CN107230543B - 分级磁性组件及形成方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种包括至少一个区域的磁性组件。该至少一个区域包括氮，并且在该至少一个区域中的氮浓度跨至少一个区域的尺寸来分级。此外。在该至少一个区域的饱和磁化跨至少一个区域的尺寸来分级。此外，公开了一种在磁性组件的至少一个区域中改变磁化值的方法。

Description

分级磁性组件及形成方法

关于联邦政府赞助的研究与开发的声明

本发明以由美国能源部授予的合同号DEEE0005573的政府支持下完成。政府具有本发明中的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请是2013年10月31日提交的案卷号269697-1，序列号14/068937，标题为“DUAL PHASE MAGNETIC MATERIAL COMPONENT AND METHOD OF FORMING”的共同未决的美国专利申请的部分继续申请。

背景技术

本公开的实施例一般涉及一种具有至少一个分级区域的磁性组件及形成其的方法。更具体地说，本公开涉及一种包括具有分级含氮量的至少一个区域的磁性组件，以及其通过氮化的形成。

对于例如比如电马达和发电机的高功率密度和高效率电机的要求对于各种应用特别是对于混合和/或电动交通工具牵引应用已长期普遍。混合/电动交通工具牵引马达应用中的目前趋势是提高转速来增加机器的功率密度，并且因此降低其质量和成本。然而，人们认识到，当电机用于混合/电动交通工具的牵引应用时，在功率密度、效率和机器的恒定功率速度范围之间存在权衡。这个权衡可提出许多设计挑战。

具体地，用于旋转电机中的磁性材料通常用作多种功能。将磁通与跨电机空气间隙中的互补极有效耦合是理想的。磁性组件的软磁材料也可承受电机的机械和结构负载的很大一部分。有时在材料的有效磁性利用与磁性材料的机械承载能力之间可能存在权衡。备选地，有时可能降低机器的速度额定，以允许机器拓扑具有有效磁性利用。因此，期望具有这样的材料，它可以通过局部控制电机中使用的软磁材料的饱和磁化的幅值，避免电机的效率和可操作性之间的权衡。

可以通过增加机器尺寸、改善热管理、提高转子速度或通过增加磁性利用来提高电机的功率密度。可以通过使用转子叠片的加工和合金化的结合，以便通过开发高磁导率和低磁导率的局部区而创建多相磁性材料，从而增加磁性利用。高磁导率和低磁导率的局部区一般降低转子操作期间的磁通损耗。机器的高磁导率和低磁导率的局部区域中的饱和磁化的突然变化可能导致机器中不期望的转矩波动。

转子叠片的一系列铁基软磁组合物可以通过过程组合来奥氏体化，以形成低磁导率的区域。在所选择的区域的阶段转化通常是在合金中存在碳化物的情况下热驱动的。在局部加热时，存在于所选择的位置处的碳化物溶于基体并降低马氏体开始温度，从而有助于在室温下稳定奥氏体区域。然而，与传统的铁基磁性钢相比，已知磁性微结构中存在碳化物来增加矫顽力并降低磁饱和。预期一种控制室温下软磁体不同区域的奥氏体相的稳定性的不同方法，同时开始于基本单相的微结构，以减少平稳马达操作的转矩波动。本公开的实施例解决了这些和其他需求。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了包括至少一个区域的磁性组件。该至少一个区域包括氮，并且该至少一个区域中的氮浓度跨该至少一个区域的尺寸被分级。此外，该至少一个区域中的饱和磁化跨该至少一个区域的尺寸被分级。

根据本发明的一个方面，公开了一种磁性组件，包括第一区域、第二区域以及置于第一区域和第二区域之间的第三区域。第一区域中的氮浓度小于第一区域的0.1wt％，第二区域中的氮浓度大于第二区域的0.4wt％，并且其中第三区域中的氮浓度跨第三区域的尺寸被基本连续分级。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于改变磁性组件的至少一个区域中的磁化值的方法。该方法包括将包含阻氮材料的涂层设置在组件的至少一部分上，以形成掩模，并在富氮气氛中以高于700℃的温度热处理该组件，以形成磁性组件中的该至少一个区域。该至少一个区域由跨至少一个区域的尺寸的氮含量中的梯度和饱和磁化中的梯度来表征。

