專利名稱：永磁高速電動旋轉機械用轉子、制造方法及該旋轉機械的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于一種永久磁體激發(fā)的高速的電動旋轉式機械的轉子的制造方法，特別涉及一種用于大容量永久磁體激發(fā)的高速電動旋轉式機械的轉子的制造方法，其中轉子以例如不小于每分鐘數千轉的高速旋轉。本發(fā)明也涉及該轉子和包括該轉子的電動旋轉式機械。
通常，一個用于永久磁體激發(fā)的電動旋轉式機械的轉子包括一個轉子軸、一個緊密安裝在該轉子軸上的套筒和圓筒形永久磁體裝配件，以及一個安裝在該裝配件的圓筒形永久磁體上的保護蓋，如日本專利、未審查的公布號6-284611中所公開的。英國專利、申請?zhí)朑B2299217A和日本專利、未審查的公布號5-22880各公開了一種轉子，該轉子包括多個圓筒形永久磁體和一個插在圓筒形永久磁體中的轉子軸。日本專利、未審查的公布號9-19093公開了一種纖維增強塑料的保護蓋的制造方法。日本專利、未審查的公布號8-107641公開了一種用纖維增強塑料制成的保護蓋。美國專利No.5,485,045公開了一種利用錐形形式將保護蓋固定在永久磁體上的方法。
為了使轉子高速旋轉，轉子必須做成這樣，使得在轉子軸和永久磁體裝配件之間不出現由于高速旋轉產生的離心力而引起的滑動。為此，在轉子軸和永久磁體裝配件之間需要一個大的干涉。
為了將一個永久磁體安裝在轉子軸上，不能應用通常的冷縮裝配。這是因為永久磁體在加熱時由于其熱膨脹系統小而不能很大地膨脹，所以不能獲得大的干涉。
為了在圓筒形永久磁體和轉子軸之間獲得干涉，已知一種方法，其中磁體和保護蓋安裝在冷卻的轉子軸上，因為制成保護蓋的纖維增強塑料和磁體材料的熱膨脹系數都幾乎為零。在該方法中，獲得的干涉由轉子軸的溫度決定。對于降低轉子軸溫度用的大多數適當的方法，有一種使用液氮的方法。但是，即使通過該法，獲得的溫度差僅僅為約170℃至約180℃的程度。轉子速度越高，待使用的轉子軸的直徑就越小，因此，熱收縮量相應地變小。因此，當考慮機械加工公差、加工余量等時，該方法對高速轉子難以獲得必需的干涉。
此外，當冷卻的轉子軸逐漸返回正常溫度時，轉子軸也沿其軸向膨脹。但是，因為用纖維增強塑料制成的磁體和保護蓋幾乎不膨脹，所以保護蓋沿軸向拉伸，而在該方向其強度變小。這可能導致保護蓋破裂。因此在包括纖維增強塑料(FRP)保護蓋的高速轉子的裝配中很難應用這樣一種冷卻安裝或膨脹安裝。
另一方面，為了增大轉子的容量，必須將具有高通量密度的稀土燒結磁體用作圓筒形永久磁體。但是，在這樣一種稀土燒結磁體中，成形的自由度是很低的。特別是，在一種圓筒形磁體中，相對于圓筒形磁體的外徑不可能增大其長度。為此，在大容量轉子的情況下，必須在套筒上沿軸向并置多個圓筒形磁體。結果，轉子的沿軸向總長度變長。因此，將轉子軸壓力安裝到套筒中的行程變長，而在轉子軸的壓力安裝時，發(fā)生永久磁體和/或保護蓋的變形和/或破裂。這樣，不能應用機械壓力安裝。
本發(fā)明的目的是提供一種用于永久磁體激發(fā)的高速電動旋轉式機械的轉子的制造方法、該轉子和包括該轉子的電動旋轉式機械。
一種根據本發(fā)明的用于永久磁體激發(fā)的高速電動旋轉式機械的轉子的制造方法包括利用沿徑向壓緊的預應力以纖維增強塑料保護蓋覆蓋至少一個永久磁體的外周面；將一個鋼套管插入該至少一個永久磁體中，以形成一個永久磁體裝配件；制備至少一個永久磁體裝配件；將一個轉子軸插入鋼套管，同時將液壓施加在制備的至少一個永久磁體裝配件的鋼套筒的內周面上，以使鋼套筒膨脹；然后移去液壓，使至少一個永久磁體裝配件緊配合在轉子軸上。
