用於高速馬達的轉子構造的製作方法
2023-04-27 18:08:16
本申請請求享有2014年12月31日提交的美國臨時專利申請第62/ 098818號的權益，該申請通過引用以其整體併入本文中。
多種不同的技術(例如，諸如高速直接驅動渦輪壓縮機)使用高速馬達。通常，包括異步馬達和同步馬達的高速馬達的操作速度可至少部分地由相關聯的轉子的構造限制。例如，由於磁鐵保持套筒中的應力的形成，典型的永磁馬達通常可限於大約150米/秒(m/s)的可實現梢速。此外，異步馬達(例如，如感應馬達)的疊層構造也可將異步馬達限於類似的可實現梢速。然而，不利於由馬達驅動的設備的性能和可靠性的是，較低的梢速可削弱馬達獲得較大的功率密度或較高的臨界速度裕度的能力。
背景技術：
克服梢速限制的現有嘗試包括使用實心鋼轉子。儘管用於轉子的這種實心鋼構造可允許較高的可實現梢速，例如，諸如超過300米/秒(m/s)的梢速，以及甚至超過500米/秒(m/s)的梢速，但鋼的導電性通常對於設計有可接受效率的相關聯的機器而言太低。克服實心鋼轉子的傳導性不足的嘗試包括將銅塗層施加到實心鋼轉子上。此構造使用銅塗層在轉子的表面處傳送感應電流，且用作轉子籠。然而，就此構造而言，轉子的外周速度限於塗層強度和/或銅塗層與鋼轉子本體之間的聯結的強度。此外，不同金屬(諸如銅和鋼)的結合以及其性質(例如，諸如熔化溫度)的差異可限制這兩種金屬可結合或聯結的方式。例如，通常在轉子應用中，銅經由爆炸焊施加到鋼轉子本體，其中銅能夠與鋼轉子本體的表面足夠近地接觸以形成焊縫。然而，對於至少某些應用，此聯結可能不足以允許鍍銅的鋼轉子實現必要的耐久度。例如，此聯結可能不足以用於馬達相對頻繁地啟動和停止和/或經歷相對較高的溫度的渦輪壓縮機應用。
技術實現要素：
本公開內容的一個方面是一種用於高速馬達的轉子軸。轉子軸包括軸本體和塗層。軸本體構造成用於在高速馬達的操作期間旋轉移位，且由鋼材料構造。塗層固定到軸本體的外表面的至少一部分。此外，塗層為合金材料，其構造成傳送感應的電流以用於軸本體的旋轉移位。此外，塗層的合金材料和軸本體的鋼材料為不同材料。
本公開內容的另一個方面為一種用於製造用於高速馬達的轉子軸本體的方法。該方法包括由鋼材料形成轉子本體坯料。此外，合金材料(其為不同於轉子坯料的鋼材料的材料)在包覆操作之前被固溶熱處理。固溶處理的合金材料固定到轉子本體坯料的至少一部分以提供塗層。此外，塗層可經歷隨後的熱處理，例如，諸如時效硬化。此外，將轉子本體坯料和塗層機加工以形成構造成用於在高速馬達中操作的轉子軸。
附圖說明
圖1為根據本公開內容的實施例的至少部分地塗布有不同金屬材料的渦輪壓縮機的轉子軸本體的截面視圖。
圖2為根據本公開內容的實施例的具有不同材料的塗層的轉子軸本體坯料的截面視圖。
圖3為根據本公開內容的實施例的用於製造包括銅合金塗層的實心鋼轉子軸本體的過程的流程圖。
在連同附圖閱讀時，將更好理解以上概述，以及本公開內容的某些實施例的以下詳細描述。為了說明本公開內容的目的，在附圖中示出了某些實施例。然而，應當理解的是，本公開內容不限於附圖中所示的布置和手段。
具體實施方式
圖1為根據本公開內容的實施例的包括至少部分塗布有不同材料的塗層14的軸本體12的渦輪壓縮機的轉子軸10的截面視圖。如圖所示，在所示實施例中，軸本體12分別可操作地連接到低壓壓縮機和高壓壓縮機的葉輪16a、16b上。根據所示的實施例，軸本體12具有大體上整體和/或實心的本體構造。例如，軸本體12可為鍛造、機加工和/或模製的金屬(諸如鋼)件，其提供和/或幫助獲得期望的轉子軸本體12尺寸和構造。
