空气压缩机100的竖直截面，该压缩机100由一台包括本发明的永久磁体激发的转子的电动机直接驱动。图1中，压缩机100在其中部包括一电动机101。电动机101包括转子1和定子10。转子1由一对径向轴承11a和11b与一对用于转动的止推轴承12a和12b支承。径向叶轮13a和13b固定在转子1的两个轴端部上。

图2和3表示上述离心式压缩机100的转子1。

永久磁体激发的转子1包括一个用磁性材料钢制成的实心转子轴16、一个安装在转子轴16上的钢套筒2、五个沿转子轴16的轴向串联设置在套筒2的外周面上的圆筒形永久磁体3，以及一个圆筒形保护盖4，保护盖4用碳纤维增强塑料(CFRP)制造并设置在永久磁体3的外周面上，以便盖住永久磁体3。

套筒2具有一个油通道20b，用于将液压引到套筒2的内周面上。每个用非磁性材料制成的端环5和6沿轴向固定在永久磁体3和CFRP保护盖4的两端，用于防止磁通量泄漏和保护永久磁体的端面。TAB6400具有大的比强度，符合用作端环5和6的材料的要求。

每个永久磁体3是产生高通量密度的钕铁硼稀土磁体和各向异性磁体，其中易于磁化的轴线沿径向取向。每个永久磁体3通过烧结形成圆筒形形状并具有双极性磁性。

其次，将参照图4至8详细描述上述方式构造的转子的制造方法。首先，将描述永久磁体3和保护盖4的组装。有两种方法。一种方法是，将浸渍了树脂以便于粘附的碳纤维缠绕在串联设置的永久磁体3a至3e的外周面上，然后在高温炉中固化树脂。另一种方法是，将永久磁体3a至3e顺序插入预先制成的CFRP保护盖4中。

在前一种方法中，将圆筒形永久磁体3a至3e和一对仿造件(dummy pieces)7a、7b安装在夹具8上，然后用一螺母9固定，如图4中所示。然后在磁体的外周面上缠绕CFRP。移去仿造件7a和7b，按预定长度除去CFRP两端的翻卷部分。

在该方法中，对仿造件7a和7b可以使用与圆筒形永久磁体3a至3e同样的材料。但是，因为永久磁体材料很贵，对仿造件7a和7b最好用廉价材料如铝合金。此外，最好在仿造件7a和螺母9之间设置一个弹簧件如锥形盘簧，虽然这一特征在图4中未示出。如果这样做，当它们加热至高温以固化CFRP时，弹簧的位移可以吸收夹具8和永久磁体3a至3e之间的热膨胀之差。结果，防止了永久磁体部件的固定状态在加热步骤中的松动。

在后一种方法中，圆筒形永久磁体3a至3e以预定顺序相继插入预先制成预定尺寸的CFRP保护盖4中。在这种情况下，每个圆筒形永久磁体3a至3e这样形成，使得其外径稍许大于CFRP保护盖4的内径，而将永久磁体3a至3e压配合到CFRP保护盖4中。以这种方式，压缩预负荷作用在永久磁体3a至3e上。结果，当永久磁体安装在转子轴16上时，可以减小作用在永久磁体上的拉伸负荷。此外，也可以将圆筒形磁体3a至3e的外周面和CFRP保护盖4的内周面做成锥形，使它们互相配合，形成固定状态。

CFRP在沿纤维的方向具有非常高的强度，但在垂直于纤维的方向只有相应于树脂强度的强度。也就是，CFRP的拉伸强度和杨氏模量正比于纤维方向和负荷方向之间角度的余弦。因为本发明的转子用于高速旋转，考虑到在高速旋转下作用在永久磁体3a至3e上的离心力，所以采用纤维相对于转子轴向的缠绕的倾斜角为87°。因为在这种方式下纤维的缠绕几乎垂直于转子的轴向，所以即使靠近CFRP保护盖4的沿轴向的两端处，强度也几乎不变坏。CFRP保护盖4的厚度通过下述方程式(1)由电动机的磁学特性和永久磁体3a至3e的容许离心力给出。对于CFRP保护盖4的基体树脂，使用具有良好热阻的树脂，因为电动机的温度由于产生热量而升高。从强度观点看，纤维相对于转子轴向的缠绕倾斜角最好在约85°至约90°的范围内。

