具有双磁相布置的转子套筒的制作方法

具有双磁相布置的转子套筒
1.相关申请
2.本技术要求2020年3月10日提交的美国临时申请no.62/987，414的权益，该临时申请的全部内容经援引纳入本技术。
技术领域
3.本发明涉及一种电机，例如用于制冷剂压缩机或发电厂中的发电机的马达，该电机包括具有双磁相布置的转子套筒。


背景技术：

4.制冷剂压缩机被用于通过制冷剂回路在冷却器中循环制冷剂。已知制冷剂回路包括冷凝器、膨胀装置和蒸发器。压缩机压缩制冷剂，然后制冷剂流向冷凝器，冷凝器冷却并冷凝制冷剂。然后，制冷剂进入使流体的压力降低的膨胀装置，接着进入蒸发器，制冷剂在蒸发器中蒸发，从而完成制冷循环。
5.许多制冷剂压缩机是离心式压缩机，并且具有驱动至少一个叶轮以对制冷剂加压的电马达。所述至少一个叶轮安装在可旋转轴上。在一些示例中，马达是包括转子和定子的电马达。


技术实现要素：

6.根据本发明的一个示例性方面的电机尤其包括一种包含具有在永磁体径向外侧的套筒的转子的电机。此外，套筒包括至少一个磁性弧段和至少一个非磁性弧段。
7.在另一实施例中，套筒被构型为与永磁体一起旋转。
8.在另一实施例中，定子沿径向围绕套筒，并且定子被布置成使得在定子和套筒之间沿径向存在气隙。
9.在另一实施例中，套筒包括围绕套筒的圆周交替布置的至少一对磁性弧段和至少一对非磁性弧段。
10.在另一实施例中，磁性弧段和非磁性弧段不是机械独立的，使得套筒不包括任何周向接缝。
11.在另一实施例中，套筒包括多个彼此轴向邻接的环。
12.在另一实施例中，每个环布置成使得磁性弧段和非磁性弧段分别与相邻的环的磁性弧段和非磁性弧段沿径向和周向对齐。
13.在另一实施例中，磁性弧段和非磁性弧段沿着套筒的整个长度延伸。
14.在另一实施例中，套筒包括非磁性外壳。
15.在另一实施例中，永磁体通过套筒连接到轴上。
16.在另一实施例中，套筒与轴沿径向齐平。
17.在另一实施例中，套筒从轴沿径向向外突出。
18.在另一实施例中，电机被构型为在供暖、通风和空调(hvac)冷却器系统中使用的
制冷剂压缩机中使用。
19.在进一步的实施例中，电机是马达和发电机之一。
20.根据本发明的一个示例性方面，用于供暖、通风和空调(hvac)冷却器系统的一种制冷剂压缩机尤其包括叶轮、连接到叶轮的轴以及包含具有在永磁体径向外侧的套筒的转子的电马达。套筒将转子连接到轴上，并且套筒包括至少一个磁性弧段和至少一个非磁性弧段。
21.在另一实施例中，套筒包括围绕套筒的圆周交替布置的至少一对磁性弧段和至少一对非磁性弧段。
22.在另一实施例中，磁性弧段和非磁性弧段不是机械独立的，使得套筒不包括任何周向接缝。
23.在另一实施例中，套筒包括多个彼此轴向邻接的环，每个环布置成使得磁性弧段和非磁性弧段分别与相邻的环的磁性弧段和非磁性弧段沿径向和周向对齐。
附图说明
24.图1示意性地示出了制冷系统的示例。
25.图2示意性地示出了压缩机的附加细节。
26.图3是转子和转子套筒的剖视图。
27.图4是类似于图3的视图，示出了磁通量的路径。
28.图5是包括多个轴向堆叠的环的套筒的示例性布置的透视图。
29.图6是套筒的另一示例性布置的透视图。
30.图7是类似于图3的视图，示出了套筒的外壳。
31.图8是示例性电机的一部分的剖视图，并且特别示出了示例性套筒的布置。
32.图9是另一示例性电机的一部分的剖视图，并且特别示出了又一示例性套筒的布置。
33.图10是沿图9中的线10-10截取的剖视图。
具体实施方式
34.图1示出了制冷系统10。制冷系统10包括与压缩机14、冷凝器16、蒸发器18和膨胀装置20连通的主制冷剂回路或线路12。例如，该制冷系统10可以用在冷却器中。在该示例中，冷却塔可以与冷凝器16流体连通。虽然示出了制冷系统10的特定示例，但是该应用可扩展到其他制冷系统的构型(包括不包含冷却器的构型)。例如，主制冷剂的回路12可以包括冷凝器16下游和膨胀装置20上游的节热器。本发明还应用于制冷环境之外，并且能够应用于涡轮发电机、空气压缩机、有机朗肯循环(organic rankine cycles)等。此外，虽然提到了压缩机，但是本发明通常适用于涡轮机。本发明通常也适用于电机(包括马达和发电机)，无论这些电机是否用于压缩机或涡轮机。例如，本发明的电机可用于诸如集中式太阳能发电厂、风力发电厂、核电厂等发电厂的发电机中。
