DE69831934T2

DE69831934T2 - Verbesserungen bei hochgeschwindigkeits - rotorwellen

Info

Publication number: DE69831934T2
Application number: DE69831934T
Authority: DE
Inventors: David Ronald CONRY; Randolph Dietzel; Yu Huai Lin; Howard C. Lovatt; Andrew Peter WATTERSON
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO; University of Technology Sydney; Turbocor Inc
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO; University of Technology Sydney; Danfoss AS
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: JP4324248B2; EP0956634A1; KR20000070611A; RU99118911A; BR9807031A; CA2279629C; WO1998034324A1; KR100500860B1; EP0956634B1; CA2279629A1; JP2001513315A; CN1169275C; CN1246217A; TW359727B; DE69831934D1; ID26303A; AUPO484697A0; EP0956634A4; ATE307415T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei Hochgeschwindigkeitsrotorwellen und insbesondere auf Rotorwellen von Hochgeschwindigkeitselektromotoren.
Der Erfindung wird unter besonderer Bezugnahme auf ihren Einsatz in einem Elektromotor für einen Gas-, Luft- oder Kühlmittelverdichter beschrieben. Allerdings versteht es sich, dass die Prinzipien der Erfindung auch bei Rotoren für andere Formen von Elektromotoren und bei anderen Rotorstrukturen angewandt werden können, die anders eingesetzt werden.
Stand der Technik
Bürstenlose Hochgeschwindigkeitsgleichstrommotoren sind bekannt, doch haben solche Motoren im Allgemeinen eine verhältnismäßig geringe Ausgangsleistung und daher ein beschränktes Einsatzgebiet. In diesem Zusammenhang kann auf den Text "Direct Current Machines" von Say and Taylor (Pitman International) Bezug genommen werden, und zwar insbesondere auf die Abschnitte 4.8, 5.10 und 11. Bei einer beschriebenen Form enthält ein solcher Motor einen Rotor, der einen Seltenerdmagnet enthält, etwa vom Rang Neodym-Eisen-Bor [NdFeB]. Dieses Material und andere magnetische Seltenerdmaterialien haben im Allgemeinen eine geringe Zugfestigkeit und sind etwas spröde, was ihre Verwendung einschränkt. Andere Formen von Motoren verwenden Ferrite oder andere magnetische Materialien. Da die hohen Rotationsgeschwindigkeiten solcher Elektromotoren beträchtliche Zentrifugalkräfte erzeugen, muss der Rotor auf eine Weise aufgebaut werden, die gewährleistet, dass der Magnetkern nicht bricht, sich verzieht, zerfällt oder anderweitig unbrauchbar wird.
Die US-A-4942322 offenbart einen Permanentmagnetrotor, bei dem ein Permanentmagnet von einer Hülle umschlossen ist. Die Hülle ist mit dem Permanentmagnet metallurgisch verbunden. An jedem Ende der Metallhülle sind durch Schweißen Wellenelemente angebracht.
Es ist daher wünschenswert, einen Rotor für eine Hochgeschwindigkeitsmaschine wie einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, der einen Magnetkern aus einem wenig zugfesten Material wie einem magnetischen Seltenerdmaterial hat.
Es ist auch wünschenswert, einen Rotor für einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, der so aufgebaut ist, dass er die erforderlichen mechanischen Eigenschaften hat, die zum Betrieb bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten nötig sind.
Es ist auch wünschenswert, einen Rotor zur Verfügung zu stellen, der sich wirtschaftlich fertigen lässt.
Es ist auch wünschenswert, ein Verfahren zum Aufbau eines Rotors mit einem Seltenerd-Magnetkern zur Verfügung zu stellen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Rotor für eine Hochgeschwindigkeitsmaschine wie einen bürstenlosen Gleichstrommotor vorgesehen, wobei der Rotor einen Seltenerd-Magnetkern, eine Hülse, die aus unmagnetischem Material gebildet ist, das den Magnetkern so umgibt, dass es den Kern während einer Hochgeschwindigkeitsrotation von ihm radial einzwängt, und die in beiden Axialrichtungen über den Kern hinausläuft, und Endstücke hat, die innerhalb jedes Endes der Hülse gesichert sind und jeweils mit jedem Ende des Magnetkerns direkt oder indirekt in Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke auf den Magnetkern eine axiale Druckkraft aufbringen, wobei die Hülse auf die Endstücke wärmeaufgeschrumpft ist, um für eine Presspassung zu sorgen, welche die Endstücke an der Hülse sichert.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Rotor in einem bürstenlosen Gleichstrommotor verwendet, in dem der Magnetkern diametral magnetisiert ist, und besteht das Kernmaterial vorzugsweise aus Neodym-Eisen-Bor [NdFeB]. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Motor so gestaltet, dass er einen Betriebsgeschwindigkeitsbereich zwischen ungefähr 20.000 U/min und 50.000 U/min hat.