t_c=(σ_m-σ_am)t_m/(σ_ac-σ_c)…(1)式中σ_m为作用在永久磁体上的离心应力；

σ_am为永久磁体的容许拉伸应力；

σ_ac为CFRP的容许拉伸应力；

σ_c为作用在CFRP上的离心应力；

t_c为CFRP保护盖的厚度；以及

t_m为永久磁体环的厚度。

其次，独立地制备一个钢套筒2，其外径几乎等于每个永久磁体3的内径。然后将永久磁体3和一对端环5、6安装在钢套筒2的外周面上，以形成永久磁体装配件。钢套筒2的内径比转子轴16的外径小一个相应于所需干涉配合的量。钢套筒2具有液压注入孔20a和油通道20b，用于后面描述的液压安装。

其次，将参照图7和8描述将包括钢套筒2的永久磁体装配件安装在转子轴16上的方式。图7表示紧接在永久磁体装配件安装到转子轴16之前的状态。图8表示在永久磁体装配件安装到转子轴16之后的状态。如上所述，液压注入孔20a和油通道20b是在钢套筒2的一个端部附近形成的，用于将液压引入钢套筒2的内周面上。永久磁体装配件安装在管状内夹具21的外周面上，内夹具21上预先安装了管状外夹具22。在转子轴16的端部部分上预先制造一个柱螺栓23。管状内夹具21附着在转子轴16的端部部分上，用夹紧机构24和25固定。在管状外夹具22中形成一注入孔26，用于施加液压，以便强制插入转子轴。

因为转子轴16的外径比管状内夹具21的外径几乎大一个干涉量，所以转子轴16的前端最好做成锥形，以便容易地插入钢套筒。在这种状态下，与钢套筒2受通过注入孔20a施加的液压而膨胀的同时，转子轴16由通过注入孔26施加的液压而沿轴向强制插入。之后，可以切去钢套筒2的注入孔20a的无用部分。

钢套筒2的内径和转子轴16的外径是这样决定的，以便获得对应于永久磁体的由于离心力而产生的伸长的初始干涉(初始压力)。该干涉是由下列表达式给出的： $\mathrm{\ϵ}\≥(3-2v)/\left\{{8E}_{\mathrm{CFRP}}(1-v)\right\}\{{{2r}_3}^2+\frac{2-4v}{8(l-v)}{r_2}^2\}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CFRP}}{\mathrm{\ω}}^2/g$ $+\frac{t_{\mathrm{mag}}}{t_{\mathrm{CFRP}}}\frac{l}{E_{\mathrm{CFRP}}}\frac{{(r_2+r_1)}^2}{4}{\mathrm{\γ}}_{\max }{\mathrm{\ω}}^2/g------\left(2\right)$ Δd=εD

                         …(3)式中ε为CFRP套筒受到的初始应变(钢套筒受到的初始应变)；

E为CFRP套筒的杨氏模量；

ν为CFRP套筒的泊松比；

r₃为CFRP套筒的外部半径；

r₂为CFRP套筒的内部半径；

r₁为磁体环的内部半径；

γ_CFRP为CFRP套筒的比重；

t_CFRP为CFRP套筒的厚度；

t_mag为磁体环的厚度；

γ_mag为磁体环的比重；

ω为转子的转动角速度；

D为CFRP套筒的内径；

Δd为CFRP套筒的初始干涉(钢套筒的初始干涉)。

表达式(2)的右侧第一项对应于这样一个干涉，通过该干涉CFRP保护盖承担其由于离心力而产生的自身的伸长；而右侧第二项对应于这样一个干涉，通过该干涉CFRP保护盖承担作用在圆筒形永久磁体上的离心力。通过给定一个不小于对钢套筒两个干涉之和的初始干涉，也可以对CFRP保护盖给出必需的夹紧(压缩)力。由此在旋转期间磁体能够避免从钢套筒并因而从转子轴分开。在该实施例中，得到不小于3/1000的干涉比(干涉与转子轴直径之比)，该干涉比绝不可能由冷却安装得到。此外，因为旋转部件通过干涉沿径向受到限制，所以维持了旋转部件的同轴性。以这种方式，在操作期间可以维持磁体和CFRP保护盖的同轴性，因此可以获得一个超高速的转子。其次，因为根据本发明转子结构可以是轴对称的，所以可以减小操作中出现的不平衡，并可以确保产生转矩。结果，提高了转子的可靠性。

