Результат интеллектуальной деятельности: Поверхностно-модифицированный магнитный материал

Уровень техники

Объект изобретения главным образом относится к магнитным изделиям, имеющим защитное покрытие.

В различных применениях, например в турбоагрегатах, применяемых для нефтяного и газового оборудования, магнитные компоненты двигателей, генераторов и магнитных подшипников могут подвергаться воздействию коррозионной окружающей среды. Например, для того чтобы магнитный подшипник мог работать в этих потенциально коррозионных средах, соприкасающиеся с ними части магнитных подшипников должны обладать коррозионной стойкостью. Статор обычно можно защитить путем заключения его в известный коррозионно-стойкий материал, поскольку статор является неподвижным и обладает стационарным магнитным полем. Однако вал ротора невозможно защитить таким образом без отрицательного воздействия на его характеристики.

Соответственно, существует потребность в усовершенствованных способах обеспечения защитного покрытия на магнитных изделиях.

Сущность изобретения

В одном аспекте предложено изделие, проявляющее магнитные свойства. Это изделие включает основу, содержащую первую часть магнитного материала, причем магнитный материал проявляет магнитные свойства. Дополнительно изделие содержит переходный слой, содержащий вторую часть магнитного материала и первую часть материала покрытия. Переходный слой расположен по меньшей мере на части основы. Изделие также включает внешний слой, содержащий вторую часть материала покрытия. Внешний слой расположен по меньшей мере на части переходного слоя.

В другом аспекте предложен способ придания изделию коррозионной стойкости. Способ включает формирование переходного слоя по меньшей мере на части основы. Основа содержит первую часть магнитного материала, проявляющего магнитные свойства. Переходный слой содержит вторую часть магнитного материала и первую часть материала покрытия. Способ дополнительно включает нанесение покровного слоя по меньшей мере на часть переходного слоя. Покровный слой содержит вторую часть материала покрытия.

В еще одном аспекте предложен элемент электрической машины. Элемент электрической машины включает основу. Основа содержит первую часть магнитного материала, при этом основа проявляет магнитные свойства. Основа дополнительно содержит переходный слой, содержащий вторую часть магнитного материала и первую часть материала покрытия. Переходный слой расположен по меньшей мере на части основы. Основа также содержит внешний слой, содержащий вторую часть материала покрытия. Внешний слой расположен по меньшей мере на части переходного слоя. Элемент электрической машины дополнительно проявляет магнитные свойства, которые являются по существу такими же, как и магнитные свойства, проявляемые основой.

Дополнительные аспекты частично будут изложены в последующем описании, а частично станут очевидными из этого описания; или же их можно усвоить при осуществлении на практике нижеописанных аспектов. Описанные ниже преимущества будут реализованы и достигнуты посредством элементов и сочетаний, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения. Следует понимать, что как предшествующее общее описание, так и последующее подробное описание приведены лишь для примера и разъяснения, и не являются ограничивающими.

Краткое описание чертежей

Эти и другие отличительные особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятными, если читать приведенное далее подробное описание со ссылкой на сопровождающие чертежи, детали которых не обязательно приведены в масштабе, и в которых соответствующие численные сноски обозначают соответствующие детали на всех чертежах, в которых:

Фиг. 1 иллюстрирует вид в поперечном сечении частей изделия, включающего основу, переходный слой и внешний слой в соответствии с примером воплощения изобретения.

Фиг. 2 иллюстрирует вид в поперечном сечении по средней точке элемента магнитного подшипника, расположенного на валу ротора, в соответствии с одним из примеров воплощения изобретения.

Подробное описание изобретения

В последующем описании многочисленные конкретные детали приведены для того, чтобы обеспечить глубокое понимание примеров воплощения. Примеры воплощения можно осуществить на практике без одной или большего количества конкретных деталей, или другими способами, с другими деталями, материалами и т.д. В других случаях хорошо известные структуры, материалы или операции не показаны (или не описаны) подробно, чтобы избежать искажения смысла аспектов примеров воплощения.

Ссылка, данная по ходу описания на «один из примеров воплощения», «какой-либо пример воплощения» или «примеры воплощения» означает, что конкретная отличительная особенность, структура или характеристика, описанная в связи с данным примеров воплощения, включена по меньшей мере в один пример воплощения. Таким образом, появление фраз «в одном примере воплощения» или «в каком-либо примере воплощения» в различных местах по ходу данного описания не обязательно каждый раз относится к одному и тому же примеру воплощения. Кроме того, конкретные отличительные особенности, структуры или характеристики можно комбинировать любым подходящим образом в одном или большем количестве примеров воплощения.