Der erfindungsgemäße Rotor kann auch in Maschinen mit viel höheren Drehgeschwindigkeiten verwendet werden. Bei derzeit in Entwicklung befindlichen Motoren wird daran gedacht, die Geschwindigkeiten auf 250.000 U/min und mehr auszulegen. Motoren mit solch extrem hohen Rotationsgeschwindigkeiten werden eine sehr geringe Größe haben, aber ausreichend Ausgangsleistung, um zum Beispiel einen Zentrifugalverdichter für ein Kühlsystem zu betätigen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Hülse eine vorgehärtete, lösungsgeglühte, ultrafeste unmagnetische Metalllegierung aus dem Luft- und Raumfahrtbereich. Die Hülse wird durch ein Induktionsheizungsspulensystem, in das die Hülse gesetzt wird, auf die gewünschte Temperatur unterhalb der Anlasstemperatur des Materials erhitzt. Sobald die Hülse auf der vorgesehenen Temperatur ist, werden der Magnetkern und die Endstücke sorgfältig innerhalb der Hülse angeordnet. Auf die Endstücke werden axiale Vorspannungskräfte aufgebracht, um den Magnetkern unter Druck zu halten, während die Hülse rasch abgekühlt wird. Die Abkühlung lässt die Hülse um die Oberflächen des Magnets und der Endstücke herum schrumpfen. Die Druckkräfte, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel auf die Endstücke aufgebracht werden, können bis zu etwa 600 MPa betragen.
Die Abkühlgeschwindigkeit wird sorgfältig gesteuert, um eine Schädigung der magnetischen Eigenschaften und der Oberfläche des Magnetkerns zu vermeiden und um vorzugsweise mit den Endstücken in Eingriff zu kommen und sie zu greifen, bevor ein Eingriff mit dem Magnetkern zustande kommt und er gegriffen wird. Die axiale Schrumpfung der Hülse beim Kühlen hilft auch dabei, axialen Druck auf den Magnetkern aufrechtzuerhalten oder zu erzeugen.
Es versteht sich, dass die Endstücke Wellenstümpfe für den Rotor umfassen können. Bei einer anderen Form der Erfindung umfasst ein Endstück einen Wellenstumpf aus unmagnetischem Material wie Inconel, während das andere Endstück oder ein Teil des Endstücks ein unmagnetisches Abstandsstück ist, das sich zwischen dem Magnetkern und einem Wellenstumpf befindet, der aus einem anderen, möglicherweise magnetischen Material gebildet ist.
Es versteht sich, dass sich der erfindungsgemäße Rotor zwar insbesondere bei einem bürstenlosen Hochgeschwindig keitsgleichstrommotor einsetzen lässt, aber auch für magnetische Kopplungsanwendungen nützlich ist, in denen zum Beispiel die Welle einer Gasturbine magnetisch mit der Welle eines Zentrifugalverdichters oder dergleichen gekoppelt wird. Bei dieser Gestaltung ist der Magnetkern für Kopplungszwecke gedacht und kann daher einen anderen Aufbau als bei der Verwendung in einem Motor haben.
Damit die Erfindung leichter verstanden werden kann, wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel von ihr beschrieben.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt im Teilschnitt eine schematische Draufsicht auf eine Rotorwelle, die den die Welle umgebenden Motorstator zeigt; und
2 zeigt schematisch eine Darstellung der Motorwellenbaugruppe.
Beschreibung eines bevorzugten AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Der in den Zeichnungen dargestellte Rotor 10 ist zur Verwendung in einem bürstenlosen Hochgeschwindigkeitsgleichstrommotor vorgesehen, um einen (nicht gezeigten) Zentrifugalverdichter anzutreiben. Der Motor ist so kompakt wie möglich gestaltet, um die Gesamtgröße der Kombination aus Motor/Verdichter so weit wie möglich zu verringern. Allerdings ist es notwendig, dass der Motor den Verdichter mit ausreichender Leistung versorgt.
