CN101977761B - 压制成一体的定子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过金属粉末压制构件的压制工具，其中，所述构件具有统一的轴向移位的突出部，所述工具包括模具和具有冲头表面的上冲头以及下冲头。所述上冲头和下冲头包括能够移位的相对冲头表面，以用于在压制所述构件之前移位位于所述冲头表面之间的金属粉末。本发明还涉及一种用于通过金属粉末压制构件的方法和一种通过所述方法制成的构件。

Description

压制成一体的定子

技术领域

本发明涉及压制工具、将金属粉末压制成构件的方法和根据这种方法制成的构件。

背景技术

本发明涉及用于电调极电机的软磁芯零件的设计和高效的工业制造，该软磁芯零件通过使用粉末成形工艺而制成。制造这种结构的有效的惯常手段是使用基于软磁粉末颗粒的软磁复合(SMC)材料，软磁粉末颗粒在工具中被压制和变形，以形成相对高密度、具有颗粒的阻抗电流属性和使用交变场(AC)磁化的零件，颗粒的阻抗电流属性降低了材料中的涡电流并且导致沿它们最期望方向测得的可与电器用硅钢板相比拟的最终零件性能。通过所描述的惯常手段，每个SMC零件可形成复杂的几何结构，这可以显著减少为形成期望的单极电机的磁芯所需要的单独零件的数量。

当设计电调极电机以用于工业制造时，已知的通常问题在于以高效的方式制造所要求的相当复杂的软磁零件。更具体地，问题涉及为了实现高效磁通路线和最小磁路磁阻——其使电机的特定性能增至最大——所需要的软磁零件的数量和每个软磁零件的复杂度。在本文描述的电机中，必须由软磁零件在所有三个几何空间维度中形成有效的磁路。传统地，磁芯材料是层叠电器用钢的叠层，其特征在于每个叠片的平面内的高磁导率和沿横向于此平面的方向上的低得多的磁导率——该低得多的磁导率因为软磁钢由于这些钢板之间的绝缘所造成的中断而导致。这些情形要求例如弯曲钢板叠层，以便在所有三个几何空间维度上都形成高效的磁路。另一种解决方案是可将软磁芯分成几个部分，这几个部分可组装形成期望的结构。所描述的现有技术的缺点是：非常大数量的单独零件的制造和处理——包括在很多情况下大量单独钢板叠片的形成和设置——是低效的。

一种已知的高效的惯常手段是将定子磁芯分成两个或多个几乎为圆形的零件，这些零件由软磁粉末金属制成并在压制工具中独立地压制成形。随后，在第二操作中，将最少两个定子部分结合，以形成期望的定子磁芯的期望形状。

发明内容

这里描述的本发明的实施方式解决了至少一些上面描述的问题，并提供了改进的定子和制造这种定子的方法。

这可通过用金属粉末压制构件的压制工具实现，其中，所述构件具有统一的轴向移位的突出部，所述工具包括模具和具有冲头表面的上冲头以及下冲头。所述上冲头和下冲头包括各自的能够移位的相对冲头表面，以用于在压制所述构件之前移位位于所述冲头表面之间的金属粉末。

由此，具有轴向移位的突出部的构件——例如一完整的定子磁芯部段——可在单道/单个工艺中形成。由此减少了形成软磁定子部段的各个零件的数量，改进了定子及其磁性能，并且也降低了制造定子的费事程度和需要的时间。

在一个实施方式中，所述工具用于压制在旋转电机中使用的定子。

在一个实施方式中，所述工具的上部件和下部件分别包括第一和第二冲头部件，其中，所述第一和第二冲头部件、由此所述冲头部件的冲头表面能够相对地移位。这是一种实现本发明实施方式的特别的简单方法。

在一个实施方式中，所述工具用于压制诸如软磁粉末的软磁材料。

本发明还涉及一种在压制工具中通过金属粉末压制构件的方法，其中，所述构件具有统一的、至少一个轴向移位的突出部，换言之，构件具有多个相似的突出部，突出部中的至少一个相对于突出部中的另一个轴向地移位。在所述压制工具中的填料腔室被填充之后形成其中突出部轴向对齐的构件，换言之，对应于相应突出部的粉末空间轴向地对齐，其中，在填充之后并在压制所述构件之前轴向地移位所述突出部中的所述至少一个。在此以及在下文中，术语轴向指的是沿冲压轴线的方向。突出部可沿着横向于冲压方向的方向——例如正交于冲压方向——突出。在本说明书的上下本中，在冲压之前的突出部或构件的其他特征指的是代表该突出部或其他特征的相应的粉末空间。因此，在填充之后并在压制构件之前轴向地移位突出部指的是与相应突出部对应的粉末空间的轴向移位。

所述方法可例如用于压制旋转电机的定子部件，其中，所述定子包括呈统一的定子齿形状的突出部，所述定子具有两个组群的沿轴向移位的定子齿。

本发明还涉及一种根据上述方法通过压制金属粉末制成的构件，其中，所述构件是具有沿轴向移位的定子齿的定子，所述定子用作旋转电机的部件。此构件的磁性能优于现有技术的定子，因为该构件铸造成一体。

