技术领域
[0001] 本
发明涉及电机领域，尤其涉及具有
气体轴承的高速电机。
背景技术
[0002]
电动机通常包括转子和
定子，定子包括
支撑和容纳电定子和轴承的定子主体。轴承相对于定子主体的
位置可以由定子主体的轴承
法兰限定。通常，存在两个轴颈轴承，通常位于定子的相对的两侧，如图1a的布置所示(其中未示出定子主体)。在这种情况下，轴承对准的
精度主要由轴承法兰和定子主体加工的精度决定。对于
流体薄膜，并且特别是用于
气体轴承，精确对准是至关重要的，并且这种布置通常需要特殊的措施，例如自对准或柔性衬套安装，或加工，例如，在装配后对这对轴承进行铰孔。或者，轴颈轴承可以布置在定子的同一侧。这种布置通常称为悬垂电机设计(图1b)。通过悬垂设计，两个轴颈轴承可以集成为单个零件，从而更容易实现精确的轴承对齐。然而，这种方法通常导致更长的转子并因此导致转子的更至关重要的动态行为。此外，由
空气阻力引起的
风阻损失增加，对整体电动机效率产生负面影响。
[0003] US 3'502'920公开了一种具有气隙轴承的开槽电机，其中衬套位于定子和转子之间的磁隙中。衬套可以相对于定子弹性悬挂。它一方面限定了
径向轴承并且可以包括位于中心的
推力轴承或止推
块作为轴向轴承。为了组装机器，转子需要在轴向上分开。这种设计不适合高速电机。
[0004] WO 03/019753 A2示出了一种
主轴电动机，其中转子在定子内在薄的环
氧树脂层内旋转，该
环氧树脂层形成定子中的圆柱形通孔，并用作限定径向支承表面和轴向支承表面。薄的环氧树脂层直接耦合到定子壳体，并且壳体的任何热致
变形将立即影响轴承的几何形状。
[0005] US 2006/0061222 A1和US 2006/0186750 A1示出了传统的
空气轴承。
[0006] US2010/0019589A1公开了一种电机的槽配置，尤其是具有多层
纤维增强复合套筒
包装的转子。层可以是装饰品或具有功能特征，例如，用于实现强度和刚性并控制一个或多个方向上的
热膨胀。这可以通过使特定层中的纤维轴向取向来完成，从而提供轴向强度和限制轴向热膨胀。在另一层中，纤维可以沿周向取向，从而提供圆周强度并限制径向热膨胀。因此，这些层配置为加强转子。它们不适合承载气体轴承所需的相对硬的材料的外套筒，因为它们的目的是控制(即限制)转子的热膨胀，而不是吸收硬转子芯和硬转子套筒之间的热膨胀差异。
[0007] 需要一种适用于高速应用并且至少部分地克服上述缺点的电机。
[0008] 主要采用气体轴承，轴承元件的材料选择具有高刚性和低
热膨胀系数，以确保在电机的各种操作和环境条件下明确限定的轴承间隙。然而，材料的高刚性还导致材料在已经很低的应变下具有高
应力的缺点，例如当将这些材料与具有较高热膨胀系数的其他材料组合时。
[0009] 需要一种适用于高速电机的转子，其至少部分地克服上述缺点。
[0010] 因此，本发明的一个目的是提供一种最初提及类型的电机，其克服了上述缺点。这些目的通过根据相应
权利要求的电机实现。
[0011] 因此，本发明的一个目的是提供一种用于最初提及类型的高速电机的转子，其克服了上述缺点。这些目的通过根据相应的权利要求的转子实现。
发明内容
[0012] 根据本发明的第一方面，电机包括定子和转子，定子具有支撑电定子的定子主体。转子借助轴承支撑，轴承包括形成径向气体轴承的径向轴承段和形成轴向气体轴承的轴向轴承段，这些轴承段的定子侧部分是定子侧径向轴承部分和定子侧轴向轴承部分，它们彼此刚性连接并一起形成定子轴承结构体。
[0013] 其中，定子轴承结构体通过以下安装到定子的其他部件上
[0014] ·定子侧径向轴承部分刚性地安装在这些其他部件上，并且定子侧轴向轴承部分通过弹性支撑件连接到这些其他部件或者根本不连接到这些其他部件；
[0015] ·或者定子侧轴向轴承部分刚性地安装到这些其他部件上，并且定子侧径向轴承部分通过弹性支撑件连接到这些其他部件或者根本不连接到这些其他部件。
[0016] 因此，上述“其他部件”可以是定子主体本身或包括电定子和承载件的组件，其中组件由定子主体弹性支撑。
[0017] 这里和整个文件中，使用术语“刚性”和“固定”与“弹性”相对。弹性连接具有的
弹簧刚度或
杨氏模量比刚性连接中的弹簧刚度或杨氏模量至少大100或10,000或1,000,000倍。
[0018] 刚性连接是这样设计的连接，使得连接部件在机器的正常操作期间不会相对于彼此移动。因此，可以通过将部件拧在一起或通过用弹簧将它们彼此压紧来建立刚性连接。在这种情况下，弹簧不是刚性连接的一部分，但是提供保持连接刚性的力。
[0019] 弹性支撑件可以是O形环，通常是(合成)
橡胶或金属弹簧。
[0020] 气体轴承的气体可以是机器在其下操作的任何气体，例如空气，冷却剂，
天然气等。气体轴承可以是被动或主动气体轴承。