Как сформулировано выше, изобретение охватывает изделие, проявляющее магнитные свойства, способ придания коррозионной стойкости изделию и элемент магнитного подшипника. Примеры воплощения описанного объекта изобретения описаны ниже и проиллюстрированы на Фиг. 1 и 2. Хотя Фиг. 1 проиллюстрирована и описана со ссылкой на прямоугольную основу, включающую магнитный материал с защитным покрытием, следует понимать, что альтернативные примеры воплощения данного изобретения равным образом могут использовать основу любой формы, содержащую магнитный материал и требующую защитного покрытия (или быть изготовлены из такой основы). Фиг. 2 описывает общую структуру, которая иллюстрирует строение поперечного сечения как для компонента упорного подшипника, так и для компонента радиального подшипника.

Магнитное изделие

Фиг. 1 иллюстрирует изделие 10, включающее основу 12. Изделие 10 проявляет магнитные свойства. Основа 12 содержит первую часть магнитного материала. Магнитный материал, по определению, проявляет магнитные свойства. Как используют в тексте данного описания, термин «проявляет магнитные свойства» означает, что материал обладает магнитными свойствами, которые можно измерить с использованием стандартных способов проведения магнитных измерений. В некоторых примерах воплощения магнитный материал может включать металл или сплав. В некоторых примерах воплощения магнитный материал может включать железо или железные сплавы. В других примерах воплощения магнитный материал может включать сплав кобальт-железо, кремнистую сталь, нержавеющую сталь или их сочетания.

Как проиллюстрировано на Фиг. 1, по меньшей мере на части основы 12 расположен переходный слой 14. В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 может быть расположен на всей поверхности основы 12. Переходный слой 14 содержит вторую часть магнитного материала и первую часть материала покрытия. Вторая часть магнитного материала переходного слоя 14 включает такой же магнитный материал, или магнитный материал такого же типа, как и первая часть магнитного материала основы 12.

В некоторых примерах воплощения материал покрытия может включать тантал, ниобий, цирконий, платину, серебро, золото или их сочетания. В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 включает сплав из магнитного материала и материала покрытия. В других примерах воплощения материал покрытия может содержать один металл, выбранный из группы, содержащей тантал, ниобий, цирконий, платину, серебро и золото. В других примерах воплощения материал покрытия может содержать два металла, выбранных из группы, содержащей тантал, ниобий, цирконий, платину, серебро и золото.

Как дополнительно проиллюстрировано на Фиг. 1, по меньшей мере на части переходного слоя 14 расположен внешний слой 16. В некоторых примерах воплощения внешний слой 16 может быть расположен на всей поверхности переходного слоя 14. Внешний слой 16 содержит вторую часть материала покрытия. Вторая часть материала покрытия внешнего слоя 16 содержит такой же материал покрытия, или материал покрытия такого же типа, как и первая часть материала покрытия переходного слоя 14. В других примерах воплощения материал покрытия может содержать один переходный металл. В других примерах воплощения материал покрытия может содержать два переходных металла.

Как проиллюстрировано на Фиг. 1, в некоторых примерах воплощения переходный слой 14 и внешний слой 16 могут иметь общую объединенную толщину примерно от 0,0025 до 0,05 см (от 0,001 до 0,02 дюймов); примерно от 0,0025 до 0,025 см (от 0,001 до 0,01 дюймов); примерно от 0,0025 до 0,0127 см (от 0,001 до 0,005 дюймов), или примерно от 0,0025 до 0,00635 см (от 0,001 до 0,0025 дюймов). Как используют в тексте данного описания, термин «общая объединенная толщина» означает расстояние от поверхности основы 12 до наружной поверхности внешнего слоя 16. Общая объединенная толщина представлена на Фиг. 1 длиной Т. Следует тщательно отметить, однако, что фиг. 1 выполнена не в масштабе, а таким образом, чтобы способствовать разъяснению данного изобретения.

В некоторых примерах воплощения изделие 10 проявляет магнитные свойства, которые по существу такие же, как и магнитные свойства, проявляемые основой 12. Как используют в тексте данного описания, термин «по существу такие же» означает, что магнитные свойства, проявляемые изделием 10, отличаются примерно менее чем на 10%, примерно менее чем на 5%, или примерно менее чем на 1%, от магнитных свойств, проявляемых основой 10. Магнитные свойства включают, не ограничиваясь этим, магнитное поле (гаусс), магнитную индукцию (тесла) и напряженность магнитного поля (ампер/метр).