附图说明

下面，参照附图描述本发明的优选实施方式，其中

图1示出根据本发明的一个实施方式的压制方法的原理，

图2是现有技术的径向气隙磁通电调极电机和现有技术的转子/定子设计的示意性的分解透视图，

图3示出现有技术的定子，

图4a和图4b示出本发明的一个实施方式的原理，

图5示出根据本发明的一个实施方式的工具压制机的工具零件，

图6示出处于填料位置的工具，

图7示出腔室已被装填的工具，

图8示出模具已被闭合的工具，

图9a和9b示出成形的粉末，

图10示出压制的定子，

图11示出脱模后的压制定子，

图12示出压制的定子。

具体实施方式

本发明属于电调极电机100的领域，电调极电机的一个示例在图1中以示意性的分解透视图示出。电调极电机定子10的基本特征在于使用中心单一绕组20，该绕组可给由软磁磁芯结构形成的多个齿102供磁。定子磁芯围绕绕组20形成，而对于其它普通的电机结构，绕组围绕单个的齿型磁芯部段形成。调极电机结构/布局(topology)的示例有时认为是例如爪极式电机、角座式(Crow-feet)电机、伦德尔式(Lundell)电机或TFM电机。更具体地，所示的电调极电机100包括两个定子磁芯部段14和16、线圈20和转子30，每个所述定子磁芯部段都包括多个齿102并基本上为圆形，线圈20布置在第一和第二圆形定子磁芯部段之间，转子30包括多个永磁体22。此外，定子磁芯部段14和16、线圈20和转子30围绕共同的几何轴线103，并且两个定子磁芯部段14和16的多个齿布置成朝转子30突出，以形成闭合的磁通回路。图1中的电机为径向气隙磁通外转子的类型，因为在这种情况下定子的齿在径向方向上朝转子突出、同时定子围绕转子。然而，定子同样可相对于转子定位在内部，这种类型也在下面的某些附图中示出。如在下文阐述的本发明的范围不限于任何特定类型的电调极电机，而是可同样应用于轴向以及径向类型、且定子相对于转子定位在内部以及外部的电机。类似地，本发明不限于单相电机而可同样应用于多相电机。

活动的转子结构30由偶数个部段22和24构建而成，其中半数部段——也称为转子磁极部段24——由软磁材料制成，而另半数部段由永磁体材料22制成。现有技术的方法将这些部段作为单独的零件进行生产。部段的数量通常可非常大，通常为10-50个单独部段的量级。永磁体22布置成使得永磁体的磁化方向基本上为周向，即北极和南极分别朝向基本沿周向的方向。此外，沿周向计数每隔一个永磁体22布置成相对于另一永磁体具有相反的磁化方向。在所期望的电机结构中，软磁极件24的磁功能为全三维的，并且要求软磁极件24能够有效地在所有的三个空间方向上都可以高导磁性地传导磁通量。使用层叠钢板的传统设计在垂直于钢板平面的方向上不能显示出所需的高导磁性，这里有利地使用与现有技术层叠钢板结构相比示出较高的磁通量各向同性的软磁结构和材料。

图2示出了与图1相同的径向电调极电机，但以组装好的电机的剖视图示出，其更清楚地示出定子齿102如何朝转子延伸及两个定子磁芯部段14、16的定子齿如何相对于彼此旋转地移位。

图3示出现有技术的定子，该定子被压制成两个相同的定子部分301、303，其中每个定子部分包括若干个齿305。每个部件都由软磁粉末金属制成并在压制工具中独立地压制成形。随后，在第二操作中结合这两个定子部分以形成具有径向和轴向移位的定子齿的期望的定子磁芯的期望形状。

图4a和4b示出本发明的一个实施方式的原理，在图4a中示出上冲头401、下冲头403和模具405。金属粉末设置在腔室内以形成构件，该腔室位于上冲头401的冲头表面和下冲头403的冲头表面之间。在冲压粉末之前，上冲头和下冲头的一部分409、411移位，以便移动位于其间的金属粉末的位置413。在移位之后，于压制构件之前锁定冲头的相关位置。