35.图2示出了根据本发明的示例性制冷剂压缩机14(“压缩机14”)。压缩机14包括驱动压缩级24的电马达22(“马达22”)。马达22经由轴26连接到压缩级24，该轴被部分示意性地示出，并且可绕中心轴线a旋转。轴26可由一个或多个磁性轴承支撑在压缩机14的壳体
内。虽然提到了磁性轴承，但是本发明延伸到不包括磁性轴承的应用。诸如箔片轴承、气体轴承、高速滚珠轴承、油压轴承等其他轴承可以被采用。压缩级24可以包括一个或多个叶轮。在图2中，压缩级24包括叶轮28，该叶轮被构型为在入口30处接收轴向流体流并在出口32处沿径向排出加压流体流。再次，虽然在附图中示出了马达22，但是本发明延伸到可作为马达和/或发电机操作的电机。
36.马达22包括沿径向布置在转子36外部的定子34。在该示例中，转子36由磁性材料制成，并且可响应于定子34的磁场而旋转。特别地，转子36由永磁体制成。转子36被构型为与轴26和压缩级24一起旋转。
37.在本发明的一个示例中，转子36由附接到轴26的其余部分的磁性材料提供，所述轴26的其余部分可以是非磁性的。在该示例中，马达22包括套筒38(图3)，该套筒被构型为将转子36连接和附接到轴26的其余部分。
38.在图3中，套筒38在转子36的径向外部并围绕转子36的整个圆周沿径向包围转子36。套筒38可被认为是转子36的一部分和/或轴26的一部分，并且可被称为转子套筒。就此而言，转子36和套筒38可以一起被认为是转子或转子组件。在一个示例中，套筒38沿长度l(图5和图6)沿轴向延伸，该长度比定子34的长度长。在该示例中，套筒38从沿轴向位于定子34前方(相对于图2向左)的点延伸到沿轴向位于定子34后方(向右)的点。此外，套筒38的长度l比转子36的长度长，使得套筒38沿轴向突出超过转子36的轴向端并且能够连接到轴26。
39.在一个示例中，轴26包括径向凹槽，套筒38位于凹槽中并与轴26的其余部分沿径向齐平。例如，图8示出了一种构型，其中轴26包括相对于轴26的其余部分具有减小的直径的径向凹槽27，并且转子36也具有相同的减小的直径。套筒38位于径向凹槽27中并靠在转子36的外径上，并且与轴26的其余部分齐平。此外，在图8中，转子36由单块永磁体提供。
40.在另一示例中，套筒38可以覆盖提供转子36并且附接到轴26的外表面的永磁体。在这种情况下，套筒38可以从轴26的其余部分沿径向向外突出。图9和图10示出了一种示例性构型，其中转子36由多个永磁体37提供，这些永磁体连接到轴26上并且布置在轴26的径向外侧。磁体37彼此轴向邻接。套筒38在磁体37的径向外侧。套筒38在其轴向端处连接到固定环39，固定环被构型为与轴26一起旋转。固定环39还与磁体37的最前面的端和最后面的端邻接。在该示例中，磁体37的内径具有被构型为匹配轴26的轮廓的基本平坦轮廓，在该示例中，该磁体的内径的横截面为八边形(图10)。磁体37还具有对应于套筒38的圆形横截面的弯曲外部。在任一前述示例中，套筒38被构型为与轴26和转子36一起旋转。
41.在该示例中，套筒38包括至少两个弧段，其中一个弧段由磁性材料提供，另一弧段由非磁性材料提供。套筒38可以包括额外的弧段。在另一示例中，套筒38包括至少两对弧段，一对弧段是磁性的，另一对弧段是非磁性的。在图3中，套筒38包括第一磁性弧段40和第二磁性弧段42以及第一非磁性弧段44和第二非磁性弧段46。第一磁性弧段40和第二磁性弧段42由软磁材料如铁素体金属提供，第一非磁性弧段44和第二非磁性弧段46由非磁性材料如奥氏体钢提供。第一磁性弧段40和第二磁性弧段42可由低磁阻的金属软磁钢提供，从而允许磁通量相对容易地流过第一磁性弧段和第二磁性弧段，因此可被称为软磁性弧段。磁性弧段和非磁性弧段围绕套筒38的圆周交替布置。此外，在一个示例中，弧段不是机械独立的且套筒38不包括任何周向接缝。更准确地说，这些弧段是以不同方式处理以表现出不同的磁性特性的套筒38的区段。每个弧段的径向内表面与转子36的外部直接接触，转子在此