在圖1中所示的實施例中，塗層14可為與轉子軸本體12的金屬不同的金屬。例如，根據所示實施例，轉子軸本體12由鋼製成，而塗層14可為銅或銅合金材料，例如，諸如銅鉻(UNS No. C18200)或銅鉻鋯(UNS No. C18150)，以及其它銅合金。如本領域中的技術人員已知的其它適合的塗層材料也由本公開內容構想出。用於塗層14的材料的選擇可基於多種不同標準。例如，用於塗層14的材料可選擇成將轉子軸10的電連接特性改善至超過軸本體12的連接特性。此外，用於塗層14的材料可基於塗層14可施加到軸本體12的材料上和/或與軸本體12的材料聯結的方式選擇。此外，塗層14材料可基於塗層14的機械性質和塗層14與軸本體12之間的聯結或它們的附接的性質來選擇。
圖3為根據本公開內容的實施例的用於製造包括銅合金塗層14的轉子軸10的過程100的流程圖。在步驟110處，轉子本體坯料18(例如，如圖2中所示)由鋼材料形成。例如，此形成可包括鍛造、鑄造和/或機加工轉子本體坯料18，以獲得特定的形狀、尺寸和/或構造。例如，出於圖示的目的，圖2示出了轉子本體坯料18，其形成、車削或以其它方式銑削至大致等於軸本體12的最大直徑的直徑。
在步驟120處，用於塗層14的金屬塗層材料(例如，諸如可時效硬化的銅合金)可固溶處理，以備在聯結過程之後時效硬化。例如，根據某些實施例，待用於塗層14的銅合金可經歷固溶熱處理。因此，根據某些實施例，銅合金可經歷高溫均熱，例如，諸如經歷大約1450到1850華氏度的溫度。高溫均熱的持續時間可基於多種不同因素，例如，包括經歷固溶處理的銅合金的厚度。例如，根據某些實施例，銅合金可經歷均熱大約三分鐘到大約三小時。此外，根據某些實施例，高溫均熱可繼之以銅合金的空氣冷卻或淬火，例如，諸如銅合金在水淬中淬火。通過將塗層材料固溶處理，塗層材料可處於相對較軟的狀態，且因此具有改善的延性和可塑性特徵。還通過在將塗層材料聯結到轉子本體坯料18之前將塗層材料固溶處理，可改善塗層14與轉子本體坯料18之間的聯結的聯結性能和過程可靠性。此外，將塗層材料固溶處理且因此調整塗層材料與轉子本體坯料18的材料的相對硬度可允許聯結過程不太易於有瑕疵。例如，固溶處理過程可增大塗層材料的延性，從而改善塗層材料的塑性流動。此外，通過改善塗層材料的塑性流動，聯結過程可更一致，且容忍參數變化，例如，包括避開間隙和爆炸速度，以及其它參數，這可因此改善塗層14與轉子本體坯料18之間的聯結的可靠性。
在步驟130處，用於塗層14的金屬塗層材料在處於固溶處理狀態的同時可固定(例如，諸如聯結)到轉子本體坯料18的至少一部分，以提供如圖2中所示的塗層14。例如，根據某些實施例，銅合金塗層14可使用低溫高完整性聯結過程來聯結到轉子本體坯料18上，例如，諸如經由爆炸焊或爆炸聯結、擴散聯結或熱靜壓壓制，以及其它聯結過程。此外，固溶處理的塗層材料的改善的延性和可塑性特徵可從將塗層材料施加和/或聯結到轉子本體坯料18或期間減小在塗層材料中和/或沿塗層14與轉子本體坯料18對接處的裂縫形成的趨勢。裂縫的這種減少可改善所得塗層14和/或塗層14與轉子本體坯料18之間的聯結的整體完整性。
在步驟140處，可將轉子本體坯料18或軸本體12上的塗層14熱處理。例如，根據某些實施例，銅合金塗層14可經歷沉澱硬化或時效硬化，以便塗層14的銅合金獲得期望的強度水平、硬度和/或導電特性。步驟140處的塗層14的這種熱處理可向塗層14提供至少硬化的外部，其改善塗層14抵抗蠕變和疲勞(包括取決於溫度的蠕變)的能力。根據某些應用，例如，諸如高速馬達應用，在步驟140處使用的熱處理過程可試圖在可能不利於塗層14的延性特性的情況下獲得較高程度的塗層14強度。相反，在其它應用中，例如，諸如轉子軸10的循環負載能力可能更為重要的應用中，使用的熱處理過程可定製成獲得塗層14的提高的延性特性，而可能不利於塗層14的硬度。
