CN106849403B - 具有双相磁性材料的电机定子叠片 - Google Patents

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Abstract

一种用于电机的定子叠片(10)具有带穿过其间的环形开孔(14)的圆形叠片(12)；穿过其间的绕组槽口(20)；以及，邻近于绕组槽口(20)设置的槽口闭合件(30)。定子叠片(10)由双磁相材料形成，使得叠片(10)的磁性性质可具有第一状态，以及第二状态中的磁性性质，其中第二状态不同于第一状态。槽口闭合件区域(30)被处理以便过渡至第二状态。还公开了制造电机构件的方法。

Description

具有双相磁性材料的电机定子叠片
相关申请的交叉引用
本继续部分(CLP)申请请求享有题为DUAL MAGNETIC PHASE STATOR LAMINATIONSFOR STATOR PERMANENT MAGNET ELECTRIC MACHINES(代理人卷号263233-1)的美国专利申请序列第13/780,773号的2013年2月28日的提交日期的优先权。该C.I.P申请也请求享有题为DUAL MAGNETIC PHASE ROTOR LAMINATIONS FOR INDUCTION MACHINES(代理人卷号264829-2)的美国申请序列第13/853,122号的2013年3月29日的提交日期的优先权，其继而又请求享有题为DUAL MAGNETIC PHASE ROTOR LAMINATIONS FOR INDUCTION MACHINES(代理人卷号264829-1)的美国临时申请序列第61/785,020号的2013年3月14日的提交日期的优先权。所有内容通过引用以其整体并入本文中。
政府特许权利
本发明是在美国能源部授予的合同号DE-EE0005573的政府资助下制作出的。政府对本发明有一定权利。
技术领域
本发明大体上涉及电机构件，并且更具体地涉及具有双相磁性材料的电机定子叠片。
背景技术
在某些电机应用中，机器的转子在高末梢速度下旋转。在一些应用中，转子与定子之间的间隙填充有气体或流体，而非空气。结果，大量机械损失可由于转子与定子之间的空隙内的流体和/或气体的风阻或搅动而产生。
转子定子间隙中的此搅动可通过提供定子的内芯表面和/或转子的外表面上的光滑表面来缓解。在槽口闭合件中的楔的安装中，仍存在制造挑战。楔导致非光滑的内部定子表面。
取决于材料，槽口楔的使用可加剧槽口漏电抗。叠片可由连续的材料件制成，其中槽口的顶部处的区域以磁性叠片材料"闭合"。尽管该设计提供了更光滑的定子开孔，但这相比于"开放"槽口设计导致了漏电抗增大。漏电抗可限制电机的高速动力能力。漏电抗也可导致电机中的低功率因数。
在一些电机中，定子齿由单独的构件而非连续的整体件形成。定子绕组以集中方式围绕单独的齿卷绕，且然后安装到定子中，以形成没有留在槽口的顶部处的槽口开口的定子芯。该方法由于其限于结合集中绕组使用而遭受制造复杂性。
因此，不断需要改善电机的构件设计、性能和可制造性。
发明内容
本发明通过提供具有双相磁性材料的电机定子叠片和制造方法来克服了上述缺陷中的至少一些。更具体而言，本发明针对提供用于在电机的定子中使用的定子叠片，这提供了更轻的电机，其可达到更高速度、具有高效率，以及改善功率因数，同时降低体积、质量和制造成本和复杂性。
按照本发明的一个方面，一种用于电机的定子叠片包括：具有穿过其间的环形开口的圆形叠片；穿过其间的多个绕组槽口；以及邻近于多个绕组槽口设置的多个槽口闭合件，其中定子叠片由双磁相材料形成，双磁相材料具有第一状态中的磁性性质和第二状态中的磁性性质，其中第二状态中的磁性性质不同于第一状态，进一步其中多个槽口闭合件被处理以便过渡至第二状态。
根据本发明的另一个方面，一种制造电机构件的方法，该方法包括：提供具有穿过其间的环形开孔的定子叠片，其中定子叠片由双磁相材料形成，定子叠片包括围绕环形开孔设置的多个闭合的绕组槽口，进一步其中双磁相材料具有第一状态中的磁性性质和第二状态中的磁性性质，其中第一状态中的磁性性质不同于第二状态；以及将定子叠片上的多个预定位置从第一状态转换成第二状态，其中多个预定位置在闭合绕组槽口的顶部与环形开孔的开孔边缘表面之间的区域中。