由一块磁性材料提供。每个弧段的径向外表面与轴26的其余部分沿径向齐平，或者可选择地，从轴26的其余部分向外突出。
42.在该示例中，第一磁性弧段40和第二磁性弧段42位于轴线a的周向相对侧上，并且通过第一非磁性弧段44和第二非磁性弧段46彼此间隔开。在该示例中，每个弧段占据套筒38圆周的大约90
°
。交替布置磁性弧段和非磁性弧段防止了套筒38充当磁性绝缘体的情况。
43.套筒38被布置成具有低磁阻，并且使得图4所示的穿过转子36和轴26的磁通量m的路径被优化。如此，沿径向在定子34和转子36之间(特别是定子和套筒38之间)的气隙48(图2)中的磁通密度增加。对于相同的转子体积，这也增加了电机的电磁转矩和电磁功率密度。此外，每个线圈需要更少的匝数来获得等效的反电动势(bemf)，并且获得了等效的电磁转矩和功率。
44.在例如制冷剂压缩机的旋转电机中，冷却剂(此处为制冷剂r)有时用于冷却马达14。制冷剂r可流过气隙48以冷却定子34和转子36。使用套筒38，转子36的直径和长度可以减小而不减小马达14的功率，并且在一些情况下，马达14的功率甚至能够增加。减小转子36的直径和长度减少了在气隙48内与制冷剂r的阻力相关的风阻损失。因此，马达22能够被更高效和更有效地冷却。
45.参考图5，套筒38可以包括沿着套筒38的长度l的多个轴向邻接的环50
a-50d。每个环50
a-50d围绕轴线a周向延伸。虽然示出了四个环50
a-50d，但是可以有另外的环。在一个示例中，环50
a-50d各自包括由非磁性弧段隔开的磁性弧段的相同布置。环50
a-50d被布置成使得相似的弧段彼此沿径向和周向对齐，并且彼此直接邻接。在一个示例中，每个环50
a-50d具有大约0.2mm的长度，并且套筒38的总长度l大约为100mm。在该示例中，套筒38中有大约500个环。本发明延伸到具有其他数量的环的套筒。环50
a-50d可以彼此层压或以另一种方式连接。此外，每个单独的环可以被层压，从而被电绝缘。为套筒38提供多个轴向堆叠的层压环以通过沿套筒38的长度阻断涡流来减少涡流损失，因为涡流不会在环之间传播。在图5中，每个环是无缝环，围绕轴线a连续延伸，并且弧段被处理以表现出上述磁性特性。
46.可选择地，如图6所示，每个弧段可以延伸套筒38的整个长度l。在图6的示例中，每个弧段可以由不同的材料块提供并机械地附接(例如焊接)到其它弧段上。在该示例中，第一磁性弧段40和第二磁性弧段42可由软磁钢材料提供，而第一非磁性弧段44和第二非磁性弧段46可由非磁钢材料提供。
47.在图7中，套筒38包括沿径向包围弧段的外壳52。外壳52可由非磁性材料提供，例如碳纤维或合金或超合金(例如因科镍合金(inconel))。外壳52可以增加整个套筒38的结合强度。在一个示例中，外壳52沿着套筒38的整个长度延伸。
48.应当理解的是，诸如“轴向的”、“径向的”和“周向的”等术语在上文中是参照电机的正常运行姿态使用的。此外，这些术语在这里是为了解释的目的而使用的，不应该被认为是限制性的。诸如“通常”、“大约”和“基本上”的术语不是无边界的术语，并且应该与本领域技术人员解释这些术语的方式相一致。
49.尽管不同的示例具有图示中所示的特定部件，但是本发明的实施例不限于这些特定组合。可以将一个示例中的一些部件或特征与另一个示例中的特征或部件结合使用。此外，伴随本发明的各种附图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被放大或缩小以示出特定部件或布置的某些细节。
50.本领域普通技术人员将理解，上述实施例是示例性的而非限制性的。也就是说，对本发明的修改将在权利要求的范围内。因此，应该研究以下的权利要求来确定这些权利要求的真实范围和内容。