[0021] 在
实施例中，定子轴承结构体在电机的轴向方向上从第一端延伸到第二端，并且定子轴承结构体在靠近两端中的一端由定子的其他部分刚性支撑并且在靠近另一端被弹性支撑或根本不支撑。
[0022] 在实施例中，定子轴承结构体在一端附近以固定方式附接到定子主体，特别是定子侧轴向轴承部分是刚性地安装或附接到定子主体的轴向轴承组件。
[0023] 在实施例中，定子侧径向轴承部分是衬套，其刚性地安装到定子主体或承载电定子的承载件。
[0024] 径向轴承部分在机器的轴向方向上贯穿电定子的整个长度延伸。它可以是包括轴承元件的单个部件。
[0025] 因此，通过使衬套与轴颈轴承布置在电定子内，从而允许短转子设计，可以避免长转子的缺点。轴颈轴承可以集成到单个零件中，因此与不同零件上的轴颈轴承相比，可以更容易地实现精确对准。
[0026] 端对端轴颈轴承衬套部分可以增加电动机的磁气隙，并因此对电动机效率具有负面影响。虽然端到端衬套概念可用于各种类型的机器类型，但无槽永磁电机类型对于这种轴承概念是有利的：由于无槽型永磁电机中已经具有相对大的磁气隙，效率未受严重影响。
[0027] 衬套可以由陶瓷材料或其他材料制成，其提供足够的机械刚度并且不影响磁气隙中的
磁场。陶瓷材料的优点在于它们既适用于气体轴承又可以布置在磁气隙中，在那里它们被
扭矩产生磁场穿透。通常，可以使用电绝缘体或具有低导热率的材料，例如陶瓷、玻璃陶瓷或技术玻璃、塑料、
复合材料、矿物材料等，以避免由交变磁气隙场引起的过度
涡流损耗。
[0028] 在实施例中，电机是无槽型的。换句话说，电定子包括气隙绕组而不是带槽绕组。这是有利的，因为它允许磁气隙，其可以容纳空气轴承的元件，例如衬套，而没有明显的缺点。
[0029] 在实施例中，径向轴承段在旋
转轴的纵向方向上延伸，并且径向轴承段的所有轴承元件和配合的转子支承表面位于电定子和转子之间的磁隙之外。
[0030] 在实施例中，径向轴承段在
旋转轴的纵向方向上延伸，并且整个径向轴承段位于电定子和转子之间的磁隙中。
[0031] 在实施例中，径向轴承段在旋转轴的纵向方向上延伸，并且径向轴承段的至少一个轴承元件和配合的转子支承表面位于电定子和转子之间的磁隙中。
[0032] 在实施例中，径向轴承段在旋转轴的纵向方向上延伸，并且径向轴承段的至少四分之一，或至少一半，或至少四分之三位于电定子和转子之间的磁隙中。
[0033] 推力轴承或轴向轴承通常包括转子中的转子盘，以及在转子盘的每一侧(沿轴向方向看)的在定子上的相邻定子盘。两个定子盘通过
垫片或间隔元件间隔开，使得在推力轴承的旋转部分和静止部分之间形成明确限定的间隙。定子盘、间隔件和连接元件一起形成轴向轴承组件。
[0034] 在实施例中，轴向轴承组件的定子盘和衬套各包括作为轴向参照表面的轴向面对的表面，并且两个轴向参照表面彼此相对布置。因此，它们确保旋转轴垂直于轴向轴承组件的支承表面。
[0035] 在实施例中，轴向轴承组件的定子盘和衬套被制造为单件或单部件。
[0036] 在实施例中，彼此相对布置的定子盘和衬套通过弹性元件彼此压靠。弹性元件可以作为轴向补偿元件，其可以是金属弹簧或合成部件，例如O形环。
[0037] 结果，在组装期间，定子盘与衬套之间的相对轴向位置和
角度由参考表面很好地限定，而径向方向上的相对位置未被限定。这允许在没有可能导致部件变形的机械约束的情况下组装部件。组装后，通过相互压靠，部件刚性连接。
[0038] 为了轴颈和推力轴承的最佳
正交性，衬套部件上的连接表面被精确地制造为正交于轴颈轴承旋转轴，并且定子推力盘面高度平行地制造。轴向轴承止推盘与推力轴承垫片或间隔件一起可以刚性地安装在定子主体上，例如，借助螺丝。在定子主体和轴颈轴承衬套部件之间使用弹簧元件(其可以简单地是O形环)，衬套与轴向轴承盘/垫片堆叠或轴向轴承组件正交地自对准。这种安装概念是明确定义的，即不超定。因此，定子主体或其部分可在宽范围内热变形而不会影响轴承系统的对准或变形。
[0039] 在实施例中，两个定子盘和布置在两个定子盘之间的间隔元件通过弹性元件彼此压靠。该弹性元件可以与将定子盘压靠在衬套上的弹性元件相同。还可以有两个弹性元件，用于将两个定子盘、间隔元件和衬套彼此压靠。这允许更简单的组装，并且因为系统不是静态超定的，所以在轴向对准方面具有更好的精度。
[0040] 在实施例中，定子轴承结构体在其未被刚性地安装的端部处借助第一弹性支撑件被支撑。
[0041] 在衬套的另一端上的这种额外的弹性支撑允许补偿定子部件的可能变形并改善振动特性。
[0042] 在实施例中，定子轴承结构体在第一弹性支撑件的位置处或附近热耦合到定子主体。
[0043] 衬套与定子的这种热耦合可以通过使用O形环作为柔性支撑元件并且用于密封布置在O形环之间的导热膏剂或流体来实现。根据其