例如，根據其中塗層14為銅合金(諸如銅鉻)的某些實施例，銅合金可升高至合金的固溶沉澱溫度，以便鉻沉澱析出固溶體。更具體而言，根據其中銅合金為C18200的某些實施例，銅合金可經歷大約795到935華氏度的溫度大約兩小時到四小時。然而，使用的特定熱處理過程和相關聯的過程也可考慮轉子本體坯料18的鋼的核心性質，以便所得的軸本體12的性質或機械特性不受熱處理過程不利影響。例如，塗層14的時效硬化可在試圖避免轉子軸10的鋼材料回火的溫度下發生，且從而防止或最小化時效硬化過程對轉子軸10的鋼材料的核心性質(例如，諸如鋼的強度，以及其它性質)的不利影響。
在步驟150處，具有塗層14的轉子本體坯料18可機加工成轉子軸10的尺寸、形狀和/或構造。根據某些實施例，這種機加工可除去已知施加到轉子本體坯料18上的塗層14的至少一部分，以及轉子本體坯料18的鋼材料的一部分。此外，這種機加工可在已經施加到轉子本體坯料18的塗層14被熱處理之前或之後執行，諸如在步驟140之前或之後。此外，根據其中步驟150的機加工發生在步驟140的熱處理過程之後的某些實施例，保持在軸本體12上的塗層14可經歷進一步的應力消除處理。
一方面，本公開內容包括一種用於高速馬達的轉子軸，轉子軸包括：構造成用於在高速馬達的操作期間旋轉移位的軸本體，軸本體由鋼材料構造；以及固定到軸本體的外表面的至少一部分的塗層，該塗層構造成傳送感應電流以用於軸本體的旋轉移位，塗層為合金材料，塗層的合金材料和軸本體的鋼材料為不同材料。
在細化方面中，本公開內容包括一種轉子軸，其中合金材料為銅合金；其中塗層通過低溫聯結過程固定到軸本體；其中塗層通過爆炸焊固定到軸本體；其中塗層為時效硬化的材料；其中軸本體具有整體構造；其中轉子軸構造成在大於300米/秒的梢速下操作；其中轉子軸構造成供構造成用於空氣壓縮的渦輪壓縮機使用；其中銅合金為銅鉻；且其中銅合金為銅鉻鋯。
另一方面，本公開內容包括一種用於製造用於高速馬達的轉子軸的方法，該方法包括：由鋼材料形成轉子本體坯料；將合金材料固溶處理，合金材料和轉子本體坯料的鋼材料為不同材料；將固溶處理的合金材料固定到轉子本體坯料的至少一部分以提供塗層；在塗層固定到轉子本體坯料時將塗層熱處理，熱處理過程適於使轉子本體坯料的鋼材料的核心性質的損失儘可能小；以及機加工轉子本體坯料和塗層以形成轉子軸，轉子軸構造成用於在高速馬達中操作。
在細化方面中，本公開內容包括一種用於製造用於高速馬達的轉子軸的方法，其中合金材料為銅合金；其中固定合金材料的步驟包括使用低溫焊接過程；其中固定合金材料的步驟包括使用爆炸焊以利用合金材料覆蓋轉子本體坯料的至少一部分；其中將塗層熱處理的步驟包括將塗層時效硬化；還包括使塗層應力消除的步驟；其中轉子軸製造成在大於300米/秒的梢速下操作；其中機加工轉子本體坯料和塗層的步驟包括形成供構造成用於空氣壓縮的渦輪壓縮機使用的轉子軸；其中將塗層熱處理的步驟包括提高塗層的延性；其中將塗層熱處理的步驟包括提高塗層的硬度；且其中熱處理的步驟包括提高塗層的溫度相關的抗蠕變性。
儘管參照了某些實施例描述了本公開內容，但本領域的技術人員將理解的是，在不脫離本公開內容的範圍的情況下可作出各種變化，且可替代等同方案。此外，在不脫離本公開內容的範圍的情況下可作出許多改變來使特定情形或材料適於本公開內容的教導內容。因此，意圖使本公開內容不限於公開的特定實施例，而是本公開內容將包括落入所附權利要求的範圍內的所有實施例。