В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 может покрывать по существу всю поверхность основы 12, а внешний слой 16 может покрывать по существу всю поверхность переходного слоя 14. Как используют в тексте данного описания, термин «покрывает по существу всю поверхность» означает покрытие примерно 99% площади поверхности; примерно 99,9% площади поверхности; или примерно 99,99% площади поверхности. В некоторых примерах воплощения основа 12 может быть герметично покрыта переходным слоем 14. В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 может быть герметично покрыт внешним слоем 16.

Способ обеспечения коррозионной стойкости

В другом аспекте изобретения предложен способ придания коррозионной стойкости изделию 10. Способ включает первую стадию - формирование переходного слоя 14 по меньшей мере на части основы 12. Основа 12 может включать первую часть магнитного материала, проявляющего магнитные свойства. Переходный слой 14 включает вторую часть магнитного материала и первую часть материала покрытия. На второй стадии по меньшей мере на часть переходного слоя 14 можно затем нанести внешний слой 16. Внешний слой 16 содержит вторую часть материала покрытия.

Магнитный материал, по определению, обладает магнитными свойствами. В некоторых примерах воплощения магнитный материал может включать металл или сплав. В некоторых примерах воплощения магнитный материал может включать железо или сплавы железа. В других примерах воплощения магнитный материал может включать сплав кобальт-железо, кремнистую сталь, нержавеющую сталь или их сочетания.

В некоторых примерах воплощения материал покрытия может включать тантал, ниобий, цирконий, платину, серебро, золото или их сочетания. В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 содержит сплав из магнитного материала и материала покрытия. В других примерах воплощения материал покрытия может содержать один металл, выбранный из группы, включающей тантал, ниобий, цирконий, платину, серебро и золото. В других примерах воплощения материал покрытия может содержать два металла, выбранных из группы, содержащей тантал, ниобий, цирконий, платину, серебро и золото.

В некоторых примерах воплощения стадия формирования переходного слоя 14 может включать формирование металлургической связи между второй частью магнитного материала и первой частью материала покрытия.

В одном из примеров воплощения способ формирования металлургической связи может включать первую стадию нанесения на основу 12, содержащую магнитный материал, первой части материала покрытия, с получением основы 12 с нанесенным покрытием. На этой стадии на основу 12 можно нанести материал покрытия, таким образом формируя вторую часть магнитного материала на поверхности раздела между материалом покрытия и основой 12. На второй стадии магнитный материал с нанесенным покрытием можно затем нагреть при подходящей температуре, с получением переходного слоя 14. В некоторых примерах воплощения подходящей температурой для второй стадии может быть температура в диапазоне примерно от 500°С до 1500°С; примерно от 750°С до 1350°С; или примерно от 850°С до 1200°С.

В некоторых примерах воплощения материал покрытия можно нанести на основу 12 высокоэнергетичным способом, включая (но не ограничиваясь этим) химическое нанесение из паровой фазы, электроннолучевое нанесение, термическое напыление, плазменное напыление, вакуум-плазменное напыление, газопламенное напыление, высокоскоростное напыление, холодное напыление или их сочетания. В таких примерах воплощения стадия нанесения покрытия на основу 12 может сообщать магнитному материалу с нанесенным покрытием достаточную тепловую энергию для того, чтобы магнитный материал с нанесенным покрытием нагрелся до температуры, позволяющей образовать переходный слой 14. В некоторых примерах воплощения подходящей температурой для второй стадии может быть температура в диапазоне примерно от 500°С до 1500°С; примерно от 750°С до 1350°С; или примерно от 850°С до 1200°С.

В других примерах воплощения материал покрытия можно наносить на основу 12 твердофазным способом, чтобы получить основу 12 с нанесенным порошковым покрытием. В таких примерах воплощения стадия нанесения второй части магнитного материала может включать погружение основы 12 в порошок материала покрытия, так, чтобы вторая часть магнитного материала погружалась в порошок первой части материала покрытия. В таких примерах воплощения основу 12 с нанесенным порошковым покрытием можно затем нагреть до подходящей температуры, чтобы получить переходный слой 14. В некоторых примерах воплощения подходящей температурой для второй стадии может быть температура в диапазоне примерно от 500°С до 1500°С; примерно от 750°С до 1350°С; или примерно от 850°С до 1200°C.