粘度，膏剂或流体可以具有阻尼效果，如在
挤压膜阻尼器中那样。
[0044] 在实施例中，支撑电定子的承载件借助于弹性承载件支撑元件与定子主体机械地解耦。这允许抑制或消除电定子和定子主体之间的振动传递。
[0045] 根据本发明的第二方面，其原理上独立于第一方面但可以结合第一方面实现，提供了一种用于高速电机的转子。转子包括转子轴杆，轴杆包括转子芯和转子套筒，(基本上圆柱形的)补偿元件布置在转子芯和转子套筒之间，以吸收转子芯和转子套筒的热膨胀差异。
[0046] 在实施例中，转子套筒(旋转支承表面也位于其上)由陶瓷材料制成，通常具有低的热膨胀系数。对于永磁电机，
永磁体可以安装在陶瓷转子套筒中。通常，永磁材料具有比目标转子套筒材料更高的热膨胀系数，因此当直接安装或用刚性
粘合剂胶合时在陶瓷材料中产生热致应力。
[0047] 例如，钐-钴磁体的热膨胀系数(CTE)为9至13μm/m/K，钕-
铁-
硼磁体的热膨胀系数为-1至8μm/m/K。两种材料都是
各向异性的，但补偿元件也吸收相应的应变。转子套筒的典型陶瓷材料的CTE约为1.5至5μm/m/K。
[0048] 在高转速下，由
离心力引起的进一步应力
叠加在热致应力上。
[0049] 术语“高速电机”用于涵盖适合每分钟超过100'000转的机器。
[0050] 通常，对于所有实施例，情况可以是转子套筒比补偿元件更硬。转子套筒关于径向压力可以比补偿元件更硬，并且特别是其中转子套筒关于径向压力的径向膨胀至少小于补偿元件关于相同的径向压力的径向压缩的一半，或小于五分之一，或小于十分之一。在组装状态下，作用在补偿元件和转子套筒之间的径向压力用作补偿元件上的压缩压力和转子套筒上的膨胀压力。
[0051] 对于热不敏感的电机设计或具有类似热膨胀系数的永磁体和陶瓷转子套筒，永磁体可以紧密配合安装到陶瓷套筒中或与陶瓷套筒粘合在一起。然后，磁体的热应变直接传递到陶瓷套筒，从而限制了最高
工作温度和最高速度。在热更关键的设计和/或更高的速度下，需要两个部件的机械解耦。
[0052] 转子芯可以包括安装在护套中的永磁体，以便改善其机械
稳定性。在其他实施例中，磁芯包括自支撑的永磁体，因为它不需要护套来保持其稳定性。理想地，护套应该是具有与永磁体相似的CTE但具有更高机械稳定性或韧性的材料。
[0053] 在实施例中，补偿元件包括补偿部件，该补偿部件设置成当转子由于温度变化而膨胀或收缩时变形，特别是屈服或弯曲。
[0054] 该补偿元件或补偿器可以是金属套筒(例如由
钛制成)，其具有比在转子芯(具有或不具有护套的永磁体)和转子套筒之间布置的陶瓷材料高得多的弹性。补偿器设计用于吸收转子芯和陶瓷转子套筒之间的热致应变，从而减小陶瓷材料中的应力。补偿器至少在其轴向端部的区域处
接触转子芯，并且在其他区域中在转子芯和陶瓷套筒之间建立气隙。在这些区域中，允许转子芯和补偿器收缩和膨胀而不会对陶瓷套筒产生影响。在转子芯的轴向端部处，与陶瓷套筒的连接可以在以下两者之间具有明确限定的距离
[0055] -将转子芯连接到补偿器的接触区域，和
[0056] -将补偿器连接到陶瓷套筒的接触区域，
[0057] 沿着它释放引发的应变。
[0058] 在一个实施例中，当不需要转子芯的预加载时，即当转子芯或仅构成转子芯的永磁体是自支撑的时，则补偿器可包括转子芯和陶瓷套筒或补偿元件的支撑区段之间的额外支撑点。这可以改善转子的动态特性。通过在这些支撑点之间的明确限定的轴向距离(沿着该轴向距离可以减轻引发的应变)，补偿器使陶瓷套筒与朝向磁体的气隙接触，使得磁体可以自由收缩和膨胀，而不会对陶瓷套筒产生明显的影响。
[0059] 因此，在实施例中，补偿元件包括仅与转子芯而不与转子套筒接触的第一段，以及仅与转子套筒而不与转子芯接触的第二段，以及连接第一和第二段的补偿段。
[0060] 第二段可以包括在补偿元件的端部处的至少一个凸缘，补偿元件在该凸缘处具有扩大的直径。在另一端可以有另一个凸缘。在剩余的第一段中，补偿元件可以与转子芯形成紧密配合。补偿元件可以是金属和/或具有与转子芯至少大致相同的CTE。
[0061] 在实施例中，第二段包括位于补偿元件的端部处的第二段之间的一个或多个位置处的一个或多个支撑区段。
[0062] 在实施例中，第二段包括多个单独的支撑区段。单独的支撑区段由中空空间隔开，所述中空空间可包括空气、气体或比支撑区段更可压缩的另一物质。单独的支撑区段可以沿转子芯的长度和绕其圆周分布。单独的支撑区段可以是环状的，围绕转子芯的圆周延伸，或者是线性的，平行于轴延伸，或者以螺旋形图案沿着转子芯延伸。单独的支撑区段可以是点状的，支撑区段在轴和圆周方向上彼此远离开。
[0063] 在实施例中，对于补偿段中的每个点，径向方向上的线在到达转子套筒之前穿过中空空间并且还在到达转子芯之前穿过中空空间。由此，补偿段可以用作杠杆(当在纵向和/或横向横截面中看时)，当吸收转子芯和转子套筒的热膨胀差异时弹性弯曲。