本发明的第一技术方案提供了一种用于电机的定子叠片，包括：具有穿过其间的环形开孔的圆形叠片；穿过其间的多个绕组槽口；以及邻近于所述多个绕组槽口设置的多个槽口闭合件，其中所述定子叠片由双磁相材料形成，所述双相磁性材料具有第一状态中的磁性性质和第二状态中的磁性性质，其中所述第二状态中的磁性性质不同于所述第一状态，进一步其中所述多个槽口闭合件被处理以便过渡至所述第二状态。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，所述磁性性质包括导磁率，且所述导磁率在所述第二状态中低于所述第一状态。
本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，所述磁性性质包括饱和通量密度，以及所述饱和通量密度在所述第二状态低于所述第一状态。
本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，所述第二状态为非磁性的。
本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述环形开孔的开孔边缘表面为基本光滑的。
本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，所述多个槽口闭合件还包括第一组、第二组和第三组。
本发明的第七技术方案是在第六技术方案中，第一槽口闭合件组被处理以便过渡至所述第二状态，以及第二槽口闭合件组处于所述第一状态。
本发明的第八技术方案是在第七技术方案中，第三槽口闭合件组被处理以便过渡至第三状态，其中所述第三状态的磁性性质不同于所述第二状态的磁性性质。
本发明的第九技术方案提供了一种组件，包括叠层在一起来限定定子的第一技术方案所述的多个定子叠片；以及设置在多个绕组槽口中的多个绕组。
本发明的第十技术方案提供了一种电机，包括：第九技术方案所述的组件；以及可旋转地设置在定子内的转子。
本发明的第十一技术方案提供了一种制造电机构件的方法，所述方法包括：提供具有穿过其间的环形开孔的定子叠片，其中所述定子叠片由双磁相材料形成，所述定子叠片包括围绕所述环形开孔设置的多个闭合的绕组槽口，进一步其中所述双磁相材料具有第一状态中的磁性性质和第二状态中的磁性性质，其中所述第一状态中的磁性性质不同于所述第二状态；以及将所述定子叠片上的多个预定位置从所述第一状态转换成所述第二状态，其中所述多个预定位置在所述闭合绕组槽口的顶部与所述环形开孔的开孔边缘表面之间的区域中。
本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，所示转换包括渗氮。
本发明的第十三技术方案是在第十一技术方案中，所述转换包括热处理。
本发明的第十四技术方案是在第十一技术方案中，所述区域包括槽口闭合件。
本发明的第十五技术方案是在第十一技术方案中，所述磁性性质包括导磁率和饱和通量密度中的一者。
本发明的第十六技术方案是在第十一技术方案中，所述转换还包括将所述定子叠片上的多个预定位置从所述第一状态转换成第三状态，其中所述第三状态的磁性性质不同于所述第一状态和所述第二状态。
本发明的各种其它特征和优点将从以下详细描述和附图中变得显而易见。
附图说明
附图示出了当前构想成用于执行本发明的一个实施例。
图1为用于示例性双相磁性材料的比较磁场强度(x轴线)与通量密度(y轴线)的x-y图表。
图2为根据本发明的实施例的定子叠片的顶视图。
图3为图2的定子叠片的一部分的近视顶部图。
图4为图3的定子叠片的一部分的近视顶部图。
零件列表
10 定子叠片
12 叠片面
14 开孔
16 开孔边缘表面
20 绕组槽口
22 绕组
24 定子齿
30 槽口闭合件
32 预定位置
100 x-y图表
110 更大的磁性曲线
120 较小的磁性曲线。
具体实施方式
除非另外限定，否则本文中使用的技术和科学用语具有与本领域的技术人员参照当前公开的主题一般理解到的相同意义。如本文中所使用的用语"第一"、"第二"等不表示任何顺序、质量或重要性，而是用于将一个元件与另一个区分开。用语"一个"、"一种"和"该"不表示数量限制，而是表示至少一个提到的项目的存在，且用语"前"、"后"、"底部"和/或"顶部"除非另外指出，否则仅用于方便描述，且不限于任何一个位置或空间定向。
