专利名称：电机转子的制作方法
技术领域：
本公告涉及电机转子的领域，更具体而言，涉及包含适合于高速运转的磁场反应式元件之类电机转子的领域。
背景技术：
在设计驱动能力接近10万转/分的高速电机转子中，特别具有挑战性的方面涉及防止离心力引起转子元件扩张，这会导致转子元件与连接其上的转子轴分离。在感应电机情况下，重要的是要防止转子元件扩张而与定子元件接触或造成转子条与叠片短路。在永磁电机情况下，也有类似的担心，需要对转子扩张进行限制。
发明内容
本文公布的电机转子适合在涡轮增压器及电机可能需要在约10万转/分以上显著高速运转范围的其它环境中使用。通常情况下，电控涡轮增压器采用高速电机来转动存在于相向安装的压缩机与涡轮机之间的涡轮轴。除了上述参考文献PCT/US10/2070申请中所描述的约束环和加强圈改进以防止转子元件脱离和减少高速旋转轴的振动效应之外，这里所公布的实施方案还提供了一种装于转子中央的支撑环，以加强对转子条的限制，从而尽量减少其在高速运转期间向外变形。
图IA和IA是一种感应电机转子中各个零件的分解图。图2是包括图IA和IB中所示零件的感应电机转子总成沿其轴线的剖视图。图3是图2中沿剖面线III-III截取的叠片的平面视图。图4是图3中叠片孔口的放大图，其中包含转子条。图5是图2中沿剖面线V-V截取的中央支撑环的平面视图。图6是图5中叠片孔口的放大图，其中包含转子条。图7是直接装于转子轴上的感应电机转子总成沿其轴线的剖视图。图8是装于转子轴加强圈上的永磁电机转子总成沿其轴线的剖视图。图9是直接装于转子轴上的永磁电机转子总成沿其轴线的剖视图。
具体实施例方式在图IA中，感应电机转子200的主要零件包括已组装的转子元件210、约束环204 和206、以及装于转子轴240上的加强圈套筒零件202 (图2)。在图IB和图2中所示的转子元件210包括两个平衡环212和214(本文有时称为 “端环”)，其上开有多个孔口 112和114，并装有多个(19个)转子条2lW218a-218s)、以及在组件216a、216b和226中多个(65个)按轴向对齐叠放的钢叠片。中央支撑环(本文有时称为“抗扩张环”)220位于叠片组226的中央，以尽量减小在高速运转时离心力的效应， 防止转子条218扭曲。图2是图3中沿虚线“A”和图5中沿虚线“C”标示的平面截取的剖视图。钢叠片216可以使用高强度的电工钢(如HyperCO50TM)成形，并经过热处理以提供最大强度，经过表面氧化以防叠片之间的电流损失。转子条218可以使用高强度/密度比率(比模量)和高导电性的合金(如2219A1)制成。组装时，转子叠片组216a和216b在叠片组226的两侧按同轴叠放，位于中央的支撑环220套在叠片组226上。转子条218插入(或模注入)槽孔217 (217a_217s)和 227 (227a-227s)中。平衡环212和214装于轴的两端，而转子条的两端分别装入平衡环212 和214的孔口 112和114内。然后将转子条218焊接到平衡环212和214上。这种焊接可以采用电子束工艺，也可以采用为这类金属提供有效高强度焊接的任意其他工艺。在进行这种焊接工艺期间，在转子上加装散热片，以尽量减少焊接变形效应。焊接后，对转子210 上的所有外表面和内径进行机加工，以提高内径ID和外径OD的同心度及平衡性。机加工后，将转子总成210装入加强圈套筒202内。然后对总成进行平衡，并将加强圈套筒202压合到转子轴240上。加强圈套筒202与叠片的内径之间可以有一些公差，以防叠片中的预应力，此时将平衡环212和214压合到套筒202上，确保在任何运转环境下， 转子总成210不脱离转子轴M0。转子210还可能采用高压模铸法制成，将转子叠片216和2 置于模中，然后将熔融铝注入槽孔217和227中以形成转子条218，以及注入端环212和214中。端环212和214最好采用与制造转子条218所使用的相同或类似的合金制造，以尽量减少在高速运转期间转子两端的扩张。为了进一步减小高转速时产生的离心力效应，端环212和214可以在转子的两端有轴向伸出段213和215。伸出段213和215的直径大大小于端环主体的直径。通过减小端环伸出段213和215的直径，可以大大减小伸出段承受的离心力，从而在整个运转速度范围内，使其保持压合加强圈套筒202和转子轴240。为保险起见，可以用高强度钢成形的约束环204和206来夹紧平衡环212和214， 确保平衡环与加强圈套筒202和转子轴240之间的压紧。在图IA和图2中，约束环204和 206装于端环伸出段213和215上。采用电控涡轮增压器设计时，电机转子通常会被拉长。存在着一种担心，即转子条愈长(如图1A、IB和图2所示的218)，在高转速时的离心力就会愈大，从而可能导致转子条段所受径向向外的力足以扭曲转子与定子之间的空气隙。如果发生这种扭曲及转子的外径向外过度扩张，可能会造成与定子接触。此外，过大的向外方向的力可能会磨损槽孔217内壁的绝缘涂层，最终导致叠片与转子条之间短路。