[0064] 在实施例中，补偿段沿转子的轴向和转子的圆周方向中的至少一个延伸。这允许它们在径向方向上弯曲或屈服。
[0065] 补偿元件附接到转子套筒的那些第二段优选地集中在沿轴向方向看到的一个区域中。以这种方式，在剩余的第二段处的转子套筒和补偿元件在轴向方向上相对于彼此自由滑动。例如，如果存在两个凸缘，每个凸缘在转子的两个端部中的一个处，则套筒附接到一个凸缘并且在轴向方向上在另一个凸缘上以及在任何可选的剩余第二段上自由滑动。
[0066] 对于补偿元件和转子芯接触的第一段，可以实现附接部分和未附接部分的相同类型的分布。
[0067] 在实施例中，补偿元件配置为在轴向方向上伸长，从而将其外径从大于转子套筒的内径减小到小于转子套筒的内径。这允许转子套筒围绕补偿元件组装。这允许通过包括以下步骤的方法组装轴杆：
[0068] -将补偿元件滑到转子芯上；
[0069] -施加力以使补偿元件沿轴向伸长，从而减小其外径，直到外径小于转子套筒的内径；
[0070] -将转子套筒滑到补偿元件上；
[0071] -减小使补偿元件伸长的力，从而增加补偿元件的外径，使得其推压转子套筒的内表面，从而使转子套筒
定心在补偿元件上。
[0072] 最后一步还在补偿元件和转子套筒之间建立了力配合。
[0073] 用于伸长补偿元件的力可以通过不是转子或轴杆的一部分并且在组装之后被移除的装置来施加。或者，可以由在转子或轴杆运行时作为转子或轴杆的一部分的元件来施加力并且可选地进行控制。
[0074] 在实施例中，补偿元件具有波纹圆柱的形状。
[0075] 在实施例中，在补偿元件和转子芯之间，和/或在补偿元件和转子套筒之间形成中空空间，并且可选地，中空空间通过
通风口通风，通风口例如是补偿元件中的通孔。
[0076] 这确保了当电动机在具有爆炸性气体的环境中使用时，可以在电动机投入运行之前冲
洗出空气(含氧并且在电动机运行期间与爆炸性气体混合时存在风险)。
[0077] 对于高转速，还可以将转子芯和补偿器之间的接触实现为收缩配合。这允许预加载转子芯材料并补偿由离心力引起的转子芯中的应力。
[0078] 代替使用补偿套筒形式的补偿器来减轻引发的应变，可以使用耐受应变的粘合剂或模制材料。转子芯和陶瓷套筒之间的间隙填充有补偿磁体和陶瓷套筒的不同应变的材料。选择粘合剂或模塑材料的弹性足够低以产生转子芯和陶瓷套筒的应变差异，但仍然足够高以防止转子芯和陶瓷套筒之间的机械共振，这可能被转动
频率激发。补偿材料可以是
硅树脂。
[0079] 关于杨氏模量、可实现的操作温度和耐久性，填充的硅树脂模具是用作补偿材料的合适材料，其用作磁体和陶瓷套筒之间的
缓冲器。
[0080] 因此，在实施例中，补偿元件包括合成弹性补偿材料，并且特别地，补偿材料可包括用于调节其杨氏模量的填充材料。
[0081] 然而，硅树脂具有几乎不可压缩的缺点(即它们的泊松比接近0.5)。因此，当硅树脂在较高温度下膨胀时，在磁体和陶瓷套筒之间的硅树脂中产生高压。可以采取不同的措施来避免这个问题：
[0082] 一种方法是在硅树脂中包含气泡，这使得化合物产生更可压缩的性能。所得的(填充的)硅树脂
泡沫可含有小于1％或小于10％或小于30％的气泡。然而，太高的气体含量会降低化合物的总
弹性模量，从而损害转子动力学。制造这种转子的优选方法是使用填充的硅树脂模具与发泡添加剂一起来控制所得化合物中的气体含量，将磁
体模制到陶瓷套筒中。另一种方法是首先用硅树脂涂覆磁体，然后将其收缩或压入陶瓷套筒中。
[0083] 代替微小的气泡，可以通过包含1％至50％的空的空间的
图案化或结构化硅层来解决陶瓷转子套筒中的低压缩性和高应力的问题。作为一个例子，硅层可以包含轴向、环形或螺旋形凹槽，圆形切口或涂有线、圆或任意形状的点。当磁体和硅层在较高温度下膨胀时，允许硅树脂膨胀到附近的凹槽中，而不是建立针对陶瓷套筒的压力并产生
拉伸应力。图案宽度与层厚度的比率在5：1至20：1的范围内。厚度通常为1/10mm至5/10mm。优选地，首先将硅树脂层/结构带到永磁体上，然后将涂有硅树脂的磁体收缩或压入陶瓷套筒中。
[0084] 另一种选择是首先在永磁体上施加(填充的)硅树脂涂层，然后使涂层表面粗糙，以带来一些空的空间，而允许材料在升高的温度下膨胀。
[0085] 因此，在实施例中，在转子芯和转子套筒之间，并且与补偿材料相邻或被补偿材料包围，存在
气穴，增加了补偿材料的可压缩性。
[0086] 这样的气穴可以通过以下措施中的一种或多种形成：
[0087] ·通过补偿材料内的气泡，或
[0088] ·通过补偿材料的内表面和/或外表面中的凹槽，或
[0089] ·通过粗糙化补偿材料的内表面和/或外表面，或
[0090] ·通过将补偿材料布置在转子芯和转子套筒之间的不相交位置。
