CN111237240A - 涡轮式流体机械及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮式流体机械，具有外壳、叶轮、轴、以及将所述轴能旋转地支承的第1径向箔片轴承和第2径向箔片轴承。所述马达具有定子和转子。所述轴包括作为所述轴的一部分而与该轴一体地形成的第1内轮、以及与所述轴分体地形成的第2内轮。所述第1内轮具有与所述转子的第1端部相对向的第1对向端部。所述第2内轮具有与所述转子的第2端部相对向的第2对向端部。所述第2对向端部以在所述第2对向端部与所述第1对向端部之间夹着所述转子而对所述转子在轴向赋予预载荷的方式固定于所述轴。

Description

涡轮式流体机械及其制造方法
技术领域
本公开涉及涡轮式流体机械及其制造方法。
背景技术
日本特开2011-169190号公报公开了涡轮式流体机械。该流体机械具有外壳、叶轮和轴。外壳包括叶轮室和收容马达的马达室。叶轮收容于叶轮室。在叶轮随着马达的驱动而旋转时，压送流体。轴在轴向延伸并连结叶轮和马达。
马达具有定子和转子。定子固定于外壳。转子具有轴向上的第1端、轴向上的第2端、以及从第1端延伸到第2端的筒状的外周部。转子在定子的内侧旋转。
在外壳内，配置有将轴能旋转地支承的第1径向箔片轴承和第2径向箔片轴承。第1径向箔片轴承包括第1内轮，第2径向箔片轴承包括第2内轮。在轴上，从靠近叶轮起依次配置有第1内轮、转子和第2内轮，它们由螺纹结合于轴的第2端的固定部件而一体地保持。
在该涡轮式流体机械作为空气压缩机而用于燃料电池***的情况下，通过使马达的转子旋转而使叶轮借助轴而旋转。由此，作为外部的流体的空气被压送并被供给到燃料电池***的反应堆。
发明内容
发明要解决的课题
上述的第1内轮、转子和第2内轮只不过是通过轴和固定部件的螺纹结合而被一体化。因此，存在作为涡轮式流体机械而要求的轴的轴向力不充分之虞。例如，在转子高速旋转时，存在轴弯曲而使得叶轮在叶轮室内与壁面干涉之虞。为了抑制这样的干涉所带来的问题、例如异响的产生，有时不得不限制转子的转速。
本公开的目的在于提供一种能使轴更高速旋转的涡轮式流体机械。
用于解决课题的手段
本公开的一个方案的涡轮式流体机械具有：外壳，所述外壳具有叶轮室和收容马达的马达室；收容于所述叶轮室的叶轮，所述叶轮构成为通过所述马达的旋转来压送流体；在轴向延伸的轴，所述轴连结所述叶轮和所述马达；以及在所述外壳内将所述轴能旋转地支承的第1径向箔片轴承和第2径向箔片轴承。所述马达具有固定于所述外壳的定子和在所述定子的内周侧旋转的转子。所述转子具有所述轴向上的第1端部、所述轴向上的第2端部、以及从所述第1端部延伸到所述第2端部的筒状的外周部。所述轴包括：构成所述第1径向箔片轴承的一部分的第1内轮，所述第1内轮作为所述轴的一部分而与该轴一体地形成；以及构成所述第2径向箔片轴承的一部分的第2内轮，所述第2内轮与所述轴分体地形成。所述第1内轮具有与所述转子的所述第1端部相对向的第1对向端部。所述第2内轮具有与所述转子的所述第2端部相对向的第2对向端部。所述第2对向端部以在所述第2对向端部与所述第1对向端部之间夹着所述转子而对所述转子在所述轴向赋予预载荷的方式固定于所述轴。