В некоторых примерах воплощения материал покрытия можно наносить на основу 12 с помощью одного или большего количества способов механического соединения, в которых первую часть материала покрытия физически напрессовывают на вторую часть магнитного материала. Подходящие технологии физического напрессовывания материала покрытия на основу 12 включают, не ограничиваясь этим, горячее прессование, дуговую сварку, ультразвуковую сварку, горячую прокатку, сварку взрывом и их сочетания. В таких примерах воплощения после физического напрессовывания материала покрытия на основу 12 изделие 10 можно нагреть до подходящей температуры, чтобы образовать переходный слой 14. В некоторых примерах воплощения подходящей температурой для второй стадии может быть температура в диапазоне примерно от 500°С до 1500°С; примерно от 750°С до 1350°С; или примерно от 850°С до 1200°С.

В других примерах воплощения способ может дополнительно включать применение лазера для герметизации кромок переходного слоя 14 вокруг основы 12.

Не ограничиваясь определенной теорией, предполагают, что примеры воплощения для формирования переходного слоя 14 приводят к образованию металлургической связи между магнитным материалом и материалом покрытия. Полученное изделие может быть пригодным для того, чтобы обеспечить необходимые магнитные характеристики для элемента магнитного подшипника в агрессивных средах.

На конечной стадии способа на переходный слой 14 можно нанести внешний слой 16, содержащий вторую часть материала покрытия. Подходящие способы нанесения внешнего слоя 16 включают, не ограничиваясь этим, термическое напыление, плазменное напыление, газопламенное напыление, высокоскоростное напыление, холодное газодинамическое напыление, лазерное нанесение, химическое нанесение из паровой фазы, физическое нанесение из паровой фазы, электроннолучевое физическое нанесение из паровой фазы, холодное прессование, спекание, горячее изостатическое прессование, золь-гель технологию, металлизацию, их сочетания, или любой другой пригодный способ для нанесения внешнего слоя 16 на переходный слой 14.

В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 и внешний слой 16 могут иметь общую объединенную толщину примерно от 0,0025 до 0,051 см (от 0,001 до 0,02 дюймов), примерно от 0,0025 до 0,025 см (от 0,001 до 0,01 дюймов), примерно от 0,0025 до 0,0127 см (от 0,001 до 0,005 дюймов), или примерно от 0,0025 до 0,00635 см (от 0,001 до 0,0025 дюймов).

В некоторых примерах воплощения изделие 10 проявляет магнитные свойства, которые по существу такие же, как и магнитные свойства, проявляемые основой 12. Как используют в тексте данного описания, термин «по существу такие же» означает, что магнитные свойства, проявляемые изделием 10, отличаются примерно менее чем на 10%, примерно менее чем на 5%, или примерно менее чем на 1% от магнитных свойств, проявляемых основой 12. Магнитные свойства включают, не ограничиваясь этим, магнитное поле (гаусс), магнитную индукцию (тесла) и напряженность магнитного поля (ампер/метр).

В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 может покрывать по существу всю поверхность основы 12, а внешний слой 16 может покрывать по существу всю поверхность переходного слоя 14. Как используют в тексте данного описания, термин «покрывать по существу всю поверхность» означает покрытие примерно 99% площади поверхности, примерно 99,9% площади поверхности, или примерно 99,99% площади поверхности. В некоторых примерах воплощения основа 12 может быть герметично закрыта переходным слоем 14. В некоторых примерах воплощения переходный слой может быть герметично закрыт внешним слоем 16.

Элемент электрической машины

В еще одном аспекте изобретения предложен элемент электрической машины. В некоторых примерах воплощения элемент электрической машины может включать компонент электродвигателя. В других примерах воплощения элемент электрической машины может включать компонент генератора. В других примерах воплощения элемент электрической машины может включать компонент магнитного подшипника.

Например, пример воплощения, включающий компонент магнитного подшипника, изображен на Фиг. 2, который иллюстрирует вид поперечного сечения по средней точке элемента магнитного подшипника, размещенного на валу 18 ротора. Элемент магнитного подшипника включает основу 12. Основа 12 включает первую часть магнитного материала и проявляет магнитные свойства.

Основа 12 дополнительно включает переходный слой 14, содержащий вторую часть магнитного материала и первую часть материала покрытия. Переходный слой 14 может быть расположен по меньшей мере на части основы 12. Как показано на Фиг. 2, слой основы 12 может быть покрыт переходным слоем 14.

Основа 12 дополнительно содержит внешний слой 16, содержащий вторую часть материала покрытия. Внешний слой 16 может быть расположен по меньшей мере на части переходного слоя 14. Как изображено на Фиг. 2, в некоторых примерах воплощения на переходный слой 14 может быть нанесен внешний слой 16.