該方法可以包括一個步驟在移去液壓的步驟后，切割掉鋼套筒的用于將液壓施加到鋼套筒內周面上的液壓引入通道。
該方法可以包括一個步驟在插入鋼套筒時，在至少一個永久磁體的兩端上設置端環(huán)。
轉子軸的插入最好通過液壓進行。
在用纖維增強塑料的保護蓋覆蓋圓筒形永久磁體的步驟中，該圓筒形永久磁體可以裝入預先制成的保護蓋，或以預定張力將浸漬了塑性樹脂的纖維纏繞在圓筒性永久磁體上。
一種根據本發(fā)明的永久磁體激發(fā)的高速電動旋轉式機械用的轉子，包括至少一個永久磁體裝配件，和一個用不小于0.003的干涉比利用液壓安裝到至少一個永久磁體裝配件中的轉子軸。該至少一個永久磁體裝配件包括至少一個圓筒形永久磁體；一個安裝在至少一個圓筒形永久磁體中的鋼套筒，而該鋼套筒中用液壓方法裝入該轉子軸；以及一個用纖維增強塑料制成的保護蓋，該保護蓋利用沿徑向壓縮的預應力覆蓋至少一個圓筒形永久磁體的外周面。
該鋼套筒設有一個通道，用于將液壓引到其內周面上。
該轉子軸的在壓力安裝到至少一個永久磁體裝配件時的前端最好是錐形的。
保護蓋可以是預先制成的，而至少一個圓筒形永久磁體插入該保護蓋中。
該保護蓋可以包括用預定張力纏繞在至少一個圓筒形永久磁體上而浸漬了塑性樹脂的纖維。
該至少一個永久磁體裝配件包括多個永久磁體裝配件，而該多個永久磁體裝配件沿軸向并置在轉子軸上。
該至少一個永久磁體包括多個永久磁體，而該多個永久磁體沿軸向并置在鋼套筒上。
該轉子還包括以這樣的方式安裝在鋼套筒上的非磁性材料的端環(huán)，使得這些端環(huán)沿軸向從至少一個永久磁體的兩端推擠它們。


圖1是一種作為包括本發(fā)明的轉子的電動旋轉式機械的壓縮機的截面圖；圖2是本發(fā)明的一種轉子的實施例的側視圖；圖3是沿圖2中線Ⅲ-Ⅲ截取的截面圖；圖4是表示一種纖維增強塑料的保護蓋的制造步驟的視圖；圖5是通過圖4中所示制造步驟制成的保護蓋和永久磁體裝配件的截面圖6是表示鋼套筒插入保護蓋和永久磁體裝配件中的狀態(tài)的截面圖；圖7是一個截面圖，用于例示處于施加液壓之前狀態(tài)的本發(fā)明轉子的制造方法；圖8是一個截面圖，用于例示處于施加液壓之后狀態(tài)的本發(fā)明轉子的制造方法；圖9是本發(fā)明轉子的另一實施例的部分截面圖。
下面參照附圖描述本發(fā)明的實施例。圖1表示一種兩級空氣壓縮機100的豎直截面，該壓縮機100由一臺包括本發(fā)明的永久磁體激發(fā)的轉子的電動機直接驅動。圖1中，壓縮機100在其中部包括一電動機101。電動機101包括轉子1和定子10。轉子1由一對徑向軸承11a和11b與一對用于轉動的止推軸承12a和12b支承。徑向葉輪13a和13b固定在轉子1的兩個軸端部上。
圖2和3表示上述離心式壓縮機100的轉子1。
永久磁體激發(fā)的轉子1包括一個用磁性材料鋼制成的實心轉子軸16、一個安裝在轉子軸16上的鋼套筒2、五個沿轉子軸16的軸向串聯設置在套筒2的外周面上的圓筒形永久磁體3，以及一個圓筒形保護蓋4，保護蓋4用碳纖維增強塑料(CFRP)制造并設置在永久磁體3的外周面上，以便蓋住永久磁體3。
套筒2具有一個油通道20b，用于將液壓引到套筒2的內周面上。每個用非磁性材料制成的端環(huán)5和6沿軸向固定在永久磁體3和CFRP保護蓋4的兩端，用于防止磁通量泄漏和保護永久磁體的端面。TAB6400具有大的比強度，符合用作端環(huán)5和6的材料的要求。