本公开的一个方案的涡轮式流体机械的制造方法是涡轮式流体机械的制造方法。所述涡轮式流体机械具有：外壳，所述外壳具有叶轮室和收容马达的马达室；收容于所述叶轮室的叶轮，所述叶轮构成为通过所述马达的旋转来压送流体；在轴向延伸的轴，所述轴连结所述叶轮和所述马达；以及在所述外壳内将所述轴能旋转地支承的第1径向箔片轴承和第2径向箔片轴承。所述马达具有固定于所述外壳的定子和在所述定子的内周侧旋转的转子。所述转子具有所述轴向上的第1端部、所述轴向上的第2端部、以及从所述第1端部延伸到所述第2端部的筒状的外周部。所述轴包括：构成所述第1径向箔片轴承的一部分的第1内轮，所述第1内轮作为所述轴的一部分而一体地形成；以及构成所述第2径向箔片轴承的一部分的第2内轮，所述第2内轮与所述轴分体地形成。所述第1内轮具有与所述转子的所述第1端部相对向的第1对向端部。所述第2内轮具有与所述转子的所述第2端部相对向的第2对向端部。所述第2对向端部以在所述第2对向端部与所述第1对向端部之间夹着所述转子而对所述转子在所述轴向赋予预载荷的方式固定于所述轴。所述制造方法包括：从轴坯件形成所述轴；在所述轴的外周面安装所述转子；以及一边由所述第1内轮和所述第2内轮对所述转子在所述轴向加压、一边将所述第2内轮固定于所述轴。
本公开的一个方案的涡轮式流体机械的制造方法是所述涡轮式流体机械的制造方法。所述涡轮式流体机械具有：外壳；收容于所述外壳内的马达和叶轮；在轴向延伸的轴，所述轴连结所述叶轮和所述马达；以及在所述外壳内将所述轴能旋转地支承的第1径向箔片轴承和第2径向箔片轴承。所述制造方法包括：从轴坯件形成所述轴，其中，构成所述第1径向箔片轴承的一部分的第1内轮作为所述轴的一部分而与该轴一体地形成；在所述轴的外周面安装所述马达的转子；准备第2内轮，所述第2内轮构成所述第2径向箔片轴承的一部分且与所述轴分体；以及一边由所述第1内轮和所述第2内轮对安装于所述轴的所述转子在所述轴向加压、一边将所述第2内轮固定于所述轴。
附图说明
图1是实施例1的涡轮式流体机械的剖视图。
图2是分解示出图1的涡轮式流体机械所具有的轴及其周边的构成要素的剖视图。
图3是表示组装了图2的构成要素的一部分的状态的剖视图。
图4是表示组装了图3的构成要素的状态的剖视图。
图5是分解示出实施例2的涡轮式流体机械所具有的轴及其周边的构成要素的剖视图。
图6是表示组装了图5的构成要素的状态的剖视图。
图7是分解示出实施例3的涡轮式流体机械所具有的轴及其周边的构成要素的剖视图。
图8是表示组装了图7的构成要素的状态的剖视图。
图9是分解示出实施例4的涡轮式流体机械所具有的轴及其周边的构成要素的剖视图。
图10是表示包括图9的轴的旋转体的制造方法的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本公开的实施例1～4进行说明。
(实施例1)
如图1所示，实施例1的涡轮式流体机械具有外壳1、叶轮(impeller)3和轴33。以下，将沿着轴33的轴线O的方向作为轴向。在图中，为了方便，将在轴向上配置涡轮式流体机械的叶轮3的一侧作为前方而将其相反侧作为后方来图示。这样的方向是为了表示图示的状态下的相对的配置或构成而使用的，并非一定表示永久的相对位置或使用时的位置。
外壳1包括前外壳部件13、中间外壳部件15、缸17和后外壳部件19。前外壳部件13、中间外壳部件15、缸17和后外壳部件19沿着轴向按该顺序排列地相互接合。
前外壳部件13和中间外壳部件15协作而划分出叶轮室21、扩压部25和排出室27。前外壳部件13具有吸入端口23，该吸入端口23具有与叶轮室21相连通的第1端(在图中为右端)和向外部开口的第2端(在图中为左端)。叶轮室21通过吸入端口23而与外部相连通。叶轮室21也与扩压部25相连通。扩压部25与排出室27相连通。前外壳部件13具有排出室27和与外部相连通的排出端口29。排出室27通过排出端口29而与外部相连通。