在使用端环212和214抑制转子条118的末端扩张的同时，在转子的中央还装有抗扩张环220，限制转子条218的其余部分向外移动。图1A、1B和图2示出抗扩张环相对于其它元件所处的中央位置。图3是图2中沿剖面线III-III截取的叠片216的平面视图，显示出19个槽孔 217a-217s的周向分布。叠片216与叠片组216a和216b中的所有其它叠片完全相同。 在该视图中显示出圈在转子轴240上的加强圈202。转子条218a-218s插入对应的槽孔 217a-217s 中。图4是叠片216中槽孔217的放大视图，可以看见其位于径向，并朝轴心方向缩小。由于抗扩张环220对转子条中央段的压紧效应，叠片组216a和216b中的转子条在朝着最接近转子轴线的槽孔217的内侧方向受到压缩。这种压缩会在转子条外表面与槽孔217 外侧之间产生空气隙。所示的常见空气隙215将转子条218隔开。图5是图2中沿剖面线V-V截取的叠片226的平面视图，显示出19个槽孔 227a-217s的分布。叠片2 与装在抗扩张环220下面的中央叠片中的所有其它叠片相同。 叠片2 沿加强圈202的周向叠放，后者压合到转子轴240上(或在图7中压合到转子轴 340上)。转子条218a-218s插入对应的槽孔217a-217s中。叠片2 和在中央叠片组中的所有其它叠片与图3和图4中的叠片有些不同，因为需要放置和装入抗扩张环220。如图 6中槽孔227的放大视图所示，叠片的外径减小值等于在图4中的虚线“B”所标示的抗扩张环220的厚度。空气隙段(如图4的叠片216中所示)得以消除，使抗扩张环220与转子条218直接接触。在这种构造中，叠片2 与抗扩张环220的复合外径等于叠片组216a和 216b中的叠片216的外径。抗扩张环220最好用高强度钢成形，而且选用低热膨胀系数的材料，以尽量减小转子总成200的扩张。图7示出一种直接装于转子轴340上的转子总成300，在这类构造环境中，加强圈零件不需要在运转时控制振动。所示转子总成300包括两个平衡环312和314、多个转子条318和多个沿轴向对齐叠放的钢叠片组316a、316b和326。中央支撑环320装于叠片组 326的中央，以尽量减小离心力效应，防止转子条318在高速运转时扭曲。如早先所描述的实施方案那样，伸出段313和315的直径大大小于端环312和314主体的直径，以减小转子轴340上压合体周围的质量。图8示出应用于一台永磁电机的转子400的构造原理。在这个实施方案中，加强圈零件402被压合到转子轴440上。高强度钢圆形套筒420从端环412与414上和两者之间伸出，以套在磁性材料416上。这样，套筒就可以限制转子在高速运转时因离心力而产生的扩张量。端环412和413采用上述质量减小的伸出段413和415。为保险起见，可以用高强度钢成形的约束环204和206来夹紧平衡环212和214，确保平衡环与加强圈套筒202 和转子轴240之间的压紧。约束环404和406装于端环伸出段413和415上。图9示出一种直接装于转子轴540上的转子总成500，在这类构造环境中，加强圈零件不需要在运转时控制振动。在这个实施方案中，高强度钢圆形套筒520从端环512与 514上和两者之间伸出，以套在磁性材料516上。这样，套筒就可以限制转子在高速运转时因离心力而产生的扩张量。端环512和513采用上述质量减小的伸出段513和515。最好给端环伸出段513和515装上高强度钢约束环504和506。
这里所示的实施方案的性质只是示范，不应被视为是对本文阐明的权利要求范围的限制。
权利要求
1.一种感应电机的转子总成包括按轴向叠放的叠片芯，每个叠片都开有多个槽孔，用于对应装入多个转子条及一个环形保持元件，其中所述转子条依照所述槽孔的构造保持在叠片槽孔内，而其中所述环形保持元件位于所述转子长度方向的中央，并在所述中央位置范围内套在一组所述叠片上，以限制所述转子条在所述槽孔内的向外移动。