在需要长磁体的高功率电动机的情况下，可以制备两组永久磁体装配件，将它们从转子轴的轴向两端安装到一个转子轴上，如图9中所示。

图1表示一种装有包括以上述方式制造的转子的电动机的两级空气压缩机的情况。多个圆筒形永久磁体沿旋转轴线的方向设置，以保证高功率电动机用的磁体的必需长度。以此种方式，压缩机100的输出容量增加到约100KW的程度。此外，因为圆筒形永久磁体的外周面通过CFRP保护盖增强，可以获得不小于250m/s的永久磁体部分的圆周速度。本发明在一种其圆周速度不小于240m/s的转子中是有效的，当圆周速度不小于250m/s时，效果是显著的。

Claims (16)

1．一种用于永久磁体激发的高速电动旋转式机械的转子的制造方法，包括：

利用沿径向压紧的预应力以纤维增强塑料保护盖覆盖至少一个永久磁体的外周面；

将一个钢套筒插入该至少一个永久磁体中，以形成一个永久磁体装配件；

制备至少一个永久磁体装配件；

将一个转子轴插入钢套筒，同时将液压施加在制备的至少一个永久磁体装配件的钢套筒的内周面上，以使钢套筒膨胀；

移去液压，使至少一个永久磁体装配件紧配合在转子轴上。

2．如权利要求1所述的转子制造方法，还包括如下一个步骤：在移去液压的步骤后，切割掉钢套筒的用于将液压施加到钢套筒内周面上的液压引入通道。

3．如权利要求1所述的转子制造方法，还包括如下一个步骤：在插入钢套筒时，在至少一个永久磁体的两端上设置端环。

4．如权利要求1所述的转子制造方法，其中所述转子轴的插入最好通过液压进行。

5．如权利要求1所述的转子制造方法，其中所述用纤维增强塑料的保护盖覆盖圆筒形永久磁体的步骤包括将所述至少一个圆筒形永久磁体安装到预先制成的保护盖中。

6．如权利要求1所述的转子制造方法，其中所述用纤维增强塑料的保护盖覆盖圆筒形永久磁体的步骤包括以预定张力将一种浸渍了塑性树脂的纤维缠绕在所述至少一个圆筒形永久磁体上。

7．一种永久磁体激发的高速电动旋转式机械用的转子，包括：

至少一个永久磁体装配件，和

一个用不小于0.003的干涉比利用液压安装到所述至少一个永久磁体装配件中的转子轴；

所述至少一个永久磁体装配件包括：

至少一个圆筒形永久磁体，

一个安装在至少一个圆筒形永久磁体中的钢套筒，而该钢套筒中用液压方法装入该转子轴，以及

一个用纤维增强塑料制成的保护盖，该保护盖利用沿径向压缩的预应力覆盖所述至少一个圆筒形永久磁体的外周面。

8．如权利要求7所述的转子，其中，所述钢套筒设有一个通道，用于将液压引到其内周面上。

9．如权利要求7所述的转子，其中，该转子轴的在压力装入所述至少一个永久磁体装配件时的前端是锥形的。

10．如权利要求7所述的转子，其中，所述保护盖是预先制成的，而所述至少一个圆筒形永久磁体插入所述保护盖中。

11．如权利要求7所述的转子，其中，所述保护盖包括用预定张力缠绕在所述至少一个圆筒形永久磁体上而浸渍了塑性树脂的纤维。

12．如权利要求7所述的转子，其中，所述至少一个永久磁体装配件包括多个永久磁体装配件，而该多个永久磁体装配件沿轴向并置在所述转子轴上。

13．如权利要求7所述的转子，其中，所述至少一个永久磁体包括多个永久磁体，而该多个永久磁体沿轴向并置在所述钢套筒上。

14．如权利要求7所述的转子，还包括以这样的方式安装在钢套筒上的非磁性材料的端环，使得这些端环沿轴向从至少一个永久磁体的两端推挤该永久磁体。

15．一种电动旋转式机械，包括一个用权利要求1的制造方法制成的转子。

16．一种电动旋转式机械，包括一个权利要求7所述的转子。

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