用于高速马达的转子构造的制作方法

本申请请求享有2014年12月31日提交的美国临时专利申请第62/ 098818号的权益，该申请通过引用以其整体并入本文中。

多种不同的技术(例如，诸如高速直接驱动涡轮压缩机)使用高速马达。通常，包括异步马达和同步马达的高速马达的操作速度可至少部分地由相关联的转子的构造限制。例如，由于磁铁保持套筒中的应力的形成，典型的永磁马达通常可限于大约150米/秒(m/s)的可实现梢速。此外，异步马达(例如，如感应马达)的叠层构造也可将异步马达限于类似的可实现梢速。然而，不利于由马达驱动的设备的性能和可靠性的是，较低的梢速可削弱马达获得较大的功率密度或较高的临界速度裕度的能力。

背景技术：

克服梢速限制的现有尝试包括使用实心钢转子。尽管用于转子的这种实心钢构造可允许较高的可实现梢速，例如，诸如超过300米/秒(m/s)的梢速，以及甚至超过500米/秒(m/s)的梢速，但钢的导电性通常对于设计有可接受效率的相关联的机器而言太低。克服实心钢转子的传导性不足的尝试包括将铜涂层施加到实心钢转子上。此构造使用铜涂层在转子的表面处传送感应电流，且用作转子笼。然而，就此构造而言，转子的外周速度限于涂层强度和/或铜涂层与钢转子本体之间的联结的强度。此外，不同金属(诸如铜和钢)的结合以及其性质(例如，诸如熔化温度)的差异可限制这两种金属可结合或联结的方式。例如，通常在转子应用中，铜经由爆炸焊施加到钢转子本体，其中铜能够与钢转子本体的表面足够近地接触以形成焊缝。然而，对于至少某些应用，此联结可能不足以允许镀铜的钢转子实现必要的耐久度。例如，此联结可能不足以用于马达相对频繁地启动和停止和/或经历相对较高的温度的涡轮压缩机应用。

技术实现要素：

本公开内容的一个方面是一种用于高速马达的转子轴。转子轴包括轴本体和涂层。轴本体构造成用于在高速马达的操作期间旋转移位，且由钢材料构造。涂层固定到轴本体的外表面的至少一部分。此外，涂层为合金材料，其构造成传送感应的电流以用于轴本体的旋转移位。此外，涂层的合金材料和轴本体的钢材料为不同材料。

本公开内容的另一个方面为一种用于制造用于高速马达的转子轴本体的方法。该方法包括由钢材料形成转子本体坯料。此外，合金材料(其为不同于转子坯料的钢材料的材料)在包覆操作之前被固溶热处理。固溶处理的合金材料固定到转子本体坯料的至少一部分以提供涂层。此外，涂层可经历随后的热处理，例如，诸如时效硬化。此外，将转子本体坯料和涂层机加工以形成构造成用于在高速马达中操作的转子轴。

附图说明

图1为根据本公开内容的实施例的至少部分地涂布有不同金属材料的涡轮压缩机的转子轴本体的截面视图。

图2为根据本公开内容的实施例的具有不同材料的涂层的转子轴本体坯料的截面视图。

图3为根据本公开内容的实施例的用于制造包括铜合金涂层的实心钢转子轴本体的过程的流程图。

在连同附图阅读时，将更好理解以上概述，以及本公开内容的某些实施例的以下详细描述。为了说明本公开内容的目的，在附图中示出了某些实施例。然而，应当理解的是，本公开内容不限于附图中所示的布置和手段。

具体实施方式

图1为根据本公开内容的实施例的包括至少部分涂布有不同材料的涂层14的轴本体12的涡轮压缩机的转子轴10的截面视图。如图所示，在所示实施例中，轴本体12分别可操作地连接到低压压缩机和高压压缩机的叶轮16a、16b上。根据所示的实施例，轴本体12具有大体上整体和/或实心的本体构造。例如，轴本体12可为锻造、机加工和/或模制的金属(诸如钢)件，其提供和/或帮助获得期望的转子轴本体12尺寸和构造。