Der Rotor 10 enthält einen Magnetkern 12, der aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) gebildet ist, das ein magnetisches Sintermaterial mit verhältnismäßig geringer Zugfestigkeit ist. Eine Hülse 14 umgibt den Magnetkern 12 und läuft axial in beiden Richtungen über diesen hinaus, so dass sich eine Hohlwelle ergibt. Die Hülle 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus Inconel 718 gebildet, das eine ultrafeste unmagnetische Legierung aus dem Luft- und Raumfahrtbereich mit geringer magnetischer Permeabilität ist. Die Hülse 14 ist vorgespannt, um für eine radiale und axiale Druckkraft auf den Magnetkern 12 zu sorgen. Darüber hinaus unterliegt der Kern 12 zwischen einem unmagnetischen Wellenstumpf 16 und einem unmagnetischen Abstandshalter 17 axialen Druckkräften. Zwar kann auch ein anderes unmagnetisches Material verwendet werden, doch können der Wellenstumpf 16 wie auch der Abstandshalter 17 ebenfalls aus Inconel gebildet sein.
Mit der Hülse 14 steht außerdem außerhalb des Abstandshalters 17 ein zweiter Wellenstumpf 18 aus magnetischem Material in Eingriff. Die beiden Wellenstümpfe 16 und 18 dieses Ausführungsbeispiels sind so gestaltet, dass sie den Rotor 10 in allgemein mit 19 bezeichneten magnetischen Lagern tragen. Das äußere Ende des Wellenstumpfs 18 ist dazu ausgelegt, ein Laufrad eines Kühlmittelverdichters zu tragen.
Die beiden Wellenstümpfe 16 und 18 und der Abstandshalter 17 haben vorzugsweise Abmessungen, die eine Presspassung mit der Innenfläche der Hülse 14 ergeben. Allerdings versteht sich, dass sich entweder der Wellenstumpf 18 oder der Abstandshalter 17 nicht in Presspassung befinden muss, solange das andere Teil so beschaffen ist, dass dadurch Druckkräfte auf den Magnetkern 12 aufgebracht werden können.
Der Aufbau des Rotors 10 bildet einen verhältnismäßig steifen und daher mechanisch stabilen Rotor für den Elektromotor. Der Magnetkern 12 wird durch die Hülse 14 sowie den Wellenstumpf 16 und den Abstandshalter 17 derart unter sowohl radialen als auch axialen Druckkräften gehalten, dass sich die erzeugten Zentrifugalkräfte bei den hohen Rotationsbetriebsgeschwindigkeiten des Motors von bis zu 50.000 U/min oder sogar 250.000 U/min ausgleichen.
In 2 ist schematisch ein Verfahren zum Aufbau der Bestandteile der Rotorwelle gezeigt. Das Aufbauverfahren ermöglicht es, die Druckkräfte in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zu erreichen, indem die Hülse 14 mittels Induktionsheizen mit einer Induktionsheizung 21 erhitzt wird, die die Hülse 14 auf eine Temperatur zwischen 400°C und 480°C erhitzt, die unterhalb ihrer Anlasstemperatur liegt. Es ist vorzuziehen, die Temperaturen so gering wie möglich zu halten, damit die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Oberfläche des Magnetkerns reduziert wird. Ein Haltewerkzeug 22 führt dann den Magnetkern 12, den unmagnetischen Wellenstumpf 16, den Abstandshalter 17, und den magnetischen Wellenstumpf 18 ein. Auf die Wellenstümpfe 16 und 18 wird eine Axialkraft von bis zu etwa 600 MPa aufgebracht, damit der Abstandshalter und der Magnetkern 12 unter Druck vorgespannt werden, während die Hülse 14 rasch abgekühlt wird, so dass sie um die Außenflächen der Wellenstümpfe 16 und 18, der Hülse 14 und des Magnetkerns 12 herum schrumpft. Der gesamte Vorgang dauert ungefähr 5 Sekunden, wobei die Abkühlgeschwindigkeit sorgfältig gesteuert wird, um eine Schädigung des Magnetkerns 12 zu verhindern. Die Abmessungen der Wellenstümpfe 16 und 18 sind derart, dass sie von der abkühlenden Hülse 14 vor dem Magnetkern 12 radial gegriffen werden, so dass die fortdauernde Abkühlung auch eine axiale Schrumpfung erzeugt, wodurch die Wellenstümpfe 16 und 18 und der Abstandshalter 17 weiterhin eine axiale Druckkraft auf den Magnetkern 12 aufbringen.
Auf Wunsch können die Wellenstümpfe 16 und 18 mit der Hülse 14 verschweißt werden. Das Innere des Rotors kann auf Wunsch auch evakuiert oder mit einem Gas gefüllt werden, das chemisch kompatibel mit dem Magnet ist, um eine hermetisch abgedichtete Einheit zu erzeugen.