技术方案1：一种磁性组件，包括：

至少一个包括氮的区域，其中所述至少一个区域中的氮浓度跨所述至少一个区域的尺寸来分级，使得所述至少一个区域中的饱和磁化跨所述至少一个区域的尺寸来分级。

技术方案2：如技术方案1所述的磁性组件，其中在所述至少一个区域中的碳浓度小于所述至少一个区域的0.05重量％。

技术方案3：如技术方案1所述的磁性组件，其中在所述至少一个区域中的氮浓度跨所述至少一个区域的尺寸以基本连续的方式来分级。

技术方案4：如技术方案1所述的磁性组件，其中所述至少一个区域包括第一部分，其具有小于所述第一部分的0.1重量％的氮含量。

技术方案5：如技术方案4所述的磁性组件，其中所述至少一个区域包括第二部分，其具有大于所述第二部分的0.4重量％的氮含量。

技术方案6：如技术方案1所述的磁性组件，进一步包括第一区域和第二区域，其中所述至少一个区域置于所述第一区域和所述第二区域之间。

技术方案7：如技术方案6所述的磁性组件，其中所述第一区域具有小于所述第一区域的0.1重量％的氮含量。

技术方案8：如技术方案6所述的磁性组件，其中所述第二区域具有大于所述第二区域的0.4重量％的氮含量。

技术方案9：如技术方案6所述的磁性组件，其中所述第一区域的饱和磁化大于所述至少一个区域的饱和磁化，并且所述至少一个区域的所述饱和磁化大于所述第二区域的饱和磁化。

技术方案10：如技术方案6所述的磁性组件，其中所述第一区域是磁性的，所述至少一个区域是部分磁性的，并且所述第二区域是非磁性的。

技术方案11：如技术方案1所述的磁性组件，其中所述至少一个区域还包括铁基合金。

技术方案12：一种电机，包括如技术方案1所述的磁性组件。

技术方案13：一种磁性组件，包括：

第一区域、第二区域和置于第一区域和第二区域之间的第三区域，其中所述第一区域中的氮浓度小于所述第一区域的0.1wt％，并且所述第二区域中的氮浓度大于所述第二区域的0.4wt％，并且其中所述第三区域中的氮浓度跨所述第三区域的尺寸基本连续地分级。

技术方案14：一种用于改变磁性组件的至少一个区域中的磁化值的方法，包括：

将包括阻氮材料的涂层设置在所述磁性组件的至少一部分上，以形成掩模；并且

在富氮气氛中以高于700℃的温度热处理所述磁性组件，以形成所述磁性组件中的所述至少一个区域，其中所述至少一个区域由跨所述至少一个区域的尺寸的氮含量中的梯度和饱和磁化中的梯度来表征。

技术方案15：如技术方案14所述的方法，其中所述至少一个区域中的氮含量中的所述梯度通过改变涂层参数来实现，所述涂层参数包括涂层厚度、涂层密度和表面涂布面积百分比中的一种或多种。

技术方案16：如技术方案15所述的方法，其中所述涂层参数通过控制用于设置所述涂层的沉积参数来改变。

技术方案17：如技术方案15所述的方法，其中所述至少一个区域中的氮含量中的所述梯度通过改变所述涂层厚度来实现。

技术方案18：如技术方案14所述的方法，其中所述至少一个区域中的氮含量中的所述梯度通过在热处理步骤之前选择性地去除所述涂层的部分来实现。

技术方案19：如技术方案14所述的方法，其中所述至少一个区域中的碳浓度被控制为小于所述至少一个区域的约0.05重量％。

技术方案20：如技术方案14所述的方法，进一步包括形成磁性组件中的第一区域和第二区域，其中所述至少一个区域置于所述第一区域和所述第二区域之间，并且其中所述第一区域具有大于所述至少一个区域的饱和磁化的饱和磁化，并且所述至少一个区域具有大于所述第二区域的饱和磁化的饱和磁化。

技术方案21：如技术方案20所述的方法，其中所述第一区域具有小于所述至少一个区域的所述氮含量的氮含量，并且所述至少一个区域具有小于所述第二区域的所述氮含量的氮含量。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面和优点变得更好理解，其中在附图中相似字符表示相同的部件，其中：

图1示出了根据本公开的一些实施例的磁性组件；

图2示出了根据本公开的一些实施例的磁性组件；

图3示出了根据本公开的一些实施例的磁性组件的表面上的涂层；

图4示出了根据本公开的一些实施例的掩模配置的二维图示；

图5示出了根据本公开的一些实施例的磁性组件；

图6示出了根据本公开的一些实施例的掩模配置的二维图示；

图7示出了根据本公开的一些实施例的多级组件的横截面图。

具体实施方式

本公开的不同实施例涉及一种磁性组件，其具有在磁性组件的至少一个区域中的氮含量和饱和磁化的分级变化，以及一种改变磁性组件的至少一个区域中的饱和磁化的方法。

在一些实施例中，公开了一种磁性组件。本文描述的磁性组件包括至少一个区域，其中该至少一个区域由跨至少一个区域的尺寸分级的氮含量表征。

如本文所用的术语“磁性组件”指任何产品的磁性部分，例如马达的转子叠片。在一些实施例中，磁性组件由铁磁材料形成，在对于最终应用来要求的尺寸和形状。如本文所用的术语“尺寸”包括任何长度、宽度、厚度、任何对角线或非对角线方向以及体积。因此，如果参数跨长度、跨宽度、跨厚度、跨任何对角线或非对角线方向、跨体积或跨任何设计模式被分级，则该参数被认为是“跨尺寸分级”。

图1示出了根据一些实施例的磁性组件10。磁性组件10通常由具有小于0.05重量％的碳浓度的组合物形成，并且可以是任何形状和尺寸。在此，为了方便理解，磁性组件10被设想为具有矩形形状，其具有顶表面12和底表面14。

在一些实施例中，磁性组件10可以具有一定长度(1)、宽度(w)和厚度(t)。磁性组件10包括至少一个区域30，其由跨区域30的尺寸(未示出)分级的氮含量表征。此外，区域30中的饱和磁化跨区域30的尺寸分级。氮含量跨其可分级的尺寸的非限制性示例包括长度(1)。应当注意，尽管下文描述的实施例在跨长度分级的氮含量和饱和磁化的上下文中描述，但本公开不限于此。如前所述，附加的变型，比如例如，沿着磁性组件10的宽度w、厚度t、任何对角线或非对角线方向或沿着体积的氮含量和磁化饱和的分级在本公开的范围内。

在一些实施例中，区域30中的磁性组件10的氮含量和饱和磁化跨那个区域的长度13分级。如本文所用，如果跨那个区域长度的那个参数中存在梯度，跨区域长度的参数，比如例如氮含量或饱和磁化，被认为是分级的。本文使用的术语“梯度”是指参数值随在指定方向上的变化的逐渐变化。如本文所用，短语“参数值的逐渐变化”是指参数值的逐渐增加或逐渐减小。因此，短语“跨长度的参数的梯度”是指参数值随着跨长度的位置变化的逐渐增加或逐渐减少。