在图1中所示的实施例中，涂层14可为与转子轴本体12的金属不同的金属。例如，根据所示实施例，转子轴本体12由钢制成，而涂层14可为铜或铜合金材料，例如，诸如铜铬(UNS No. C18200)或铜铬锆(UNS No. C18150)，以及其它铜合金。如本领域中的技术人员已知的其它适合的涂层材料也由本公开内容构想出。用于涂层14的材料的选择可基于多种不同标准。例如，用于涂层14的材料可选择成将转子轴10的电连接特性改善至超过轴本体12的连接特性。此外，用于涂层14的材料可基于涂层14可施加到轴本体12的材料上和/或与轴本体12的材料联结的方式选择。此外，涂层14材料可基于涂层14的机械性质和涂层14与轴本体12之间的联结或它们的附接的性质来选择。

图3为根据本公开内容的实施例的用于制造包括铜合金涂层14的转子轴10的过程100的流程图。在步骤110处，转子本体坯料18(例如，如图2中所示)由钢材料形成。例如，此形成可包括锻造、铸造和/或机加工转子本体坯料18，以获得特定的形状、尺寸和/或构造。例如，出于图示的目的，图2示出了转子本体坯料18，其形成、车削或以其它方式铣削至大致等于轴本体12的最大直径的直径。

在步骤120处，用于涂层14的金属涂层材料(例如，诸如可时效硬化的铜合金)可固溶处理，以备在联结过程之后时效硬化。例如，根据某些实施例，待用于涂层14的铜合金可经历固溶热处理。因此，根据某些实施例，铜合金可经历高温均热，例如，诸如经历大约1450到1850华氏度的温度。高温均热的持续时间可基于多种不同因素，例如，包括经历固溶处理的铜合金的厚度。例如，根据某些实施例，铜合金可经历均热大约三分钟到大约三小时。此外，根据某些实施例，高温均热可继之以铜合金的空气冷却或淬火，例如，诸如铜合金在水淬中淬火。通过将涂层材料固溶处理，涂层材料可处于相对较软的状态，且因此具有改善的延性和可塑性特征。还通过在将涂层材料联结到转子本体坯料18之前将涂层材料固溶处理，可改善涂层14与转子本体坯料18之间的联结的联结性能和过程可靠性。此外，将涂层材料固溶处理且因此调整涂层材料与转子本体坯料18的材料的相对硬度可允许联结过程不太易于有瑕疵。例如，固溶处理过程可增大涂层材料的延性，从而改善涂层材料的塑性流动。此外，通过改善涂层材料的塑性流动，联结过程可更一致，且容忍参数变化，例如，包括避开间隙和爆炸速度，以及其它参数，这可因此改善涂层14与转子本体坯料18之间的联结的可靠性。

在步骤130处，用于涂层14的金属涂层材料在处于固溶处理状态的同时可固定(例如，诸如联结)到转子本体坯料18的至少一部分，以提供如图2中所示的涂层14。例如，根据某些实施例，铜合金涂层14可使用低温高完整性联结过程来联结到转子本体坯料18上，例如，诸如经由爆炸焊或爆炸联结、扩散联结或热静压压制，以及其它联结过程。此外，固溶处理的涂层材料的改善的延性和可塑性特征可从将涂层材料施加和/或联结到转子本体坯料18或期间减小在涂层材料中和/或沿涂层14与转子本体坯料18对接处的裂缝形成的趋势。裂缝的这种减少可改善所得涂层14和/或涂层14与转子本体坯料18之间的联结的整体完整性。

在步骤140处，可将转子本体坯料18或轴本体12上的涂层14热处理。例如，根据某些实施例，铜合金涂层14可经历沉淀硬化或时效硬化，以便涂层14的铜合金获得期望的强度水平、硬度和/或导电特性。步骤140处的涂层14的这种热处理可向涂层14提供至少硬化的外部，其改善涂层14抵抗蠕变和疲劳(包括取决于温度的蠕变)的能力。根据某些应用，例如，诸如高速马达应用，在步骤140处使用的热处理过程可试图在可能不利于涂层14的延性特性的情况下获得较高程度的涂层14强度。相反，在其它应用中，例如，诸如转子轴10的循环负载能力可能更为重要的应用中，使用的热处理过程可定制成获得涂层14的提高的延性特性，而可能不利于涂层14的硬度。