每個永久磁體3是產生高通量密度的釹鐵硼稀土磁體和各向異性磁體，其中易于磁化的軸線沿徑向取向。每個永久磁體3通過燒結形成圓筒形形狀并具有雙極性磁性。
其次，將參照圖4至8詳細描述上述方式構造的轉子的制造方法。首先，將描述永久磁體3和保護蓋4的組裝。有兩種方法。一種方法是，將浸漬了樹脂以便于粘附的碳纖維纏繞在串聯設置的永久磁體3a至3e的外周面上，然后在高溫爐中固化樹脂。另一種方法是，將永久磁體3a至3e順序插入預先制成的CFRP保護蓋4中。
在前一種方法中，將圓筒形永久磁體3a至3e和一對仿造件(dummy pieces)7a、7b安裝在夾具8上，然后用一螺母9固定，如圖4中所示。然后在磁體的外周面上纏繞CFRP。移去仿造件7a和7b，按預定長度除去CFRP兩端的翻卷部分。
在該方法中，對仿造件7a和7b可以使用與圓筒形永久磁體3a至3e同樣的材料。但是，因為永久磁體材料很貴，對仿造件7a和7b最好用廉價材料如鋁合金。此外，最好在仿造件7a和螺母9之間設置一個彈簧件如錐形盤簧，雖然這一特征在圖4中未示出。如果這樣做，當它們加熱至高溫以固化CFRP時，彈簧的位移可以吸收夾具8和永久磁體3a至3e之間的熱膨脹之差。結果，防止了永久磁體部件的固定狀態(tài)在加熱步驟中的松動。
在后一種方法中，圓筒形永久磁體3a至3e以預定順序相繼插入預先制成預定尺寸的CFRP保護蓋4中。在這種情況下，每個圓筒形永久磁體3a至3e這樣形成，使得其外徑稍許大于CFRP保護蓋4的內徑，而將永久磁體3a至3e壓配合到CFRP保護蓋4中。以這種方式，壓縮預負荷作用在永久磁體3a至3e上。結果，當永久磁體安裝在轉子軸16上時，可以減小作用在永久磁體上的拉伸負荷。此外，也可以將圓筒形磁體3a至3e的外周面和CFRP保護蓋4的內周面做成錐形，使它們互相配合，形成固定狀態(tài)。
CFRP在沿纖維的方向具有非常高的強度，但在垂直于纖維的方向只有相應于樹脂強度的強度。也就是，CFRP的拉伸強度和楊氏模量正比于纖維方向和負荷方向之間角度的余弦。因為本發(fā)明的轉子用于高速旋轉，考慮到在高速旋轉下作用在永久磁體3a至3e上的離心力，所以采用纖維相對于轉子軸向的纏繞的傾斜角為87°。因為在這種方式下纖維的纏繞幾乎垂直于轉子的軸向，所以即使靠近CFRP保護蓋4的沿軸向的兩端處，強度也幾乎不變壞。CFRP保護蓋4的厚度通過下述方程式(1)由電動機的磁學特性和永久磁體3a至3e的容許離心力給出。對于CFRP保護蓋4的基體樹脂，使用具有良好熱阻的樹脂，因為電動機的溫度由于產生熱量而升高。從強度觀點看，纖維相對于轉子軸向的纏繞傾斜角最好在約85°至約90°的范圍內。
tc=(σm-σam)tm/(σac-σc)…(1)式中σm為作用在永久磁體上的離心應力；σam為永久磁體的容許拉伸應力；σac為CFRP的容許拉伸應力；σc為作用在CFRP上的離心應力；tc為CFRP保護蓋的厚度；以及tm為永久磁體環(huán)的厚度。
其次，獨立地制備一個鋼套筒2，其外徑幾乎等于每個永久磁體3的內徑。然后將永久磁體3和一對端環(huán)5、6安裝在鋼套筒2的外周面上，以形成永久磁體裝配件。鋼套筒2的內徑比轉子軸16的外徑小一個相應于所需干涉配合的量。鋼套筒2具有液壓注入孔20a和油通道20b，用于后面描述的液壓安裝。