Es versteht sich, dass der Abstandshalter 17 wie zuvor angegeben eine solche Abmessung haben kann, dass es zu keiner Presspassung mit der Hülse 14 kommt. In diesem Fall werden die Druckkräfte zwischen den Wellenstümpfen 16 und 18 aufgebracht und wird der Abstandshalter dadurch ebenfalls unter Druck gehalten. Bei dieser Anordnung dient der Abstandshalter nur dazu, den Magnetkern 12 magnetisch von dem Wellenstumpf 18 zu trennen. Falls gewünscht, können auch an jedem Ende des Magnetkerns Abstandshalter vorgesehen werden, und zwar insbesondere wenn beide Wellenstümpfe aus einem magnetischen Material gebildet sind.
Entsprechend der in den Ansprüchen definierten Erfindung können mehrere Abwandlungen an der Ausgestaltung und/oder dem Aufbau des Rotors vorgenommen werden.

Claims

Rotor (10) für eine Hochgeschwindigkeitsmaschine wie einen bürstenlosen Gleichstrommotor, wobei der Rotor einen Seltenerd-Magnetkern (12), eine Hülse (14), die aus unmagnetischem Material gebildet ist, das den Magnetkern (12) so umgibt, dass es den Kern während einer Hochgeschwindigkeitsrotation von ihm radial einzwängt, und die in beiden Axialrichtungen über den Kern hinausläuft, und Endstücke (16, 18) hat, die innerhalb jedes Endes der Hülse (14) gesichert sind und jeweils mit jedem Ende des Magnetkerns (12) direkt oder indirekt in Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (16, 18) auf den Magnetkern eine axiale Druckkraft aufbringen, wobei die Hülse (14) auf die Endstücke (16, 18) wärmeaufgeschrumpft ist, um für eine Presspassung zu sorgen, welche die Endstücke (16, 18) an der Hülse (14) sichert.
Rotor nach Anspruch 1, bei dem der Magnetkern (12) diametral magnetisiert ist und das Kernmaterial Neodym-Eisen-Bor [NdFeB] ist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Resonanzbiegungsfrequenz des Rotors (10) größer als die maximale Rotationsfrequenz ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Hülse (14) auf den Magnetkern (12) eine radiale Druck kraft aufbringt, so dass der Kern in Ruhe unter sowohl radialen als auch axialen Druckkräften steht.
Rotor nach Anspruch 1, bei dem die Druckkraft eine solche Höhe hat, dass im Magnetkern (12) bei maximaler Rotationsgeschwindigkeit eine allenfalls minimale Spannung auftritt.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens eines der Endstücke (16, 18) über einen unmagnetischen Abstandshalter (17) mit dem jeweiligen Ende des Kerns (12) indirekt in Eingriff steht.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Rotorhülse (14) aus einem unmagnetischen, hochfesten Metall gebildet ist, das einen verhältnismäßig hohen E-Modul hat, um der Motorwelle Biegesteifheit zu verleihen.
Rotor nach Anspruch 7, bei dem das Material der Rotorhülse (14) aus Inconel, Titan und einer Titanlegierung gewählt ist.
Verfahren zum Aufbau eines Rotors (10) für eine Hochgeschwindigkeitsmaschine, der einen Seltenerd-Magnetkern (12) enthält, mit den Schritten Bilden einer Hülse (14), deren Innendurchmesser eine Abmessung hat, die mit innerhalb der Hülse (14) anzuordnenden Endstücken (16, 18) eine Presspassung ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem Folgendes umfasst: Erhitzen der Hülse (14) auf eine Temperatur unterhalb ihrer Anlasstemperatur, so dass sich die Hülse (14) radial und axial weitet, Einführen des Magnetkerns (12) und der Endstücke (16, 18) in die geweitete Hülse (14), Aufbringen einer Axialkraft auf die Endstücke (16, 18), damit auf den Kern (12) Druckkräfte aufgebracht werden, und Abkühlen der Hülse (14), wodurch die Hülse (14) um die Außenflächen des Magnetkerns (12) und der Endstücke (16, 18) herum aufschrumpft.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Durchmesser des Magnetkerns (12) eine Abmessung erhält, die mit der Hülse (14) eine Presspassung ergibt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Hülse (14) durch ein Induktionsheizungsspulensystem, in das die Hülse gesetzt wird, auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, mit dem Schritt rasches Abkühlen der erhitzten Hülse (14), während der Kern unter Vorspannungsdruckkräften steht.
Verfahren nach Anspruch 12, mit dem Schritt Steuern der Abkühlgeschwindigkeit, um eine Beeinträchtigung der Magneteigenschaften und der Oberfläche des Magnetkerns (12) zu verhindern und um sicherzustellen, dass die Hülse (14), bevor sie mit dem Magnetkern (12) in Eingriff gelangt und ihn greift, mit den Endstücken (16, 18) in Eingriff gelangt und sie greift.
Elektromotor mit einem Rotor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Elektrischer Gleichstrommotor mit einem Rotor (10), wie er in Anspruch 2 beansprucht ist.