例如，根据其中涂层14为铜合金(诸如铜铬)的某些实施例，铜合金可升高至合金的固溶沉淀温度，以便铬沉淀析出固溶体。更具体而言，根据其中铜合金为C18200的某些实施例，铜合金可经历大约795到935华氏度的温度大约两小时到四小时。然而，使用的特定热处理过程和相关联的过程也可考虑转子本体坯料18的钢的核心性质，以便所得的轴本体12的性质或机械特性不受热处理过程不利影响。例如，涂层14的时效硬化可在试图避免转子轴10的钢材料回火的温度下发生，且从而防止或最小化时效硬化过程对转子轴10的钢材料的核心性质(例如，诸如钢的强度，以及其它性质)的不利影响。

在步骤150处，具有涂层14的转子本体坯料18可机加工成转子轴10的尺寸、形状和/或构造。根据某些实施例，这种机加工可除去已知施加到转子本体坯料18上的涂层14的至少一部分，以及转子本体坯料18的钢材料的一部分。此外，这种机加工可在已经施加到转子本体坯料18的涂层14被热处理之前或之后执行，诸如在步骤140之前或之后。此外，根据其中步骤150的机加工发生在步骤140的热处理过程之后的某些实施例，保持在轴本体12上的涂层14可经历进一步的应力消除处理。

一方面，本公开内容包括一种用于高速马达的转子轴，转子轴包括：构造成用于在高速马达的操作期间旋转移位的轴本体，轴本体由钢材料构造；以及固定到轴本体的外表面的至少一部分的涂层，该涂层构造成传送感应电流以用于轴本体的旋转移位，涂层为合金材料，涂层的合金材料和轴本体的钢材料为不同材料。

在细化方面中，本公开内容包括一种转子轴，其中合金材料为铜合金；其中涂层通过低温联结过程固定到轴本体；其中涂层通过爆炸焊固定到轴本体；其中涂层为时效硬化的材料；其中轴本体具有整体构造；其中转子轴构造成在大于300米/秒的梢速下操作；其中转子轴构造成供构造成用于空气压缩的涡轮压缩机使用；其中铜合金为铜铬；且其中铜合金为铜铬锆。

另一方面，本公开内容包括一种用于制造用于高速马达的转子轴的方法，该方法包括：由钢材料形成转子本体坯料；将合金材料固溶处理，合金材料和转子本体坯料的钢材料为不同材料；将固溶处理的合金材料固定到转子本体坯料的至少一部分以提供涂层；在涂层固定到转子本体坯料时将涂层热处理，热处理过程适于使转子本体坯料的钢材料的核心性质的损失尽可能小；以及机加工转子本体坯料和涂层以形成转子轴，转子轴构造成用于在高速马达中操作。

在细化方面中，本公开内容包括一种用于制造用于高速马达的转子轴的方法，其中合金材料为铜合金；其中固定合金材料的步骤包括使用低温焊接过程；其中固定合金材料的步骤包括使用爆炸焊以利用合金材料覆盖转子本体坯料的至少一部分；其中将涂层热处理的步骤包括将涂层时效硬化；还包括使涂层应力消除的步骤；其中转子轴制造成在大于300米/秒的梢速下操作；其中机加工转子本体坯料和涂层的步骤包括形成供构造成用于空气压缩的涡轮压缩机使用的转子轴；其中将涂层热处理的步骤包括提高涂层的延性；其中将涂层热处理的步骤包括提高涂层的硬度；且其中热处理的步骤包括提高涂层的温度相关的抗蠕变性。

尽管参照了某些实施例描述了本公开内容，但本领域的技术人员将理解的是，在不脱离本公开内容的范围的情况下可作出各种变化，且可替代等同方案。此外，在不脱离本公开内容的范围的情况下可作出许多改变来使特定情形或材料适于本公开内容的教导内容。因此，意图使本公开内容不限于公开的特定实施例，而是本公开内容将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。