图5示出根据本发明的一个实施方式的工具压制机的工具零件。所述工具包括两个可单独移位的、用于冲压齿的上冲头501、503以及一上冲头505。可移位的上冲头和下冲头用于移位和冲压定子中的齿。类似地，所述工具包括两个可单独移位的下冲头507、509以及一下冲头511。所述工具还包括芯棒513和模具515。每个冲头501、503、507和509包括多个轴向延伸的冲头构件，例如冲头501的冲头构件531以及冲头503的冲头构件533，它们彼此平行并与由压制方向限定的工具的轴向方向平行地设置。冲头构件531和533分别从相应冲头的环形基部521和523轴向地突出，并且绕该环形基部分布以限定一管形的形状。冲头构件具有由远离环形基部的端部限定的各自的冲头表面。所有冲头所限定的管形形状都具有相同的内直径。上冲头501和503的冲头构件531和533分别如此地分布：上冲头可相对于彼此设置成使得两个冲头的冲头构件形成一共同的管形形状，其中冲头501和冲头503的冲头构件绕管形形状的周向以交错的方式设置，同时冲头501的冲头构件和冲头503的冲头构件可相对于彼此轴向移位。特别地，冲头501的每个冲头构件531可定位并沿冲头503的两个相邻冲头构件之间的间隙移位。为此，冲头503的环形基部523的内直径不小于由冲头501的冲头构件限定的管形形状的外直径。冲头503的冲头构件533连接至冲头503的环形基部523的径向朝内的表面553，并且从该径向朝内的表面553轴向地延伸。因此，上冲头501和503提供了两组冲头表面，每组冲头表面设置在一环形的图案中，其中，冲头501的冲头表面与冲头503的冲头表面沿所述环的周向交错。冲头表面的法线沿着轴向取向，并且冲头501的冲头表面可相对于冲头503的冲头表面轴向地移位。下冲头507和509与相应的上冲头类似地形成，换言之，下冲头507和509分别具有冲头构件537和539，冲头构件537和539分别提供冲头表面547和549并从相应的环形基部527和529轴向地延伸。冲头505和506具有管形的形状。模具515具有管形的形状，其中，管的内表面包括轴向延伸的几何特征535，所述特征535对应于突出部，并且特征535的数量和尺寸使得管形冲头501、503、507和509可轴向地插入所述模具，从而这些冲头构件在模具的相应几何特征内滑动。

图6示出处于填料位置的工具。在图5中示出的工具部件已被集合成上部件601和下部件603。上部件包括上冲头501、503和505，并且下部件包括下冲头507、509和511。下部件位于模具515和芯棒513之间。在下部件和模具以及芯棒之间形成腔室605形式的、用于填充金属粉末的空间。

图7示出腔室已被装填的工具，其中，粉末701成形为工具中的腔室的形状，所有的齿703径向以及轴向地对齐。

图8示出模具已被闭合的工具，其中，上部件向下移动801至模具的顶部。

图9a和9b示出成形的粉末，在此，两个上冲头501和503以及两个下冲头507和509分别如箭头901、903、905和907所示地移位。由此齿909和911轴向地移位，其中每隔一个的齿——即有一半的齿——相对另一半的齿轴向地移位。在图9b中没有示出模具，以显示两个上冲头和下冲头如何使得所述齿相对于彼此轴向移位。在一些实施方式中，粉末空间在发生任何压制之前——换言之在完全没有受压制的情形下——移位。然而，在一些实施方式中，可使粉末在进行轻微的压制之后但在最终压制之前移位。

图10示出压制的定子，其中，固定于图9a和9b中所示位置中的上冲头和下冲头被压到一起以压制金属粉末并因此形成定子构件1001。

图11示出脱模后的压制定子，其中，通过工具的下部件使定子沿着向上方向1101从模具脱出。

图12示出压制的定子。

定子可由作为软磁粉末的金属粉末压制形成。软磁粉末可以是基本上纯的经水雾化处理的铁粉或海绵铁粉，所述经水雾化处理的铁粉或海绵铁粉为涂覆有电绝缘层的不规则形状颗粒。在本文中，术语“基本上纯的”意味着所述粉末应基本上不具有夹杂物，并且杂质O、C和N的量应保持最少。平均颗粒尺寸一般低于300μm并高于10μm。

然而，可使用任何软磁金属粉末或合金粉末，只要它们具有足够的软磁性能并且粉末适合用于模压制。

粉末颗粒的电绝缘层可由无机材料制成。尤其适合的是在专利US6348265(其通过参引的方式结合入本文中)中所公开的类型的绝缘层，其涉及由具有含氧和磷的绝缘层的基本上纯的铁构成的基粉颗粒。具有绝缘颗粒的粉末为可从瑞典公司获得的Somaloy500、Somaloy550或Somaloy700。

Claims (1)

1.一种在压制工具中通过金属粉末压制构件的方法，其中，所述构件具有统一的、至少一个轴向移位的突出部，其特征在于，在所述压制工具中的填料腔室被填充之后形成其中突出部轴向对齐的构件，其中，在填充之后并在压制所述构件之前轴向地移位所述突出部中的所述至少一个；

所述方法包括

·提供处于填料位置的冲压工具，其中，所述冲压工具包括具有第一组冲头表面的第一上冲头组和具有第二组冲头表面的第二下冲头组，第一组冲头表面彼此轴向地对齐，所述第一组冲头表面中的每一个与突出部中的一个对应；

·用金属粉末填充冲压工具，

·使第一组冲头表面中的一个子组相对于所述第一组冲头表面中的其余冲头表面轴向地移位，

·然后压制金属粉末；

其中，轴向的移位包括轴向地移位所述第一组冲头表面中的第一子组和第二组冲头表面中的一个相应子组，所述第二组冲头表面与所述第一组冲头表面相对地设置；

其中，所述方法用于压制旋转电机的一体成型的的定子部件，其中，所述定子包括呈统一的定子齿形状的突出部，所述定子具有两个组群的沿轴向移位的定子齿。