如果区域30的氮含量沿着长度13逐渐增加或逐渐减小，区域30被认为氮含量沿着长度13分级。因此，如果在沿着长度13移动时氮含量增加或减少，则区域30被认为氮含量沿着区域30的长度13分级。通过区域30的长度13，变化量或变化值不需要是常数。因此，即使在沿着区域30的长度13的氮含量值的改变中存在变化，如果改变是单向的(即逐渐地)，则区域30被认为是分级的。例如，在一些实施例中，如果区域30具有如图2所示的沿着长度13的不同部分32、34和36，如果区域30的氮含量按照以下顺序：32的氮含量大于34的氮含量，34的氮含量大于36的氮含量；或者32的氮含量小于34的氮含量，34的氮含量小于36的氮含量，不管在区域30的这些不同部分中的氮含量值的实际变化，区域30的氮含量被认为是分级的。此外，本文使用的参数的“变化”是使用测量这种参数的常用设备可测量的参数的差异。在一些实施例中，参数的变化可以是逐渐的，逐步的或其组合。在一些实施例中，在至少一个区域30中的氮浓度跨区域30的尺寸以基本连续的方式分级。如本文所述，如果使用参数值相对于尺寸位置绘制的线具有恒定的非零斜率，参数的变化被称为“跨尺寸的基本连续的方式”。在一些实施例中，参数变化值通过区域30的长度13是恒定的。

在一些实施例中，该至少一个区域30可以是磁性的、非磁性的或部分磁性的。区域中的氮含量与那个特定区域的磁性关联，而且区域的磁性随着那个区域中的氮含量的降低而增加。因此，在一些实施例中，如果那个区域的氮含量小于那个区域的合金组合物的0.1重量％，则该区域是磁性的，并且如果那个区域的氮含量大于那个区域的合金组合物的0.4重量％，则该区域是非磁性的。此外，如果氮含量的范围是从那个区域的合金组合物的约0.1重量％至约0.4重量％，则该区域是部分磁性的。

如本文所用，术语“磁性区域”是指区域的约99体积％以上是磁性的区域，并且通常将用作磁性区域。此外，术语“磁性区域”是指具有相对磁导率大于1的区域。在一些实施例中，磁性区域的相对磁导率可以大于100，并且在一些实施例中，磁性区域的相对磁导率可以大于200。在一些实施例中，磁性区域的饱和磁化大于1.5特斯拉。在另外实施例的一些中，磁性区域的饱和磁化大于1.8特斯拉。

如本文所用，术语“非磁性区域”是指区域的90体积％以上是非磁性的区域，并且通常将用作非磁性区域。此外，术语“非磁性区域”是指相对磁导率大约等于1的区域。在一些实施例中，非磁性区域的饱和磁化约为零。

如本文所用，术语“部分磁性区域”是指区域的从约10体积％至约99体积％具有磁性相的区域，并且通常将用作具有相对磁导率大于1的磁性区域。在一些实施例中，部分磁性相的饱和磁化是从约0.01至约1.5特斯拉的区域。在一些实施例中，部分磁性区域的饱和磁化是从约0.5至约1.5特斯拉的范围。

在一些实施例中，区域30是磁性的并且具有分级的氮含量和饱和磁化。在这些实施例的一些中，磁性区域30的氮含量小于区域30的0.1％，并且沿着长度13分级。在一些实施例中，磁性区域30的饱和磁化大于1.5T，而且沿着长度13分级。

在一些实施例中，区域30是非磁性的并且具有分级的氮含量和饱和磁化。在这些实施例的一些中，非磁性区域30的氮含量大于区域30的0.4％，并且沿长度13分级。在一些实施例中，非磁性区域30的饱和磁化小于0.5T，并沿着长度13分级。

在一些实施例中，区域30是部分磁性的并且具有分级的氮含量和饱和磁化。在这些实施例的一些中，部分磁性区域30的氮含量在区域30的约0.1％至约0.4％的范围内，并且沿着长度13分级。在一些实施例中，部分磁性区域30的饱和磁化是约0.5T至约1.5T的范围内，并且沿长度13被分级。

在一些实施例中，区域30包括多个部分，使得至少一部分是磁性或部分磁性的。

在一些实施例中，区域30包括第一部分，其具有小于第一部分的0.1重量％的氮含量。例如，在一些实施例中，区域30的部分32(图2)可具有小于部分32的0.1重量％的氮含量，并且是磁性的，其具有大于1.5T的饱和磁化。

在一些实施例中，区域30包括第二部分，其具有大于第二部分的0.4重量％的氮含量。例如，在一些实施例中，区域30的部分36可以具有大于该部分36的0.4重量％的氮含量，而且是非磁性的，其具有小于0.5T的饱和磁化。

在一些实施例中，区域30包括第一部分和第二部分，第一部分具有小于第一部分的0.1重量％的氮含量，并且第二部分具有大于区域30的第二部分的0.4重量％的氮含量。

在一些实施例中，区域30还包括第三部分，其具有从第三部分的约0.1％至约0.4％的范围的氮含量。例如，在一些实施例中，区域30的部分34可具有在部分34的约0.1％至约0.4％的范围的氮含量，并且是部分磁性的，其具有从约0.5T至约1.5T的范围的饱和磁化。

在一些实施例中，区域30包括第一部分、第二部分和第三部分，第一部分具有小于第一部分的0.1重量％的氮含量，第二部分具有大于第二部分的0.4重量％的氮含量，第三部分具有从第三部分的约0.1％至约0.4％的范围的氮含量。