[0091] 在实施例中，气泡由可膨胀的中空微球，特别是热塑性可膨胀的中空微球形成。这些可以是可热膨胀的。
[0092] 在实施例中，微球在膨胀时的标称直径大于转子芯和转子套筒之间的标称距离。换句话说，该标称直径大于转子芯的外半径和转子套筒的内半径之间的差。转子套筒可以通过以下步骤组装在转子芯上
[0093] ·将转子芯布置在转子套筒内；
[0094] ·用包含微球的补偿材料填充它们之间的间隙；和
[0095] ·使微球膨胀(例如通
过热活化)至其标称直径。
[0096] 最后一步使转子套筒在转子芯上居中，因为所有微球膨胀到相同的标称直径，至少平均地。
[0097] 在其他实施例中，可膨胀空心微球在膨胀时具有标称直径，其小于上述标称距离。从而，特定的微球不会碰到转子芯和套筒。
[0098] 在实施例中，补偿元件包括弹性材料的补偿球，其布置在转子芯和转子套筒之间并由此在其间弹性变形。转子套筒可以通过以下步骤组装在转子芯上
[0099] ·将转子芯滑入转子套筒内，同时将补偿球插入它们之间的间隙中；和[0100] ·从而弹性压缩补偿球。
[0101] 这使得转子套筒在转子芯上居中，假设所有补偿球具有相同的直径，至少平均地。
[0102] 在实施例中，补偿元件包括多个弹性元件，所述弹性元件附接到转子芯并且可通过在具有弹性元件的转子芯上滑动转子套筒而使弹性元件变形，从而使转子套筒相对于转子芯对准并居中。
[0103] 从从属的
专利权利要求中可以明显看出其他实施例。
附图说明
[0104] 下面将参照附图中示出的示例性实施例更详细地解释本发明的主题，附图示出：
[0105] 图1a-b是具有气体轴承的
现有技术机器的纵向剖视图；
[0106] 图2a-c是电机的第一实施例，具有变型；
[0107] 图3是第一实施例的衬套一端的另一种弹性悬架；
[0108] 图4是电机的第二实施例；
[0109] 图5是具有补偿材料层的转子的局部纵向剖视图；
[0110] 图6a-7g是第一组实施例的转子的局部纵向剖视图；
[0111] 图7h是第一组的转子的横截面；
[0112] 图8是具有补偿材料层的转子的局部纵向剖视图；
[0113] 图9-13是具有结构化应力消除粘合剂或填充材料的转子；
[0114] 图14a-b是具有可控补偿元件的转子。
[0115] 原则上，相同的部件或具有类似功能的部件在图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
[0116] 图1a示意性地示出了具有空气或气体轴承的现有技术电机。其中，定子主体(未示出)承载带有线圈31和芯32的电定子3，并且还承载轴向轴承段12和径向轴承段17，其中具有轴杆51和永磁体52的转子5被安排为旋转。构成径向轴承段17的各个轴承元件19布置在机器的相对端，电定子3位于其间。图1a示出了现有技术悬垂布置中的相同元件，其中各个轴承元件19布置在机器的同一端，两者都位于电定子3的同一侧。
[0117] 在此以及在其他布置中，由作为电动机操作的电机驱动的风扇6被示出为用于机器的应用的一个示例。自然地，任何其他终端设备，特别是需要高速
驱动器的终端设备可以布置成由电机驱动。
[0118] 图2a示意性地示出了第一实施例，其具有已经提到的元件，但是以不同的布置。此外，示出了定子1，其包括定子主体25，定子主体25借助于诸如O形环的弹性承载件支撑件41弹性地支撑承载件4。弹性承载件支撑件41用于在热变形方面使定子主体25和承载件4解耦。或者，承载件4可以刚性地附接到定子主体25，或者两者可以是同一个部件。承载件4承载电定子3。定子主体25可以是机器的壳体或仅是机器壳体的一部分。
[0119] 与转子相对地安装在定子上的轴向轴承段12和径向轴承段17的部分形成定子轴承结构体。该定子轴承结构体包括轴向轴承段12和径向轴承段17的定子侧支承表面，并限定这些表面的相对位置。定子轴承结构体本身设计为刚性的，并且可以容易且可靠地加工和组装至高精度。
[0120] 转子的部分上的轴向轴承段12或推力轴承段包括大致盘状的止推板或转子盘54，其从转子5的一端附近的轴杆51的外周表面向
外延伸。转子盘54具有两个相对的轴向面对的表面，其与两个定子盘14配合，转子盘54布置成在两个定子盘14之间旋转，形成轴向轴承。
[0121] 定子的部分上的轴向轴承段12包括这些定子盘14，它们是轴向轴承组件11的一部分，轴向轴承组件11还包括间隔元件15，通常是
垫圈，其限定彼此面对的定子盘14的轴向面对的表面之间的距离，并且
紧固件16将定子盘14和间隔元件15夹在一起。相同的紧固件16也可以将轴向轴承组件11附接到定子主体25。
[0122] 转子的部分上的径向轴承段17或轴颈轴承段包括轴杆51的外周表面的至少一部分。该部分用作转子支承表面53，其与衬套18的轴承元件19配合形成径向轴承。