其次，將參照圖7和8描述將包括鋼套筒2的永久磁體裝配件安裝在轉子軸16上的方式。圖7表示緊接在永久磁體裝配件安裝到轉子軸16之前的狀態(tài)。圖8表示在永久磁體裝配件安裝到轉子軸16之后的狀態(tài)。如上所述，液壓注入孔20a和油通道20b是在鋼套筒2的一個端部附近形成的，用于將液壓引入鋼套筒2的內周面上。永久磁體裝配件安裝在管狀內夾具21的外周面上，內夾具21上預先安裝了管狀外夾具22。在轉子軸16的端部部分上預先制造一個柱螺栓23。管狀內夾具21附著在轉子軸16的端部部分上，用夾緊機構24和25固定。在管狀外夾具22中形成一注入孔26，用于施加液壓，以便強制插入轉子軸。
因為轉子軸16的外徑比管狀內夾具21的外徑幾乎大一個干涉量，所以轉子軸16的前端最好做成錐形，以便容易地插入鋼套筒。在這種狀態(tài)下，與鋼套筒2受通過注入孔20a施加的液壓而膨脹的同時，轉子軸16由通過注入孔26施加的液壓而沿軸向強制插入。之后，可以切去鋼套筒2的注入孔20a的無用部分。
鋼套筒2的內徑和轉子軸16的外徑是這樣決定的，以便獲得對應于永久磁體的由于離心力而產生的伸長的初始干涉(初始壓力)。該干涉是由下列表達式給出的ϵ≥(3-2v)/{8ECFRP(1-v)}{2r32+2-4v8(l-v)r22}γCFRPω2/g]]>+tmagtCFRPlECFRP(r2+r1)24γmaxω2/g------(2)]]>Δd=εD…(3)式中ε為CFRP套筒受到的初始應變(鋼套筒受到的初始應變)；E為CFRP套筒的楊氏模量；ν為CFRP套筒的泊松比；r3為CFRP套筒的外部半徑；r2為CFRP套筒的內部半徑；r1為磁體環(huán)的內部半徑；γCFRP為CFRP套筒的比重；tCFRP為CFRP套筒的厚度；tmag為磁體環(huán)的厚度；γmag為磁體環(huán)的比重；ω為轉子的轉動角速度；D為CFRP套筒的內徑；Δd為CFRP套筒的初始干涉(鋼套筒的初始干涉)。
表達式(2)的右側第一項對應于這樣一個干涉，通過該干涉CFRP保護蓋承擔其由于離心力而產生的自身的伸長；而右側第二項對應于這樣一個干涉，通過該干涉CFRP保護蓋承擔作用在圓筒形永久磁體上的離心力。通過給定一個不小于對鋼套筒兩個干涉之和的初始干涉，也可以對CFRP保護蓋給出必需的夾緊(壓縮)力。由此在旋轉期間磁體能夠避免從鋼套筒并因而從轉子軸分開。在該實施例中，得到不小于3/1000的干涉比(干涉與轉子軸直徑之比)，該干涉比絕不可能由冷卻安裝得到。此外，因為旋轉部件通過干涉沿徑向受到限制，所以維持了旋轉部件的同軸性。以這種方式，在操作期間可以維持磁體和CFRP保護蓋的同軸性，因此可以獲得一個超高速的轉子。其次，因為根據本發(fā)明轉子結構可以是軸對稱的，所以可以減小操作中出現的不平衡，并可以確保產生轉矩。結果，提高了轉子的可靠性。
在需要長磁體的高功率電動機的情況下，可以制備兩組永久磁體裝配件，將它們從轉子軸的軸向兩端安裝到一個轉子軸上，如圖9中所示。
圖1表示一種裝有包括以上述方式制造的轉子的電動機的兩級空氣壓縮機的情況。多個圓筒形永久磁體沿旋轉軸線的方向設置，以保證高功率電動機用的磁體的必需長度。以此種方式，壓縮機100的輸出容量增加到約100KW的程度。此外，因為圓筒形永久磁體的外周面通過CFRP保護蓋增強，可以獲得不小于250m/s的永久磁體部分的圓周速度。本發(fā)明在一種其圓周速度不小于240m/s的轉子中是有效的，當圓周速度不小于250m/s時，效果是顯著的。
權利要求