如果公开的是范围，则针对相同构件或性质的所有范围的端点是包括性的，且可独立组合(例如，"达到大约25wt%"的范围包括"大约5wt%到大约25wt%"的范围的端点和所有中间值，等)。结合数量使用的修饰的"大约"包括指定值，且具有由上下文指出的意义(例如，包括与特定数量的测量相关联的误差程度)。因此，由用语"大约"修饰的值不必仅限于指定的精确值。
本发明的方面通过示出减少漏电抗的性能利益而示为提供优于先前电机定子构件设计的优点。各方面提供了控制由槽口开口或电机定子的铁齿之间的空间产生的漏电抗和磁动势(MMF)槽口谐波的方法。最终，展示了电机的动力能力和功率因数的改善。
参看图1，将x轴线上的磁场强度(H，以安培/米计)与y轴线上的通量密度(B，以特斯拉计)相比较的x-y图表绘制为100。如图所示，示出了一些示例性材料的磁性性质。如图表的左手侧所示，初始磁导率为曲线的曲率，且可取决于材料的属性变化。材料的曲线渐近地接近饱和通量密度(即，接近水平)。如图所示，取决于材料的性质，饱和通量密度可在不同水平下发生。另外，具有更陡的竖直斜率(即，更高的导磁率)和更高的水平部分(即，更高的饱和通量密度)的材料大体上磁性更大。
本发明的方面使用具有双磁相性质的材料。双磁相(或双相)材料包括通过高温下渗氮经历相变的材料，以及通过局部热处理(例如，经由激光)经历相变的材料。这些材料可能经历磁性性质从第一状态至第二状态的变化，其中两个状态具有不同磁性性质。这是导磁率、饱和通量密度和/或从第一状态到第二状态的磁力水平变化。这些双磁相材料有能力以具有同一构件中共同存在的两个(或更多个)状态。此外，图案或磁性和非磁性(或不同磁化水平的区域)可由机器设计者指定，且在制造期间"写入"构件中。尽管双磁相材料可从基本磁性过渡至基本非磁性，但材料在磁力状态之间的其过渡行为中不只是'二进制的'。即，取决于过渡方式，材料可使其磁性性质较大、略微或以任何其它量改变。
例如，回头参看图1，双磁相性质可过渡，以便移动至图表上的实际任何曲率(例如，初始磁导率斜率、饱和通量密度等)。类似地，取决于由双磁相材料制成的构件的形状和构造，以及材料经历的过渡，构件上的不同位置可具有不同的磁性性质。举例来说，两种示例性材料的磁性性质在110和120处示出，其中110处的材料比120处的材料磁性更大。在双磁相材料的情况下，举例且不限制来说，一个(或更多个)区域中的磁性性质可通过使双磁相材料过渡来例如从110处的切换至120处的。
现在参看图2，绘出了用于电机的定子叠片的顶视图。以10标记的定子叠片至少部分地由具有双磁相性质的材料构成。如所讨论的，双磁相材料包括具有第一状态中的磁性性质和使其磁性性质过渡至不同于第一状态的第二状态的能力。材料可过渡至第三状态或其它状态，这些状态在材料的磁性性质方面与第一状态和第二状态很不同。材料可经由任何适合的方法(包括渗氮、热处理等)过渡或转换。
定子叠片10构造成具有穿过其间的环带开孔14，以便限定邻近环带开孔14的开孔边缘表面16。叠片面12包括围绕开孔14设置的多个绕组槽口20。定子叠片10为由双磁相材料的单件制成的整件。
共同参看图2和图3中的近视图两者，绕组槽口20闭合，其中槽口闭合件30设置在绕组槽口20与开孔边缘表面16之间。槽口闭合件30由与叠片面12的其余部分相同的材料制成。由于槽口闭合件30和叠片面12是整体的，故开孔边缘表面16中的曲率没有边缘或变化。不需要楔。因此，叠片面12的开孔边缘表面16具有基本光滑的表面。定子齿24设置在绕组槽口之间。多个绕组22设置在多个绕组槽口20中。绕组22可为任何适合类型的绕组，包括分布式绕组、齿集中绕组等。
绕组槽口20和/或槽口闭合件30的顶部的区域中的预定位置32被处理以便将材料从第一状态转换成第二状态，其中第二状态不同于第一状态。在第二状态中，预定位置32可为非磁性和/或磁性较小的、比第一状态低的导磁率和/或饱和通量密度。即，预定位置32的相对导磁率比第一叠片12的其余部分(即，第一状态中)低。
在实施例中，多个预定位置32可分成组。即，所有预定位置32不必以相似方式转换(即，所有都从第一状态转换成第二状态)。例如，预定位置32可分成两个(或更多个)组：第一组和第二组。然后，第一组预定位置32可转换成第二状态，且第二组预定位置32可转换成第三组，其中第二状态和第三状态具有不同于彼此和第一状态的磁性性质。作为这些实施例中的一个实例，围绕开孔边缘表面16的交替的槽口闭合件30可具有第三状态性质，与具有第二状态性质的槽口闭合件30并排。