[0123] 定子的部分上的径向轴承段17包括该衬套18。
[0124] 为了使由径向轴承段17的衬套的轴承元件19的支承表面限定的旋转轴与轴向轴承段12的支承表面正交，只需要一对表面以高精度加工并彼此抵靠安装：这些是轴向参考表面13，其位于定子盘14的内部一个上并且位于衬套18的轴向面对的表面上。这些轴向参考表面13被加工以在轴向轴承段12的轴向面对的支承表面和旋转轴之间限定直角。
[0125] 一个(内)定子盘14的轴向参考表面13和衬套18可以通过各种紧固方式，包括另外的紧固元件或
焊接、胶合等彼此附接。或者，如图2所示，它们可以彼此相对布置，没有直接附接，而是通过轴向补偿元件20(例如板簧(锥形
弹簧垫圈)或弹簧垫圈或O形环)彼此压靠，该轴向补偿元件20在远离定子主体25的轴向方向上并且抵靠定子盘14，布置成按压衬套18，特别是衬套的肩部或凸缘。定子盘14继而通过紧固件16以固定方式保持抵靠定子主体
25。
[0126] 或者，如图2b所示，定子盘14和间隔元件15可以借助安装盘14a和板簧14b(或用作弹簧元件的O形环)夹在一起。板簧14b将定子盘14夹紧在定子主体25上，并且还必须补偿轴向补偿元件20的夹紧力。因此，板簧14b必须比轴向补偿元件20更多地预加载并因此通常更大且更硬。
[0127] 另一种替代方案如图2c所示。定子盘14、间隔元件15和衬套18的肩部夹紧在定子主体25上。为了针对于定子盘14相对于衬套18可能倾斜的稳健性，板簧14b接触(外部)定子盘14的直径可以小于衬套18的外径，特别是衬套18的与另一个(内部)定子盘14邻接的肩部的外径。
[0128] 在其另一端，相对于轴向轴承段12，衬套18借助第一弹性支撑件21(例如O形环)由定子主体25支撑。这抑制了可能在衬套18的本应是自由端处产生的机械振荡。衬套18和定子主体25之间的间隙可以用导热填料23填充。这允许从衬套18向定子主体25
散热。
[0129] 在图2的实施例中，第一弹性支撑件21和导电填充物23布置在衬套18的外周表面的外侧。图3示意性地示出了这些元件的替代布置：这里定子主体25包括或承载端部件24。端部件24突出到衬套18的内部。至少一个第一弹性支撑件21和可选的导电填充物23布置在衬套18的内侧上，位于衬套18和端部件24之间。
[0130] 图4示意性地示出了第二实施例，其具有已经提到的元件，但是具有不同的布置。轴向轴承组件11和衬套18再次在轴向参考表面13处接触。然而，在这种情况下，不是轴向轴承组件11而是衬套18以固定方式附接到定子主体25。轴向轴承组件11可以借助可选的第二弹性支撑件22(例如O形环)链接到定子主体25。可选地，导热填料23布置在第二弹性支撑件
22之间的间隙中。如果衬套18和轴向轴承组件11未通过其他手段连接，则轴向补偿元件20，例如板簧，可以布置成将衬套18在轴向方向上远离轴向轴承组件11的突出部11a压靠定子盘14。或者，图2c的布置可以与图4的其余元件组合实施。
[0131] 图4的实施例可以与如图2所示的由弹性承载件支撑件41支撑的、用于电定子3的承载件4组合实施。在这种情况下，衬套18可以刚性地附接到定子主体25，承载件4和电定子3保持相对于衬套18可移动，或者衬套18可以刚性地附接到承载件4，从而相对于电定子3处于固
定位置。
[0132] 在两种情况下，即衬套18附接到定子主体25或电定子3，衬套18可以借助将其嵌入，特别是用导热模制材料来安装，以获得改进的与定子的热耦合。
[0133] 对于图2和图4的实施例，以下成立：
[0134] 衬套18位于将电定子3和转子5分开的磁(空气)间隙内。此外，径向轴承段17的轴承元件19和配合的转子支承表面53完全或大部分位于该体积中，其中，
驱动电机的磁通量通过该体积。
[0135] 轴承气隙7位于衬套18和转子5之间。它在轴承元件19和配合的转子支承表面53的位置处最窄，并且在轴向方向上的其他位置处可以更宽，以减小摩擦损失。
[0136] 衬套18相对于轴向轴承组件11的位置仅由一个机械链接刚性地约束。该链接由衬套18上的轴向参考表面13和定子盘14中的一个限定。在组装期间，这些表面可以在彼此上滑动。之后，它们通过轴向补偿元件轴向补偿元件20压在一起并且基本上刚性地连接。衬套18和轴向轴承组件11之间的仅仅其他机械链接-通过定子主体25-是弹性的或弹回性的，因为它们是这样运行
[0137] -通过轴向补偿元件20和可选的第一弹性支撑件21(图2和3)。
[0138] -通过可选的第二弹性支撑件22(图4)
[0139] 以这种方式，这些部件的相对位置，特别是衬套18相对于定子盘14的相对位置，不是超定的。因此，通过轴向参考表面13的精确加工，轴向和径向轴承段的对准精度易于实现，并且可以在
热应力和机械应力下保持。