在一些实施例中，磁性组件10包括至少一个区域30，并且还包括具有长度11的第一区域20，如图2所示。在一些实施例中，第一区域20的氮含量小于第一区域20的0.1重量％，并且区域30的氮含量是在区域30的约0.1重量％至约0.4重量％的范围内。在这些实施例的一些中，第一区域20中的氮含量可以是分级和不分级的。因此，在一些实施例中，第一区域20中的氮含量是恒定的，并且区域30中的氮含量是分级的。在一些其他实施例中，第一区域20中的氮含量和区域30中的氮含量是分级的。在这些实施例的一些中，第一区域20是磁性的，而且区域30是部分磁性的。在一些实施例中，从第一区域20开始沿着区域30的长度13，并且在远离第一区域20的方向上，区域30具有连续增加的氮含量和连续减小的饱和磁化。

在一些实施例中，磁性组件10包括至少一个区域30，并且还包括具有长度12的第二区域40。在一些实施例中，第二区域40的氮含量大于第二区域40的0.4重量％，而且区域30的氮含量是在从区域30的约0.1重量％至约0.4重量％的范围内。在这些实施例的一些中，第二区域40的氮含量可以是分级或不分级的。因此在一些实施例中，第二区域40的氮含量是恒定的，并且区域30中的氮含量是分级的。在一些其他实施例中，第二区域40中的氮含量和区域30中的氮含量是分级的。在这些实施例的一些中，第二区域40是非磁性的，区域30是部分磁性的。在一些实施例中，从第二区域40开始沿着区域30的长度13，并且在远离第二区域40的方向上，区域30具有连续减小的氮含量和连续增加的饱和磁化。

在一些实施例中，磁性组件10包括至少一个区域30、第一区域20和第二区域40，其中该至少一个区域30是介于第一区域20和第二区域40之间，如图2所示。在一些实施例中，第一区域20的氮含量小于第一区域20的0.1重量％，区域30的氮含量在第二区域40的约0.1重量％至约0.4重量％的范围内，而且第二区域40的氮含量大于第二区域40的0.4重量％。在这些实施例的一些中，第一区域20和第二区域40中的氮含量可以分级或不分级。因此，在一些实施例中，第一区域20中的氮含量和第二区域40中的氮含量是恒定的，区域30中的氮含量是分级的。在一些其他实施例中，第一区域20中的氮含量、区域30中的氮含量和第二区域40中的氮含量被分级。在一些备选实施例中，第一区域20中的氮含量和区域30中的氮含量被分级，第二区域40中的氮含量是恒定的。在某些实施例中，第一区域20中的氮含量是恒定的，区域30中的氮含量和第二区域40中的氮含量被分级。在这些实施例的一些中，第一区域20的饱和磁化大于区域30的饱和磁化，而且区域30的饱和磁化大于第二区域的饱和磁化。在一些实施例中，第一区域20是磁性的，区域30是部分磁性的，第二区域40是非磁性的。在一些实施例中，从第一区域20开始沿着区域30的长度13直到第二区域40，并且在远离第一区域20和朝向第二区域40的方向上，区域30具有连续增加的氮含量和连续减小的饱和磁化。

在某些实施例中，磁性组件10包括第一区域20、第二区域40和介于第一区域20和第二区域40之间的第三区域30，其中第一区域20中的氮浓度小于第一区域的0.1wt％，第二区域40中的氮浓度大于第二区域的0.4wt％，并且其中第三区域30中的氮浓度跨第三区域30的尺寸是基本连续分级的。根据一些实施例，磁性组件可包括在磁性组件的任何部分中的任何尺寸和形状的任何数量的第一区域20、第二区域40和第三区域30。在一些实施例中，磁性组件10包括彼此接近的多个第一区域20、多个第二区域40和多个第三区域30。

在一些实施例中，第一、第二和第三区域可位于为彼此相邻或可彼此分离。例如，在某些实施例中，磁性组件包括多个第一、第二和第三区域，其中部分磁性区域设置在磁性和非磁性区域之间。在这些实施例中，磁性区域和非磁性区域彼此分离，并且部分磁性区域与磁性和非磁性区域相邻。

在图2所示的实施例中，第一区域20、第二区域40和第三区域30被示为彼此相邻地设置。然而，其中第一、第二和第三区域以随机的方式设置在整个磁性组件体积中的实施例也在本说明书的范围内。

应当注意，图1和图2仅仅是为了说明的目的，并且尽管第一、第二和第三区域的尺寸和形状被显示为基本上类似，但是区域的形状和尺寸可以改变。例如，图2所示的第一、第二和第三区域不一定总是矩形的以及沿着磁性组件10的长度(l)，或沿着磁性组件10的宽度(w)或厚度(t)。此外，磁性组件10可以设计为使得多个第一区域中的不同第一区域可具有相同或不同的形状、长度(l1)、宽度(w1)和厚度(t1)的值。例如，第一区域20的形状(无具体图示)、长度(l1)、宽度(w1)和厚度(t1)可以相同，或分别不同于第二区域40和至少一个区域30的形状、长度(l2)、宽度(w2)和厚度(t2)。

在马达组件中具有饱和磁化梯度的区域的存在实现减少转矩脉动和精确控制穿过电机体积的磁通量的分布。机器内的磁通密度可以在磁性区域中最高，在部分磁性区域中较低，在非磁性区域中最低。此外，部分磁性区域和非磁性区域可能有助于将高饱和磁化区域固定在一起并在操作期间保留机器的机械完整性。此外，在机器体积中的逐渐分布的不同饱和磁化的多个区域的存在使机器设计师能够控制机器内磁通量的分布。