2.在权利要求1所述的转子总成中，所述轴向叠放的叠片芯包含多个叠片组，分为具有第一种外径尺寸的第一和第二组叠片及具有第二种外径尺寸的第三组叠片，其中所述第一种尺寸大于所述第二种尺寸。
3.在权利要求2所述的转子总成中，所述第三组叠片装于按所述轴向叠放的所述第一与第二组叠片之间的中央位置。
4.在权利要求3所述的转子总成中，在圆环中的所述环形保持元件，其外径尺寸等于所述第一种尺寸，所述圆环套在所述第三组叠片上。
5.在权利要求3所述的转子总成中，所述环形元件的外径尺寸等于所述第一种尺寸， 内径约等于所述第二种尺寸，所述圆环套在所述第三组叠片上。
6.在权利要求4所述的转子总成中，所述第一和第二组叠片中的每一个所述叠片槽孔都基本上套住所述转子条的一部分。
7.在权利要求6所述的转子总成中，所述环形元件限制所述转子条在所述转子高速旋转时朝所述叠片槽孔的外侧移动。
8.—种感应电机的转子总成包括按轴向叠放的叠片芯，每个叠片都开有多个槽孔，用于对应装入多个转子条，并且所述总成包括一种部件，用于限制所述转子条在所述槽孔内的向外移动。
9.在权利要求8所述的转子总成中，所述限制部件包括一组端环，使所述转子条插入其中，以限制所述转子条的末端向外移动。
10.在权利要求9所述的转子总成中，每个所述端环都开有与所述多个转子条相对应的孔口，用于保持所述转子条末端并限制所述转子条末端向外移动。
11.在权利要求9所述的转子总成中，所述限制部件还包括一个装于所述转子长度方向中央位置的环形元件，它在所述中央位置范围内套在一组所述叠片上，以限制所述转子条在所述槽孔内向外移动。
12.在权利要求8所述的转子总成中，所述限制部件包括一个装于所述转子长度方向中央位置的环形元件，它在所述中央位置范围内套在一组所述叠片上，以限制所述转子条在所述槽孔内向外移动。
13.在权利要求8所述的转子总成中，所述轴向叠放的叠片芯包含多个叠片组，分为具有第一种外径尺寸的第一和第二组叠片及具有第二种外径尺寸的第三组叠片，其中所述第一种尺寸大于所述第二种尺寸。
14.在权利要求13所述的转子总成中，所述第三组叠片装于按所述轴向叠放的所述第一与第二组叠片之间的中央位置。
15.在权利要求14所述的转子总成中，所述限制部件包括一种环形保持元件，其外径尺寸等于所述第一种尺寸，所述环形元件套在所述第三组叠片上。
16.在权利要求13所述的转子总成中，所述限制部件包括一种环形元件，其外径尺寸等于所述第一种尺寸，内径约等于所述第二种尺寸，所述圆环套在所述第三组叠片上。
17.在权利要求16所述的转子总成中，所述第一和第二组叠片中的每个所述叠片槽孔都基本上套住所述转子条的一部分。
18.在权利要求16所述的转子总成中，所述环形元件限制所述转子条在所述转子高速旋转时朝所述叠片槽孔的外侧移动。
19.一种电机转子总成包括装有绕轴线旋转的磁场反应式元件，其中所述反应式元件在中央位置被一个高强度材料的环形保持元件套住，以限制所述反应式元件在转动期间因离心力效应而向外扩张。
20.在权利要求19所述的转子总成中，所述反应式元件包括一种装于旋转轴上的旋转永磁体，所述环形保持元件包括一种高强度钢的外套筒。
21.在权利要求19所述的转子总成中，所述反应式元件包括感应式叠片和装于旋转轴上的旋转导体转子条，所述环形保持元件包括一个装于叠片组中央位置并与所述转子条接触的高强度钢圆环。
22.在权利要求21所述的转子总成中还包括位于所述叠片和所述导体转子条两端的平衡环，用于装入和保持所述转子条的末端，其中每个所述平衡环都有一个中心孔以配装到所述旋转轴上，还有一个从所述转子向外伸出的直径减小的环颈，以将所述转子固定到所述轴上。
23.在权利要求22所述的转子总成中，每个所述平衡环都用与所述导体转子条相同或类似的材料制造，所述夹紧环用高强度钢制造。
24.在权利要求22所述的转子总成中，所述直径减小的环颈使所述转子的质量减少， 从而减小在高速转动期间作用到转子上的向心应力。
全文摘要
一种用于电机的转子，包括一个装于转子中央的抗扩张环，以限制装于旋转轴上的转子元件在电机运转时因离心力而产生向外扩张的程度。这种电机适合用在电控涡轮增压器之类的高转速环境下。
文档编号H02K17/00GK102460914SQ201080024464
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月2日 优先权日2009年6月3日
发明者F·莱姆伯克, P·霍夫鲍尔, W·希朋 申请人:环保汽车国际公司