[0140] 换句话说，轴向轴承组件11和衬套18-一起形成定子轴承结构体-并且转子5可以是一个或多个运动环的一部分，其中每个环包括至少一个弹性元件。相反，轴向轴承组件11和衬套18不是过约束环或布置的一部分。
[0141] 此外，衬套18的位置以及因此旋转轴通过不多于一个机械链接以固定方式由定子主体25的位置限制，即
[0142] ·通过轴向轴承组件11到定子主体25的附接(图2和3)。
[0143] ·通过衬套18到定子主体25的附接(图4)。
[0144] 图5示意性地示出了根据现有技术的转子5的局部纵向截面。转子5包括位于转子套筒56内的转子芯55。
[0145] 图6a至6c示意性地示出了借助补偿元件57使转子芯55与转子套筒56机械弹性解耦的实施例。补偿元件57吸收热膨胀差异并允许将具有相对低热膨胀系数(CTE)的转子套筒56与具有相对高CTE的转子芯55组合。
[0146] 补偿元件57可以由诸如钛或钛
合金的金属、
钢、镍合金制成。或者，它可以由合成材料，例如PEEK(聚醚醚
酮)、PAI(聚酰胺-酰亚胺，例如商标为Torlon)等制成。
[0147] 补偿元件57包括仅与转子芯55而不与转子套筒56接触的第一段61，以及仅与转子套筒56而不与转子芯55接触的第二段62，以及连接第一段和第二段的补偿段63。通常，在第一段61和/或第二段62处存在紧密配合或压配合。可选地或另外地，它们可以是胶合的。中空空间64位于转子套筒56和补偿元件57之间。中空空间64由通风口60通风。
[0148] 在图6a和6b的实施例中，第二段62是在补偿元件57的两端处的凸缘，其中补偿元件57具有相对于第一段61的扩大直径。图6a的实施例可以由形成工艺制造。图6b的实施例可以通过机加工或切割工艺制造。在图6c的实施例中，包括第二段62的补偿元件57具有基本上圆柱形的形状，而没有具有扩大直径的凸缘。相反，在补偿元件57的两端处的转子套筒56具有向内突出的元件，其与第二段62接触。在没有这种突出元件的位置处，中空空间64布置在转子芯55和转子套筒56之间。
[0149] 图7a至7g示意性地示出了具有形成转子套筒56的支撑区段的第二段的实施例。这种支撑区段可以设置在图6a至6c的布置之一中的一个或多个位置处，或者转子套筒56不在其端部被支撑的实施例。
[0150] -支撑区段可以实现为在补偿元件57中成形的多个单独的凸起或隆起，或者实现为沿转子芯55的至少一部分延伸的一个或多个突出肋(图7a)。
[0151] -支撑区段可以通过补偿元件57的向外突出的元件(图7b)和/或转子套筒56的向内突出的元件(图7c和7d)建立与转子套筒56和补偿元件57之间的中空空间64对应的距离。
[0152] -支撑区段可以通过转子芯55中的空腔(图7c)和/或补偿元件57中的空腔(图7d)建立与补偿元件57和转子芯55之间的中空空间64对应的距离。
[0153] 尽管图7b至7d示出了在转子套筒56和补偿元件57之间具有凸起的支撑区段以及在补偿元件57和转子芯55之间的空腔，但是其他实施例在转子套筒56和补偿元件57之间具有空腔，并且在补偿元件57和转子芯55之间具有凸起。
[0154] 图7e至7h示意性地示出了这样的布置，其中补偿元件57包括布置在转子芯55和转子套筒56之间的若干单独部件或补偿部件57a。这些单独的补偿部件57a中的每一个可对应于一个支撑区段。图7e至7g的补偿部件57a可以通过模制(特别是注塑)来制造。它们可以由合成材料或金属材料制造。补偿部件57a可以是环形的，即围绕转子芯55以圆形方式延伸。它们可以分开模制然后滑动到转子芯55上，或者它们可以在转子芯55上模制就位。这可以导致补偿部件57a受到应力。这种应力可以通过在补偿部件57a的内部它们接触转子芯55处结合例如由金属(特别是钛或钢)制成的加强环65来减轻。这在图7f中示出。
[0155] 图7e示出了环形补偿部件57a，其可以用没有底切的简单的两件式模具制造，模具在轴向方向上移动以在模制之后移除部件。如在纵向截面中所见，环形在轴向方向上延伸，其外径从第一段61到第二段62单调地增加，并且外径也从第一段61到第二段62单调地增加。
[0156] 图7g示出了具有Y形横截面的补偿部件57a。X形补偿部件57a也是可能的。图7h示出了沿轴向观察的单独的补偿部件57a。补偿部件57a在圆周方向上彼此邻接。因此，它们可以在转子芯55上提供转子套筒56的良好定心。补偿部件57a可以通过挤压或(注射)模制来制造。补偿部件57a可以沿轴向延伸，即图7h的横截面在沿轴的不同点处保持不变。或者，补偿部件57a可以以螺旋配置布置。在未示出的其他实施例中，补偿部件57a不是分开的，而是制造为单件。