在一些实施例中，磁性组件10是整体形式。如本文使用的术语“整体形式”是指基本上没有任何关节的连续结构。在一些实施例中，单片磁性组件可以在加工期间形成为一个结构，没有任何钎焊或多个烧结步骤。当使用单一材料制作磁性组件时，粘结不同区域的负面影响是通过确保磁性组件10的可靠性、气密性和增加的粘结强度来减少。

在一些实施例中，单片磁性组件可以通过加性制造而制造。在一些实施例中，磁性组件在任何烧结步骤之前制造成单片结构。在某些实施例中，单片磁性组件整体上是使用具有相同组合物的粉末作为初始材料制造的。

因此，在一些实施例中，磁性组件10可以由单一材料制备。作为示例，磁性组件可以包括磁性材料的初始材料制备。本文使用的磁性材料可以是单个元素、合金、组合物、或其任何结合。在一些实施例中，磁性组件可包括铁基合金。

如前所公开，在一些实施例中，磁性组件内的区域中的氮含量与那个特定区域的磁性关联。在一些实施例中，由于通过合金组合物确定的氮溶解度的差异，区域磁性与那个区域中氮含量的关联可根据用于形成磁性组件的合金组合物变化。因此，在一些实施例中，可以包含在一种铁合金的磁性区域中的最大氮含量可能不同于可以包含在不同组合物的另一种铁合金的磁性区域中的最大氮含量。此外，可以包含以形成不同组合物的两种铁合金中的部分磁性区域的氮含量的范围可以是不同的，可以包含以形成两种不同铁合金中的非磁性区域的最小氮含量可根据两种铁合金的组合物变化。

在一些实施例中，铁基合金还可以包括铬、锰或其组合。在一些实施例中，铁基合金可以具有铁素体或马氏体结构。在一些实施例中，铁基合金的组成为20重量％铬和5％锰，余量基本上为铁。在一些实施例中，铁的一部分可以用最高35重量％的钴代替。在一些实施例中，铬的一部分可以用最高5重量％的铝替代。在一些实施例中，铁的一部分可以用最高35重量％的钴代替，铬的一部分可以用最高5重量％的铝替代。在一些实施例中，该合金的磁性区域具有小于那个区域的0.1重量％的氮含量，非磁性区域具有大于那个区域的0.4重量％的氮含量，部分磁性区域具有从那个区域的约0.1重量％至约0.4重量％的范围内的分级的氮含量。如前所述，将铁素体或马氏体结构转化为奥氏体结构增加了该合金中的非磁性和部分磁性相。

奥氏体，也称为γ相铁(γ-Fe)，是铁的金属顺磁性同素异形体。将铁、铁基金属或钢加热到它从铁素体改变晶体结构至奥氏体的温度称为钨化。在一些实施例中，奥氏体化可以通过加入某些合金元素进行。例如，在一些实施例中，添加“某些合金元素”，例如锰、镍、钴和碳，可以甚至在室温下稳定奥氏体结构。通过在选定区域的部分处在室温下稳定奥氏体，可以使所选择的区域具有部分磁性。此外，通过在磁性组件的一些区域在室温下稳定奥氏体可以形成多相磁性组件，同时在磁性组件的一些其它区域保留一些强烈的铁磁性马氏体或铁素体相。

已知碳的存在是为了稳定非磁性奥氏体结构。早期的努力为了将成形碳化物溶解在磁性组件的选定区域中，以稳定磁性组件的那些区域处的非磁性相。在一些实施例中，磁性组件的部分磁性区域是通过加入氮而不是碳，稳定低磁导率奥氏体结构来形成的。碳化物，作为第二相，已知是磁性组件不需要的。因此，在一些实施例中，磁性组件基本上不含碳。

然而，在本发明的其它实施例中，磁性组件可以含有相对较小含量的碳，这有时会增加磁性组件的拉伸强度。在这些实施例中，磁性组件的所有区域中的总碳量可以小于约0.05重量％。在一些实施例中，如上所述，磁性组件10具有至少一个区域30，其中区域30中的氮浓度在区域30的长度上分级。在一些实施例中。磁性组件10的区域30中的碳浓度小于区域30的0.05重量％。

在一些实施例中，公开了一种制造磁性组件10的方法。可以使用热力学和经验计算来预测在升高的温度下加入氮气时形成奥氏体相的磁性组件10的组合物。使用设计的合金组合物的磁性组件10可以通过使用传统方法制造。因此在一些实施例中，以接近最终的形式制造的磁性组件经受分级氮化，而不需要大量改变氮化处理后的形成的磁性组件的形状和尺寸。本文使用的术语“分级氮化”是磁性组件的区域中的一些(期望的)部分的受控氮化，而基本上不改变附近区域的铁磁性质，磁性组件提供了该区域中的氮含量的分级。如果附近区域的平均饱和磁化减少超过那个区域的约5体积％，则附近区域的铁磁性质可被认为是“基本改变的”。

磁性组件可被设计为在氮化之前具有期望的氮溶解度，而且不同饱和磁化的区域可以通过分级氮化来实现。最终磁性组件的饱和磁化可以是氮化步骤之前的磁性组件的饱和磁化的一小部分。由于材料的工艺条件的分级变化，最终磁性组件的体积上的饱和磁化可以不同。

磁性组件的分级氮化可以使用不同的氮化方法来实现。可以将化学、物理或机械性质的分级模块提供给磁性组件的氮含量梯度可期望的区域，以获得该区域的分级磁化。例如，在一些区域中，阻止氮扩散到磁性组件中的化学组合物可以以分级方式用作“阻氮”材料。可以使用在至少一个区域中的选定部分引入氮的物理方法，同时使氮不可用于其它部分。机械模块能够机械地防止氮在至少一个区域中的某些部分的扩散。