中间外壳部件15、缸17和后外壳部件19协作而划分出马达室31。中间外壳部件15具有轴孔15a，该轴孔15a具有与叶轮室21相连通的第1端(在图1中为左端)和与马达室31相连通的第2端(在图1中为右端)。叶轮室21经由轴孔15a而与马达室31相连通。后外壳部件19具有配置于在轴向上与轴孔15a分离的位置的轴孔19a。轴孔19a与轴孔15a同轴。
叶轮3能旋转地收容于叶轮室21内。马达M具有定子5和转子35。定子5在马达室31内固定于缸17的内周面。轴33收容于马达室31内并配置于定子5的内周侧。轴33在轴向延伸并连结叶轮3和马达M。旋转体7包括轴33、转子35和第2内轮37。
如图2所示，转子35由作为层叠钢板的转子芯35a和保持于转子芯35a内的永磁体35b构成。永磁体35b的数量能够适当改变。转子35具有轴向上的第1端部351(前端)、轴向上的第2端部352(后端)、以及从第1端部351延伸到第2端部352的筒状的外周部353。转子35在定子5的内周侧旋转。
在中间外壳部件15内配置着第1径向箔片轴承9。在后外壳部件19内配置着第2径向箔片轴承11。第1径向箔片轴承9和第2径向箔片轴承11将轴33能旋转地支承。
轴33是将在轴向延伸的轴本体33a和配置于轴本体33a的前端附近的第1内轮(内圈)33b一体成形而得的一体件。第1内轮33b构成第1径向箔片轴承9的一部分。轴本体33a是直径比第1内轮33b小的圆柱，第1内轮33b是直径比轴本体33a大的圆柱。轴本体33a与第1内轮33b同轴。第1内轮33b的后部是与转子35的第1端部351相对向的第1对向端部331。
该轴33通过在轴形成工序中切削铁合金制的轴坯件而形成。在轴本体33a的前端固定有叶轮3。如图3所示，在轴本体33a的后部的外周面安装有圆筒状的转子35。转子35的外径与第1内轮33b的外径相等。
如图4所示，在轴本体33a的靠近后端的位置，通过热装(热套)而固定有圆筒状的第2内轮37。第2内轮37构成第2径向箔片轴承11的一部分。第2内轮37的前部是与转子35的第2端部352相对向的第2对向端部371。
旋转体7经过固定工序而得到。在固定工序中，将加热到高温的第2内轮37嵌合于常温的轴本体33a。此时，朝向第1内轮33b对第2内轮37进行加压。然后，将第2内轮37冷却到常温。
若将这样得到的旋转体7与包括外壳1的其它构成要素组装，则得到涡轮式流体机械。旋转体7的转子35配置成沿着轴本体33a的外周面，并位于第1内轮33b与第2内轮37之间。更详细地说，转子35的第1端部351抵接于第1内轮33b的第1对向端部331，第2内轮37的第2对向端部371抵接于转子35的第2端部352。另外，第1内轮33b和第2内轮37在轴向对转子35进行压缩。而且，第2对向端部371在其与第1对向端部331之间夹着转子35而在轴向赋予预载荷。第2内轮37的外径与第1内轮33b和转子35的外径相等。
在该涡轮式流体机械作为空气压缩机而用于燃料电池***的情况下，通过使转子35旋转而使叶轮3在叶轮室21内旋转。由此，作为外部的流体的空气被从吸入端口23吸入。被吸引的空气的动能由扩压部25转换为压能，从而空气被压缩。被压缩了的空气被向排出室27压送。排出室27内的高压的空气被供给到燃料电池***的反应堆。