[0157] 在未示出的另外的实施例中，凸起和空腔布置在转子套筒56和/或转子芯55和/或补偿元件57上并沿轴向延伸，类似于图7b至7d的实施例，其中它们是沿圆周方向运行的。
[0158] 在对应于图6a至6c和7a至7h的每个实施例中，肋或补偿部件57a或通常支撑区段可以彼此分开，和/或沿线性或圆形或螺旋轨迹在一个方向上延伸。在每种情况下，中空空间64位于补偿元件57和转子芯55之间和/或补偿元件57和转子套筒56之间。在每种情况下，通风口通风口60(在每种情况下未绘制)也可以存在。
[0159] 对于包括图6a至6c和7a至7h的特征的所有实施例，是转子芯55和转子套筒56径向解耦的情况。换句话说，穿过转子芯55和转子套筒56的径向方向上的每条线在转子芯55和转子套筒56之间穿过中空空间64至少一次。
[0160] 图7a还示意性地示出了可选的变型，其中转子芯55不仅包括永磁体，而且包括布置在护套59中的永磁体52，以便在高速下保持机械稳定性。该变型可以与其他附图的实施例组合。
[0161] 图8示意性地示出了借助于补偿材料58的层的解耦。这可以是粘合剂或填充材料，其容纳转子芯55和转子套筒56的不同CTE，从而减轻相应的应力。
[0162] 补偿材料58可以是硅树脂，可以向其中添加填充材料以将其杨氏模量确定为期望值。这些值可以是5至50MPa。填充材料可以是尺寸小于50微米的陶瓷颗粒。未填充的硅树脂可具有约1MPa或2MPa至4MPa的值。
[0163] 图9示出了具有结构化应力消除粘合剂和/或填充物作为补偿材料58的转子结构。补偿材料58中的凹槽提供了空气穴并且整体上增加了补偿材料58的主体的可压缩性，这与转子芯55和转子套筒56之间的整个体积填充有补偿材料58的情况相反。所示的凹槽沿轴向延伸。在凹槽沿周向延伸并且凹槽从转子芯55一直延伸到转子套筒57的情况下，该实施例对应于图13的实施例。
[0164] 图10示出了具有包括气泡的弹性补偿材料58的转子结构。这种气泡可以例如借助发泡添加剂或借助(热)可膨胀的中空微球64a形成。这种微球的壁厚通常很小，以至于它们的机械特性类似于气泡的机械特性。这里，气泡或微球的直径小于转子芯55和补偿元件57之间的距离。
[0165] 图11示出了具有弹性补偿材料58的转子结构，该弹性补偿材料58包括可膨胀的空心微球64a，其膨胀后的标称直径大于转子芯55和补偿元件57之间的距离。这导致当微球64a膨胀时，转子芯55和补偿元件57自动对准并居中。
[0166] 图12示出了具有弹性材料的补偿球58a的转子结构，该补偿球58a布置在转子芯55和转子套筒56之间并由此在其间弹性变形。补偿球可以在或组装期间或之后插入转子芯55和转子套筒56之间的间隙中。可以通过机械地将球封闭在间隙中，加热它们，在组装之前或组装期间用粘合剂涂覆球以及在组装之后硬化或
固化粘合剂中的至少一种来阻挡球滚动的能力。硬化或固化可以通过加热、
辐射、超声、化学活化、等待一定时间等中的至少一种来实现。
[0167] 图13示出了一个实施例，其中补偿元件57包括附接到转子芯55的多个弹性元件58b。弹性元件58b的外径大于转子套筒56的内径。在转子芯55上滑动转子套筒56因此使弹性元件58b变形，使转子芯55对准并居中。
[0168] 图14a-b示出了具有可控补偿元件57的转子。补偿元件57具有波纹圆柱的形状。向圆筒的轴向端部施加力，将它们拉开，减小了波纹的幅度。特别地，外径减小，允许转子套筒56在补偿元件57上滑动。在松弛状态下，补偿元件57的外径大于转子套筒56的内径。
[0169] 可以利用作为轴杆51的一部分的装置来拉开端部，如图14a所示：补偿元件57的一端具有钩状延伸部57c，该延伸部57c邻接转子芯55的第一端并限制补偿元件57沿轴在一个方向上的移动。另一端具有用于在通过抵靠转子芯55的另一端(第二端)推动的方向上拉动补偿元件57的元件。这些元件可以是螺钉57a，其接合补偿元件57中的
螺纹并且经由轴向弹性元件57b(例如弹簧垫圈或
锥形弹簧垫圈)抵靠转子芯55推动。通过转动螺钉57a，可以调节在补偿元件57处拉动的
张力，从而也可以调节补偿元件57的外径。在减小该外径并使转子套筒56在补偿元件57上滑动之后，可以通过拧下螺钉57a来减小和调节补偿元件57上的张力。螺钉57a可以留在某个位置，用于设定在补偿元件57和转子套筒56之间的径向力，或者可以完全移除螺钉57a以获得最大的力。
[0170] 因此，将端部拉开可以仅在组装期间完成。在图14b的实施例中，这通过诸如孔的附接元件57d来完成，用于在补偿元件57处拉动的元件(未示出)可以附接到该附接元件以用于组装目的。在组装之后，作用在补偿元件57和转子套筒56之间的力依赖于这些元件的尺寸和材料特性。
[0171] 补偿元件57可以由金属，特别是钛或钛合金、非
磁性钢、镍合金等制成。或者，它可以由合成材料或塑料制成。