因此，在一些实施例中，提出了一种改变磁性组件的至少一个区域中的(饱和)磁化值的方法。如本文所使用的，诸如“改变”和“变化”的术语是指数值随着在特定方向上的改变而逐渐变化，而不是指氮化的持续时间。该方法包括将包含阻氮材料的涂层设置在磁性组件的至少一部分上以形成掩模，并且在富氮气氛中热处理磁性组件以形成至少一个区域，其中该至少一个区域具有该区域尺寸上的氮含量梯度和饱和磁化梯度。热处理温度可能大于700℃。如本文所用，术语“阻氮材料”是指能够基本阻止氮进入该区域的材料。阻氮材料本身不一定含有氮。由于该方法包括将氮分级引入至少一个区域中，该至少一个区域中的氮含量变成在那个区域中分级。

在一些实施例中，模板可以用在磁性组件上，以遮挡一些区域并暴露出其它区域，用于涂覆阻氮材料。涂覆材料可以通过使用不同的方法设置在磁性组件上。用于将涂层设置在磁性组件上的方法的非限制性示例可以包括浸渍涂覆、喷涂、旋涂、滑移浇铸、胶带浇铸和层压以及凝胶浇注。在某些实施例中，涂层是通过在磁性组件上喷涂浆状的阻氮材料而设置的。

在一些实施例中，设计成具有分级磁性的区域被涂层遮蔽，使得允许氮沿着至少一个区域的表面中的不同部分部分地扩散。在一些实施例中，设计为磁性的区域被掩蔽，使得避免氮扩散到那些区域。此外，在一些实施例中，设计为非磁性的区域保持为不被掩蔽，使得氮扩散到这些区域中。

在一些实施例中，通过改变涂层参数来实现至少一个区域30中的氮含量的梯度。涂层参数包括但不限于，涂层厚度、涂层密度和表面涂层面积百分比中的一个或多个。这些涂层参数的变化可以通过不同的方法来实现。在一些实施例中，可以通过控制用于设置涂层的沉积参数来改变涂层参数。合适的沉积参数包括但不限于，沉积方法、材料组合物、固体负载、密度、沉积涂层厚度、沉积速度、干燥方法、干燥速度、烧结温度、烧结时间和涂层气氛。例如，在某些实施例中，可以通过设置具有分级厚度的涂层来实现至少一个区域30中的氮含量的梯度。因此，作为示例，如图3所示，具有厚度tc的涂层42可以设置在至少一个区域30上。厚度tc的梯度可以通过在涂层沉积期间控制厚度或在沉积后选择性地减小涂层厚度来实现。涂层42的厚度tc可以被分级以改变扩散到区域30的氮的含量。因此，在一些实施例中，可以控制涂层42的厚度tc，使得至少一个区域30的不同部分在氮化时具有不同的氮水平和不同的饱和磁化。

本领域技术人员将理解，根据至少一个区域30中的所需梯度的形状和尺寸，涂层42可被设计成具有不同的形状和特性。

如上所述，在一些实施例中，代替涂层的变化厚度，可以改变涂层的密度或表面涂层面积百分比，以控制氮的扩散。例如，与致密涂层相比，具有较低密度的涂层可允许较高含量的氮扩散通过。因此，沿着长度13的涂层密度的变化可以有助于沿着区域30的长度13形成氮含量的梯度。此外，如果沿着区域30的长度13在至少一个区域30中存在表面涂层面积百分比的变化(换句话说，被涂层覆盖的面积百分比)，如图4所示，沿着长度13扩散到区域30的氮含量将是变化的。在图4中，涂层42设置在区域30的顶表面12上。涂层42具有多个开口46，使得氮可以通过这些开口扩散到区域30内。通过改变涂层42中的开口46的数量、形状和尺寸，扩散到区域30中的氮含量可以被控制和分级。

在一些实施例中，形成磁性组件的方法可以包括在磁性组件10中形成第一区域20、第二区域40和至少一个区域30，其中至少一个区域30介于第一区域20和第二区域40之间，如图5所示。在这些实施例中，第一区域20可以用涂层遮蔽，该涂层具有期望的厚度、密度和表面积覆盖率，使得阻止氮进入第一区域20。第二区域可以不被涂覆，以允许最大量的氮扩散进入第二区域40中，并且至少一个区域30可以通过改变涂层的厚度、密度和表面涂层面积百分比中的一个或多个而被部分遮挡，以允许期望的分级含量的氮扩散到区域30中。例如，具有厚度tc的涂层42可以设置在第一区域20上以保持第一区域20的磁性，而且第二区域40可以不被涂覆。可以在至少一个区域30上设置具有厚度梯度的涂层42，使得扩散到至少一个区域30中的氮的含量被分级。在这些实施例的一些中，第一区域20具有大于至少一个区域30的饱和磁化的饱和磁化，并且至少一个区域30具有大于第二区域40的饱和磁化的饱和磁化。

在一些实施例中，可以控制氮化，使得第一区域20具有小于第一区域20的0.1重量％的氮含量，第二区域40具有大于第二区域40的0.4重量％的氮含量，并且介于第一区域20和第二区域40之间的至少一个区域30具有在区域30的约0.1重量％至约0.4重量％的范围内的氮含量的梯度。此外，至少一个区域30中的碳含量可被控制为小于区域30的0.05重量％。在一些实施例中，第一区域20具有小于至少一个区域30的平均氮含量的氮含量，并且至少一个区域30具有小于第二区域40的氮含量的平均氮含量。