本实施例的第1内轮33b作为轴33的一部分而与轴本体33a一体成形，而第2内轮37作为与轴33分体的零部件而固定于轴33。而且，第2内轮37的第2对向端部371在其与第1内轮33b的第1对向端部331之间夹着转子35而在轴向赋予预载荷。因此，即使轴33因转子35的高速旋转而欲弯曲，由于第1内轮33b和第2内轮37夹着转子35，所以，也能抑制轴33的弯曲。
也就是说，假设轴33的轴向上的中央部分弯曲成向外周方向突出，则轴33的两端侧向相反方向突出，第1内轮33b和转子35、以及转子35和第2内轮37向相互分离的方向被拉拽。关于这一点，若第1内轮33b和第2内轮37在轴向对转子35赋予预载荷，则能够降低上述的拉拽力。因此，轴33难以弯曲。尤其是，由于第1内轮33b作为轴33的一部分而形成，第1内轮33b在其与第2内轮37之间牢固地夹入转子35。由此，能够抑制轴33的弯曲。
这样，涡轮式流体机械的轴33具有大的轴向力。因此，即使转子35高速旋转，也难以产生问题(例如叶轮3在叶轮室21内与壁面干涉而产生的异响)。换言之，会提高轴33的容许转速。
因此，能使该涡轮式流体机械的轴33更高速地旋转。
另外，该涡轮式流体机械的第2内轮37热装于轴本体33a，所以，能够用简单的制造方法来产生轴向力。
第2内轮37也可以压入轴本体33a。在此情况下，也能够用简单的制造方法来产生轴向力。
(实施例2)
实施例2的涡轮式流体机械采用图5和图6所示的旋转体8。
如图5所示，旋转体8包括轴39、转子35和第2内轮41。轴39是将沿轴线O延伸的轴本体39a和位于轴本体39a的前部的第1内轮39b一体成形而得的一体件。轴本体39a在后部具有阳螺纹39c。第2内轮41在内周面具有阴螺纹41a。
该旋转体8经过固定工序而得到。在固定工序中，如图6所示，阴螺纹41a螺纹结合于阳螺纹39c，从而第2内轮41被固定于轴本体39a。涡轮式流体机械和旋转体8的其它构成与实施例1同样。
该涡轮式流体机械也能够起到与实施例1同样的作用效果。实施例2的旋转体8中，通过管理阴螺纹41a相对于阳螺纹39c的紧固转矩(安装转矩)而能够易于管理轴39的轴向力。
(实施例3)
实施例3的涡轮式流体机械采用图7和图8所示的旋转体10。
如图7所示，旋转体10包括轴43、转子35、第2内轮37、按压部件45和作为螺纹部件的螺栓47。轴43是将沿着轴线O延伸的轴本体43a和位于轴本体43a的前部的第1内轮43b一体成形而得的一体件。用于得到旋转体10的固定工序包括第1～第4工序。在第1工序中，准备轴43、转子35和第2内轮37。轴43的轴本体43a在后部具有加压用阴螺纹43c。转子35和第2内轮37具有与实施例1同样的构成。
另外，在第1工序中，准备按压部件45和螺栓47。按压部件45包括作为圆板的基部45a和从基部45a向轴向突出的筒状的按压部45b。基部45a具有在轴向贯通基部45a的插通孔45c。螺栓47包括头部47a和轴部47b。轴部47b具有能与加压用阴螺纹43c螺纹结合的加压用阳螺纹47c。插通孔45c的直径比螺栓47的轴部47b的直径大以使得能够供轴部47b插通。
在第2工序中，沿着轴本体43a的外周面安装转子35。在接着第1工序和第2工序的第3工序中，加热第2内轮37而使之成为比轴43高温。在接着第3工序的第4工序中，如图8所示，在按压部件45的插通孔45c中插通螺栓47的轴部47b，将轴部47b的加压用阳螺纹47c螺纹固定于加压用阴螺纹43c。在该过程中，加压用阳螺纹47c对按压部件45进行按压而使第2内轮37和转子35朝向第1内轮43b在轴向移动。在该状态下，将第2内轮37冷却到常温。这样，第2内轮37被热装于轴本体43a。涡轮式流体机械和旋转体10的其它构成与实施例1同样。