参看图4中的近视图，两个绕组槽口20示为带有在其中的绕组22。如该特定实施例所示，槽口闭合件30区域转变成第二(或第三)磁力状态而无磁性或磁性低于在第一磁力状态中的叠片12的其它部分。一个槽口闭合件30的第一预定区域32A的宽度比绕组槽口20的宽度更宽。相反，一个槽口闭合件30的第二预定区域32B的宽度比绕组槽口20的宽度更窄。类似地，第一预定区域32A的磁性性质可具有与第二预定区域32B相同的磁性性质(即，都是第二状态)。作为备选，第一预定区域32A的磁性性质可不同于第二预定区域32B的磁性性质，使得它们的磁性性质分别为第二状态和第三状态。在又一个实施例中，第一预定区域32A的磁性性质可保持不从叠片12的其余部分的磁性性质(即，第一状态)变化，同时仅第二预定区域32B的磁性性质变为第二状态。明显地，包括状态、位置、分布、尺寸等的各种磁性性质变化可按照本发明来布置。
多个定子叠片10可层叠在一起，以便限定定子(未示出)。类似地，转子(未示出)可以可旋转地设置在定子的定子开孔14内，由此限定电机(未示出)。
尽管图2-4中所示的实施例绘出了某些槽口20和齿构造，但其它构造也是可能的。例如，槽口可为平行或非平行的。类似地，转子齿可为平行或非平行的。
本文所示和所述的实施例可用于多种电机类型。例如，可受益的电机包括永磁(PM)、开关磁阻电机(SRM)、同步磁阻电机、感应电机(IM)、卷绕场同步电机等。
因此，根据本发明的一个实施例，一种用于电机的定子叠片包括：具有穿过其间的环形开口的圆形叠片；穿过其间的多个绕组槽口；以及邻近于多个绕组槽口设置的多个槽口闭合件，其中定子叠片由双磁相材料形成，双磁相材料具有第一状态中的磁性性质和第二状态中的磁性性质，其中第二状态中的磁性性质不同于第一状态，进一步其中多个槽口闭合件被处理以便过渡至第二状态。
根据本发明的另一个实施例，一种制造电机构件的方法，该方法包括：提供具有穿过其间的环形开孔的定子叠片，其中定子叠片由双磁相材料形成，定子叠片包括围绕环形开孔设置的多个闭合的绕组槽口，进一步其中双磁相材料具有第一状态中的磁性性质和第二状态中的磁性性质，其中第一状态中的磁性性质不同于第二状态；以及将定子叠片上的多个预定位置从第一状态转换成第二状态，其中多个预定位置在闭合绕组槽口的顶部与环形开孔的开孔边缘表面之间的区域中。
已经依据优选实施例描述了本发明，且认识到除明确所述的那些的，等同方案、备选方案和改型是可能的。

Claims (9)

1.一种用于电机的定子叠片(10)，包括：
具有穿过其间的环形开孔(14)的圆形叠片(12)；
穿过其间的多个绕组槽口(20)；以及
邻近于所述多个绕组槽口(20)设置的第一多个槽口闭合件和第二多个槽口闭合件(30)，
其中所述定子叠片(10)由多磁相材料形成，所述多磁相材料具有彼此不同的第一状态中的磁性性质、第二状态中的磁性性质和第三状态中的磁性性质，
所述第一多个槽口闭合件具有第二状态中的磁性性质，所述第二多个槽口闭合件具有第三状态中的磁性性质。
2.根据权利要求1所述的定子叠片(10)，其特征在于，所述磁性性质包括导磁率，且所述导磁率在所述第二状态中比在所述第一状态更低。
3.根据权利要求1所述的定子叠片(10)，其特征在于，所述磁性性质包括饱和通量密度，以及所述饱和通量密度在所述第二状态比在所述第一状态更低。
4.根据权利要求1所述的定子叠片(10)，其特征在于，所述第二状态为非磁性的。
5.根据权利要求1所述的定子叠片(10)，其特征在于，所述环形开孔(14)的开孔边缘表面(16)为基本光滑的。
6.根据权利要求1所述的定子叠片(10)，其特征在于，所述多个槽口闭合件(30)中的一个的顶部区域的宽度比所述绕组槽口(20)的宽度更宽。
7.根据权利要求1所述的定子叠片(10)，其特征在于，所述多个槽口闭合件(30)中的一个的顶部区域的宽度比所述绕组槽口(20)的宽度更窄。
8.一种用于电机的组件，包括层叠在一起来限定定子的多个根据权利要求1所述的定子叠片(10)；以及
设置在多个绕组槽口(20)中的多个绕组(22)。
9.一种电机，包括：
权利要求8所述的组件；以及
可旋转地设置在定子内的转子。
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