在一些实施例中，可以通过在热处理步骤之前选择性地去除涂层42的一部分来实现至少一个区域30中的氮含量的梯度，从而如图6所示改变那些区域中的涂层的表面涂层面积百分比或密度。可以通过不同的方法，包括但不限于蚀刻和喷砂，选择性地去除涂层42的一部分。

在图6中，涂层42设置在区域30的顶表面12上。在涂覆区域30上设置具有多个开口48(未示出)的掩模。未被遮挡的涂层42的一部分可以通过任何合适的方法去除，例如喷砂，以暴露顶表面12。因此在氮化时，沿着长度13扩散到区域30中的氮含量将根据开口48的尺寸、形状和密度的变化而变化。

在一些实施例中，当涂覆阻氮材料或在阻氮材料选择性去除期间使用的掩模的材料、涂层参数、沉积参数或其结合可以变化，以实现在下部区域的氮含量所需梯度。可以改变参数，例如组成、厚度、密度、表面涂层面积百分比、边缘覆盖率、边缘覆盖角度，以设置或去除磁性组件表面上的阻氮材料的期望尺寸、形状和密度。例如，在阻氮材料的喷涂期间可以使用蜡涂层作为掩模，其中具有低密度的蜡涂层可允许一些阻氮材料穿透蜡并涂覆在表面上。此外，掩模边缘处的分级厚度有助于形成具有分级厚度的阻氮材料的涂层。掩模和阻氮材料可以在氮化之后通过机械力去除，例如刷洗。

氮化可以通过固体、液体、气体或等离子体途径进行。在一些实施例中，高温气体氮化用于将氮引入组件中。在某些实施例中，高温气体氮化包括在高温下在氮气气氛中热处理磁性组件。备选地，氨和氢的混合物中的热处理可以用于氮扩散。在这种技术中，高温允许氮的快速扩散，从而提供快速的处理途径。或者，等离子体氮化可以用于氮扩散。

在一些实施例中，通过在富氮气氛中气体氮化，通过在大于700摄氏度(℃)的温度下进行热处理，氮可能扩散到磁性组件10中。在一些实施例中，气体氮化是通过在高于800℃的温度下进行热处理来进行。

在一些实施例中，用于气体氮化的压力大于0.5大气压(atm.)。通常，预期氮的扩散随着较高的热处理温度和增加的氮平衡表面浓度而增加。通常，磁性部件10周围的气体的增加的压力增加了氮的表面浓度。因此，在纯氮气氛中的给定条件下，氮气压力大于大气压，高温通常会提供更快的氮化过程。在一些实施例中，大于1大气压的环境压力和大于约900℃的温度被用于氮化。在另外的实施例中，氮化温度大于1000℃。

在一些实施例中，富氮气氛被用于氮化。在一些实施例中，富氮气氛包括大于约90％的氮。在一些实施例中，氮化是在基本纯净的氮气气氛中进行。大量纯氮气氛可以通过从炉腔中排空空气之后在炉腔中填充氮气，并在加工过程中用氮气净化或通过连续的氮气吹扫来产生。可以根据磁性组件10的氮扩散(和非扩散)的所需量、图案，将涂层施加到部件上。图5所示的磁性组件10的氮化可以发生在穿过磁性组件10的顶部12、底部14以及前部17和后部19表面部分上的至少一个区域30的表面部分。如果至少一个区域30是具有长度l的磁性组件的端部，则区域30的氮化发生在穿过磁性组件10的侧表面17和/或19，如图3所示。

当图3-6所示的磁性组件10进行气体氮化时，氮扩散通过组件，通过磁性组件10的所有表面的未涂覆的(如果有的话)和部分涂覆的部分，包括磁性组件的顶表面12、底表面14以及侧表面16、17、18和19。这种扩散的氮与磁性组件的组合物结合，改变了这些区域的局部相稳定性，并将这些区域转化为非磁性奥氏体。尽管氮扩散穿过表面，氮化参数允许氮进一步扩散到磁性组件的长度、宽度和厚度，通过磁性组件10的所有表面，同时涂覆或部分涂覆的区域防止大量的氮扩散通过那些区域。

通过经验和热力学计算，氮化参数可以调整，而且在磁性组件10的某些区域的不同方向的氮扩散可以预测，因此涂层42的尺寸、形状、厚度和开口可以被改变，使得所得到的最终产品大约是氮化过程的期望结果。

在一些实施例中，扩散进入磁性组件的内部区域的氮可以取决于氮在磁性部件10内的传播距离。例如，如果氮化仅分别通过顶表面12和底表面14，氮扩散到磁性组件10内部部分所需的持续时间可以取决于磁性组件10的厚度t。在一些实施例中，磁性组件10的厚度是在约0.1mm到约5mm的范围内。该组件的磁性、非磁性和部分磁性区域的期望图案可以通过将氮扩散通过选择性涂覆的顶表面12和底表面14来获得，从而保持涂覆的厚度t的侧表面。

可以呈现不同的拓扑结构，包括上述的多相和分级的磁性材料，并且可以制造包括如上所述的磁性组件的电机。例如，可以将内部永磁电机和感应电机设计为具有更高的功率密度和更高的功率因数，以及更低的穿过极点成形的转矩波动，并且可以设计为具有无传感器的控制。切换的磁阻电机可设计成在高速时具有较低的风阻损失，并进一步减少转矩波动。同步磁阻电机可以设计成具有更高的功率密度，更高的功率因数，更宽的恒定功率速度范围，更低的转矩波动和无传感器的控制。