在实施例3的涡轮式流体机械中也能够起到与实施例1同样的作用效果。另外，若采用实施例3的旋转体10，则通过管理轴本体43a与第2内轮37的温度差、以及加压用阴螺纹43c和加压用阳螺纹47c的紧固转矩而能够易于管理轴43的轴向力。
此外，也可以从旋转体10拆下按压部件45和螺栓47而由包括轴43、转子35和第2内轮37的旋转体来组装涡轮式流体机械。
(实施例4)
实施例4的涡轮式流体机械采用图9和图10所示的旋转体12。
如图9所示，旋转体12包括轴49、转子35和第2内轮37。轴49是将沿着轴线O延伸的轴本体49a和位于轴本体49a的前部的第1内轮49b一体成形而得的一体件。用于得到旋转体12的固定工序包括第1～第4工序。在第1工序中，准备轴49、转子35和第2内轮37。轴49的轴本体49a在后部具有作为被卡止部的卡止槽49c。转子35和第2内轮37具有与实施例1同样的构成。
另外，在第1工序中，准备图10所示的夹具51和夹头(卡盘)53。夹具51具有在轴向贯通夹具51的插通孔51a。插通孔51a具有能供轴本体49a插通的直径。夹头53卡合于卡止槽49c而能够向图的右向拉拽轴49。
在第2工序中，沿着轴本体49a的外周面安装转子35。在接着第1工序和第2工序的第3工序中，使第2内轮37成为比轴49高温。在接着第3工序的第4工序中，在夹具51的插通孔51a中插通轴本体49a。然后，使夹头53卡合于卡止槽49c并向图的右方向拉拽。这样，一边由夹具51按压成第2内轮37与转子35接触且转子35与第1内轮49b接触，一边借助卡止槽49c而使轴本体49a在轴向移动。在该状态下，将第2内轮37冷却到常温。冷却后拆下夹具51和夹头53而得到旋转体12。这样，第2内轮37被热装于轴本体49a。涡轮式流体机械和旋转体12的其它构成与实施例1同样。
在实施例4的涡轮式流体机械中也能够起到与实施例1同样的作用效果。另外，若采用实施例4的旋转体12，则通过管理轴本体49a与第2内轮37的温度差、以及夹头53的拉拽力而能够易于管理轴49的轴向力。
实施例1～4所公开的所有的特征能够在不脱离其主旨的范围内适当地改变。
本公开的涡轮式流体机械能适用于例如空气压缩器、尤其是用于燃料电池***的空气压缩机。

Claims (9)

1.一种涡轮式流体机械，具有：
外壳，所述外壳具有叶轮室和收容马达的马达室；
收容于所述叶轮室的叶轮，所述叶轮构成为通过所述马达的旋转来压送流体；
在轴向延伸的轴，所述轴连结所述叶轮和所述马达；以及
在所述外壳内将所述轴能旋转地支承的第1径向箔片轴承和第2径向箔片轴承；
所述马达具有固定于所述外壳的定子和在所述定子的内周侧旋转的转子；
所述转子具有所述轴向上的第1端部、所述轴向上的第2端部、以及从所述第1端部延伸到所述第2端部的筒状的外周部；
所述轴包括：
构成所述第1径向箔片轴承的一部分的第1内轮，所述第1内轮作为所述轴的一部分而与该轴一体地形成；以及
构成所述第2径向箔片轴承的一部分的第2内轮，所述第2内轮与所述轴分体地形成；
所述第1内轮具有与所述转子的所述第1端部相对向的第1对向端部；
所述第2内轮具有与所述转子的所述第2端部相对向的第2对向端部；