1．一種用于永久磁體激發(fā)的高速電動旋轉式機械的轉子的制造方法，包括利用沿徑向壓緊的預應力以纖維增強塑料保護蓋覆蓋至少一個永久磁體的外周面；將一個鋼套筒插入該至少一個永久磁體中，以形成一個永久磁體裝配件；制備至少一個永久磁體裝配件；將一個轉子軸插入鋼套筒，同時將液壓施加在制備的至少一個永久磁體裝配件的鋼套筒的內周面上，以使鋼套筒膨脹；移去液壓，使至少一個永久磁體裝配件緊配合在轉子軸上。
2．如權利要求1所述的轉子制造方法，還包括如下一個步驟在移去液壓的步驟后，切割掉鋼套筒的用于將液壓施加到鋼套筒內周面上的液壓引入通道。
3．如權利要求1所述的轉子制造方法，還包括如下一個步驟在插入鋼套筒時，在至少一個永久磁體的兩端上設置端環(huán)。
4．如權利要求1所述的轉子制造方法，其中所述轉子軸的插入最好通過液壓進行。
5．如權利要求1所述的轉子制造方法，其中所述用纖維增強塑料的保護蓋覆蓋圓筒形永久磁體的步驟包括將所述至少一個圓筒形永久磁體安裝到預先制成的保護蓋中。
6．如權利要求1所述的轉子制造方法，其中所述用纖維增強塑料的保護蓋覆蓋圓筒形永久磁體的步驟包括以預定張力將一種浸漬了塑性樹脂的纖維纏繞在所述至少一個圓筒形永久磁體上。
7．一種永久磁體激發(fā)的高速電動旋轉式機械用的轉子，包括至少一個永久磁體裝配件，和一個用不小于0.003的干涉比利用液壓安裝到所述至少一個永久磁體裝配件中的轉子軸；所述至少一個永久磁體裝配件包括至少一個圓筒形永久磁體，一個安裝在至少一個圓筒形永久磁體中的鋼套筒，而該鋼套筒中用液壓方法裝入該轉子軸，以及一個用纖維增強塑料制成的保護蓋，該保護蓋利用沿徑向壓縮的預應力覆蓋所述至少一個圓筒形永久磁體的外周面。
8．如權利要求7所述的轉子，其中，所述鋼套筒設有一個通道，用于將液壓引到其內周面上。
9．如權利要求7所述的轉子，其中，該轉子軸的在壓力裝入所述至少一個永久磁體裝配件時的前端是錐形的。
10．如權利要求7所述的轉子，其中，所述保護蓋是預先制成的，而所述至少一個圓筒形永久磁體插入所述保護蓋中。
11．如權利要求7所述的轉子，其中，所述保護蓋包括用預定張力纏繞在所述至少一個圓筒形永久磁體上而浸漬了塑性樹脂的纖維。
12．如權利要求7所述的轉子，其中，所述至少一個永久磁體裝配件包括多個永久磁體裝配件，而該多個永久磁體裝配件沿軸向并置在所述轉子軸上。
13．如權利要求7所述的轉子，其中，所述至少一個永久磁體包括多個永久磁體，而該多個永久磁體沿軸向并置在所述鋼套筒上。
14．如權利要求7所述的轉子，還包括以這樣的方式安裝在鋼套筒上的非磁性材料的端環(huán)，使得這些端環(huán)沿軸向從至少一個永久磁體的兩端推擠該永久磁體。
15．一種電動旋轉式機械，包括一個用權利要求1的制造方法制成的轉子。
16．一種電動旋轉式機械，包括一個權利要求7所述的轉子。
全文摘要
一種根據本發(fā)明的用于永久磁體激發(fā)的高速電動旋轉式機械的轉子的制造方法,包括:利用沿徑向壓緊的預應力以纖維增強塑料保護蓋覆蓋至少一個永久磁體的外周面;將一個鋼套筒插入該至少一個永久磁體中,以形成一個永久磁體裝配件;制備至少一個永久磁體裝配件;將一個轉子軸插入鋼套筒,同時將液壓施加在制備的至少一個永久磁體裝配件的鋼套筒的內周面上,以使鋼套筒膨脹;然后移去液壓,使至少一個永久磁體裝配件緊配合在轉子軸上。
文檔編號H02K15/03GK1211100SQ98119119
公開日1999年3月17日 申請日期1998年9月9日 優(yōu)先權日1997年9月10日
發(fā)明者三浦治雄, 高橋一樹, 西田秀夫, 高橋直彥, 福島康雄 申請人:株式會社日立制作所