例如，可以设计许多不同类型的同步磁阻电机，具有可操作地设置在定子范围内的定子和转子轴。图7示出了可以从多相材料中受益的拓扑的示例。部件50可以表示磁阻电机的一部分，包括磁性区域52和部分磁性区域54，部分磁性区域54在两个磁性区域52之间具有饱和磁化的梯度。这些磁性区域52和分级的部分磁性区域54在下面统称为“复合区段”。组件50的选择性成形的转子55被配置为四极机器。每个极可包括多个轴向延伸的径向定位的(“堆叠”)的复合区段56、58、60等，其延伸自每个极，终止于中心转子轴62。极数以及叠片的数量可以根据磁阻机器的具体设计而显著变化。

继续参照图7，复合区段有效地将磁通量引导到转子55内外。磁性区域52约束磁通量的路径，而分级和部分磁性区域54确保相对高密度的磁通线平滑过渡地从转子表面出来，并且进入转子和定子之间的空气间隙。在根据常规技术制造这些类型的磁阻电机时，磁性和部分磁性叠片通常必须通过各种机械/金属加工步骤组装，例如切割和焊接。本申请的发明人已经发现，使用多相材料和制备这些材料的方法，更有效地获得了所需的构造，如在一些实施例中所描述的。

本文呈现的不同实施例可以使电机设计者能够精确地控制穿过电机体积的磁通量的分布。这可以通过设计在机器的整个体积中分布的差分和分级的饱和磁化的区域来实现。在具有较高饱和磁化的区域内，机器内的磁通密度将会很高。较低饱和磁化的区域仍然可用于保持机器的机械完整性，而不会引起高转矩波动。

该书面描述使用示例来描述公开内容，包括最好的模式，并且还使得本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员所发现的其它示例。如果这些其他示例的结构要素与权利要求的文字语言没有差异，或者如果它们包含与权利要求书的文字语言无实质差异的等效结构要素，则往往落入权利要求书的范围之内。

Claims (20)

1.一种磁性组件，包括：

至少一个区域，所述至少一个区域包括氮，其中所述至少一个区域中的氮浓度跨所述至少一个区域的尺寸以连续的方式来分级，使得所述至少一个区域中的饱和磁化跨所述至少一个区域的所述尺寸来分级，其中所述至少一个区域中的氮含量中的梯度通过改变涂层参数来实现。

2.如权利要求1所述的磁性组件，其中，在所述至少一个区域中的碳浓度小于所述至少一个区域的0.05重量％。

3.如权利要求1所述的磁性组件，其中，所述至少一个区域包括第一部分，其具有小于所述第一部分的0.1重量％的氮含量。

4.如权利要求3所述的磁性组件，其中，所述至少一个区域包括第二部分，其具有大于所述第二部分的0.4重量％的氮含量。

5.如权利要求1所述的磁性组件，进一步包括第一区域和第二区域，其中所述至少一个区域置于所述第一区域和所述第二区域之间。

6.如权利要求5所述的磁性组件，其中，所述第一区域具有小于所述第一区域的0.1重量％的氮含量。

7.如权利要求5所述的磁性组件，其中，所述第二区域具有大于所述第二区域的0.4重量％的氮含量。

8.如权利要求5所述的磁性组件，其中，所述第一区域的饱和磁化大于所述至少一个区域的饱和磁化，并且所述至少一个区域的所述饱和磁化大于第二区域的饱和磁化。

9.如权利要求5所述的磁性组件，其中，所述第一区域是磁性的，所述至少一个区域是部分磁性的，并且所述第二区域是非磁性的，其中所述至少一个区域的10体积％至99体积％具有磁性相。

10.如权利要求1所述的磁性组件，其中，所述至少一个区域还包括铁基合金。

11.一种电机，包括如权利要求1所述的磁性组件。

12.一种磁性组件，包括：

第一区域、第二区域和置于所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域，其中所述第一区域中的氮浓度小于所述第一区域的0.1wt％，并且所述第二区域中的氮浓度大于所述第二区域的0.4wt％，并且其中所述第三区域中的氮浓度跨所述第三区域的尺寸连续地分级，其中跨所述第三区域的所述尺寸的所述氮的连续的梯度通过改变涂层参数来实现。

13.一种用于改变磁性组件的至少一个区域中的磁化值的方法，包括：

将包括阻氮材料的涂层设置在所述磁性组件的至少一部分上，以形成掩膜；并且

在富氮气氛中以高于700℃的温度热处理所述磁性组件，以形成所述磁性组件中的所述至少一个区域，其中所述至少一个区域由跨所述至少一个区域的尺寸的氮含量中的连续的梯度和饱和磁化中的连续的梯度来表征，其中所述至少一个区域中的氮中的所述连续的梯度通过改变涂层参数来实现。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个区域中的氮含量中的所述梯度通过改变涂层参数来实现，所述涂层参数包括涂层厚度、涂层密度和表面涂布面积百分比中的一种或多种。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂层参数通过控制用于设置所述涂层的沉积参数来改变。

16.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个区域中的氮含量中的所述梯度通过改变所述涂层厚度来实现。

17.如权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个区域中的氮含量中的所述梯度通过在热处理步骤之前选择性地去除所述涂层的部分来实现。

18.如权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个区域中的碳浓度被控制为小于所述至少一个区域的0.05重量％。

19.如权利要求13所述的方法，进一步包括形成所述磁性组件中的第一区域和第二区域，其中所述至少一个区域置于所述第一区域和所述第二区域之间，并且其中所述第一区域具有大于所述至少一个区域的所述饱和磁化的饱和磁化，并且所述至少一个区域具有大于所述第二区域的饱和磁化的所述饱和磁化。

20.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一区域具有小于所述至少一个区域的所述氮含量的氮含量，并且所述至少一个区域具有小于所述第二区域的氮含量的所述氮含量。

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