Элемент магнитного подшипника также проявляет магнитные свойства, которые по существу такие же, как и магнитные свойства, проявляемые основой 12. Как используют в тексте данного описания, термин «по существу такие же» означает, что магнитные свойства, проявляемые изделием 10, отличаются от магнитных свойств, проявляемых основой 10, примерно менее чем на 10%, примерно менее чем на 5%, или примерно менее чем на 1%. Магнитные свойства включают, не ограничиваясь этим, магнитное поле (гаусс), магнитную индукцию (тесла) и напряженность магнитного поля (ампер/метр).

В некоторых примерах воплощения основа 12 включает постоянный магнит. Постоянный магнит, по определению, обладает магнитными свойствами. В некоторых примерах воплощения постоянный магнит может включать металл или сплав. В некоторых примерах воплощения постоянный магнит может включать железо или сплавы железа. В других примерах воплощения постоянный магнит может включать сплав кобальт-железо, кремнистую сталь, нержавеющую сталь или их сочетания.

В некоторых примерах воплощения материал покрытия может содержать тантал, ниобий, цирконий, платину, серебро, золото или их сочетания. В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 содержит сплав магнитного материала и материала покрытия. В других примерах воплощения материал покрытия может включать один металл, выбранный из группы, содержащей тантал, ниобий, цирконий, платину, серебро и золото. В других примерах воплощения материал покрытия может содержать два металла, выбранных из группы, содержащей тантал, ниобий, цирконий, платину, серебро и золото.

В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 и внешний слой 16 могут иметь общую объединенную толщину примерно от 0,0025 до 0,05 см (от 0,001 до 0,02 дюймов); примерно от 0,0025 до 0,025 см (от 0,001 до 0,01 дюймов); примерно от 0,0025 до 0,0127 см (от 0,001 до 0,005 дюймов), или примерно от 0,0025 до 0,00635 см (от 0,001 до 0,0025 дюймов).

В некоторых примерах воплощения элемент магнитного подшипника проявляет магнитные свойства, которые по существу такие же, как и магнитные свойства, проявляемые основой 12. Как используют в тексте данного описания, термин «по существу такие же» означает, что магнитные свойства, проявляемые элементом магнитного подшипника, отличаются от магнитных свойств, проявляемых основой 12, примерно менее чем на 10%, примерно менее чем на 5% или примерно менее чем на 1%. Магнитные свойства включают, не ограничиваясь этим, магнитное поле (гаусс), магнитную индукцию (тесла) и напряженность магнитного поля (ампер/метр).

В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 может покрывать по существу всю поверхность основы 12, а внешний слой 16 может покрывать по существу всю поверхность переходного слоя 14. Как используют в тексте данного описания, термин «покрывать по существу всю поверхность» означает покрытие примерно 99% от площади поверхности, примерно 99,9% от площади поверхности, или примерно 99,99% от площади поверхности. В некоторых примерах воплощения основа 12 может быть герметично закрыта переходным слоем 14. В некоторых примерах воплощения переходный слой 14 может быть герметично закрыт внешним слоем 16.

В некоторых примерах воплощения элемент магнитного подшипника представляет собой компонент радиального магнитного подшипника. Радиальный магнитный подшипник создает магнитные силы в радиальных (поперечных) направлениях. Радиальный магнитный подшипник можно использовать для поддержки вала ротора центрированным относительно оси вращения машины.

В некоторых примерах воплощения элемент магнитного подшипника является компонентом осевого (упорного) магнитного подшипника. Осевой магнитный подшипник создает магнитные силы в осевых (продольных) направлениях. Осевой магнитный подшипник можно применять для сохранения осевого положения вала ротора в машине.

Подобным образом, в некоторых примерах воплощения компонент генератора и/или компонент двигателя могут содержать слои, аналогичные слоям, описанным выше для компонента магнитного подшипника, чтобы наносить покрытие на основу и проявлять магнитные свойства, которые являются по существу такими же, как и магнитные свойства, проявляемые основой. В других примерах воплощения один или большее количество компонентов генератора, и/или один или большее количество компонентов электродвигателя могут включать слои, аналогичные слоям, описанным выше для компонента магнитного подшипника, для нанесения покрытия на основу и проявления магнитных свойств, которые по существу такие же, как и магнитные свойства, проявляемые основой.

Должно быть очевидно, что вышеизложенное относится только к предпочтительным примерам воплощения данного изобретения, и что возможно осуществить многочисленные изменения и модификации, не выходя за рамки сущности и объема данного изобретения, как оно определено последующей формулой изобретения и ее эквивалентами.