所述第2对向端部以在所述第2对向端部与所述第1对向端部之间夹着所述转子而对所述转子在所述轴向赋予预载荷的方式固定于所述轴。
2.如权利要求1所述的涡轮式流体机械，
所述第2内轮被压入所述轴。
3.如权利要求1所述的涡轮式流体机械，
所述第2内轮被热装于所述轴。
4.如权利要求1所述的涡轮式流体机械，
所述轴在外周面具有阳螺纹；
所述第2内轮在内周面具有阴螺纹；
所述轴的所述阳螺纹螺纹结合于所述第2内轮的所述阴螺纹。
5.一种涡轮式流体机械的制造方法，所述涡轮式流体机械具有：
外壳，所述外壳具有叶轮室和收容马达的马达室；
收容于所述叶轮室的叶轮，所述叶轮构成为通过所述马达的旋转来压送流体；
在轴向延伸的轴，所述轴连结所述叶轮和所述马达；以及
在所述外壳内将所述轴能旋转地支承的第1径向箔片轴承和第2径向箔片轴承；
所述马达具有固定于所述外壳的定子和在所述定子的内周侧旋转的转子；
所述转子具有所述轴向上的第1端部、所述轴向上的第2端部、以及从所述第1端部延伸到所述第2端部的筒状的外周部；
所述轴包括：
构成所述第1径向箔片轴承的一部分的第1内轮，所述第1内轮作为所述轴的一部分而一体地形成；以及
构成所述第2径向箔片轴承的一部分的第2内轮，所述第2内轮与所述轴分体地形成；
所述第1内轮具有与所述转子的所述第1端部相对向的第1对向端部；
所述第2内轮具有与所述转子的所述第2端部相对向的第2对向端部；
所述第2对向端部以在所述第2对向端部与所述第1对向端部之间夹着所述转子而对所述转子在所述轴向赋予预载荷的方式固定于所述轴；
所述制造方法包括：
从轴坯件形成所述轴；
在所述轴的外周面安装所述转子；以及
一边由所述第1内轮和所述第2内轮对所述转子在所述轴向加压、一边将所述第2内轮固定于所述轴。
6.如权利要求5所述的涡轮式流体机械的制造方法，
将所述第2内轮固定于所述轴包括将比所述轴高温的所述第2内轮嵌合于所述轴。
7.如权利要求5所述的涡轮式流体机械的制造方法，
将所述第2内轮固定于所述轴包括：
在所述轴形成加压用阴螺纹；
在所述轴的外周面安装所述转子；
使所述第2内轮成为比所述轴高温；以及
随着将螺纹部件的加压用阳螺纹螺纹固定于所述加压用阴螺纹，由所述螺纹部件按压的按压部件使比所述轴高温的所述第2内轮和所述转子朝向所述第1内轮在所述轴向移动。
8.如权利要求5所述的涡轮式流体机械的制造方法，
将所述第2内轮固定于所述轴包括：
在所述轴形成被卡止部；
在所述轴的外周面安装所述转子；
使所述第2内轮成为比所述轴高温；以及
一边由夹具以使得比所述轴高温的所述第2内轮与所述转子接触且所述转子与所述第1内轮接触的方式按压，一边借助所述被卡止部而使所述轴在所述轴向移动。
9.一种涡轮式流体机械的制造方法，所述涡轮式流体机械具有：
外壳；
收容于所述外壳内的马达和叶轮；
在轴向延伸的轴，所述轴连结所述叶轮和所述马达；以及
在所述外壳内将所述轴能旋转地支承的第1径向箔片轴承和第2径向箔片轴承；
所述制造方法包括：
从轴坯件形成所述轴，其中，构成所述第1径向箔片轴承的一部分的第1内轮作为所述轴的一部分而与该轴一体地形成；
在所述轴的外周面安装所述马达的转子；
准备第2内轮，所述第2内轮构成所述第2径向箔片轴承的一部分且与所述轴分体；以及
一边由所述第1内轮和所述第2内轮对安装于所述轴的所述转子在所述轴向加压、一边将所述第2内轮固定于所述轴。
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