CN110459376B - 具有磁性相和非磁性相的整体式结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有整体式结构的磁性构件、具有该磁性构件的横向磁通电机，以及制造该磁性构件的方法。磁性构件的整体式结构包括磁性区域和非磁性区域。磁性区域包括磁性相和电绝缘相。非磁性区域包括非磁性相。磁性相包括金属材料，并且非磁性相包括由金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

Description

具有磁性相和非磁性相的整体式结构

关于联邦政府资助的研究和开发的声明

本发明是在美国能源部授予的编号为DE-EE0007755的合同下利用政府支持进行的。政府在本发明中享有某些权利。

技术领域

本说明书的实施例大体上涉及具有整体式结构的磁性构件及形成其的方法。更具体而言，实施例涉及具有磁性区域和非磁性区域的整体式结构的磁性构件，以及形成该磁性构件的方法。

背景技术

对于高功率密度和高效电机(即，电动机和发电机)的需求长期以来普遍用于各种应用，特别是用于混合动力和/或电动交通工具牵引应用。目前，在混合动力/电动交通工具牵引马达应用中，增加转子的旋转速度，以增加电机的功率密度。功率密度的增加导致质量和成本的降低。然而，认识到，在电机用于混合动力/电动交通工具中的牵引应用时，在功率密度、效率以及机器的恒定功率速度范围之间存在明确的权衡考虑。这种权衡考虑带来了许多设计挑战。

双相软磁性材料为能够从铁磁性相局部转变成具有接近一个单位(unity)的磁导率的非铁磁性(顺磁性)相的材料。该功能性使得机器设计者能够改进对电机中的转子和定子的磁极之间的磁通链接的控制。与利用常规软磁性材料(如硅钢)制造的机器相比，这在机器的功率输出和效率方面为有益的。

常规上，双相软磁性材料制造为轧制板，其形成为用于随后组装到电机中的薄层压板。因此，层压板中的磁通路径为二维的，并且局限于层压板的平面。不局限于层压板的平面的磁通路径的部分将导致层压板中的不可接受的大的涡流损耗。此外，不局限于层压板的平面的磁通路径的部分可被引导通过层压板之间存在的气隙，对于越过由层压板限定的气隙的磁通的需要将增加驱动机器的磁路的磁阻。因此，在定子绕组中将需要更大的电流，这也将导致定子绕组中的不可接受的大的电阻损耗。本说明书的实施例解决了这些及其它需求。

发明内容

根据本说明书的一个方面，公开了一种具有整体式结构的磁性构件。磁性构件的整体式结构包括磁性区域和非磁性区域。磁性区域包括磁性相和电绝缘相。非磁性区域包括非磁性相。磁性相包括金属材料，并且非磁性相包括由金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

根据本说明书的另一方面，公开了一种横向磁通电机。横向磁通电机包括定子极，其构造成围绕定子线圈沿轴向偏斜的方向传输磁通。定子极具有整体式结构。磁性构件的整体式结构包括磁性区域和非磁性区域。磁性区域包括磁性相和电绝缘相。非磁性区域包括非磁性相。磁性相包括金属材料，并且非磁性相包括由金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

根据本说明书的另一方面，公开了一种制造磁性构件的方法。方法包括使用金属材料执行增材制造技术以形成具有整体式结构的磁性构件，该整体式结构具有处于磁性状态的金属材料。执行整体式结构的选定区域的受控氮化，以将选定区域中的金属材料转变成氮化金属材料，使得整体式结构包括磁性区域和非磁性区域。磁性区域包括磁性相和电绝缘相。非磁性区域包括非磁性相。磁性相包括金属材料，并且非磁性相包括氮化金属材料。

技术方案1. 一种磁性构件，包括：

整体式结构，其包括磁性区域和非磁性区域，其中

所述磁性区域包括磁性相和电绝缘相；并且

所述非磁性区域包括非磁性相，并且其中所述磁性相包括金属材料，并且所述非磁性相包括由所述金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

技术方案2. 根据技术方案1所述的磁性构件，其特征在于，所述非磁性相包括大于所述氮化金属材料的0.1重量百分比的氮含量。

技术方案3. 根据技术方案1所述的磁性构件，其特征在于，所述氮化金属材料经由通过所述受控氮化将所述金属材料从磁性状态原位转变成非磁性状态而形成。

技术方案4. 根据技术方案1所述的磁性构件，其特征在于，所述电绝缘相包括空气、惰性气体、电绝缘固体材料，或其任何组合。

技术方案5. 根据技术方案4所述的磁性构件，其特征在于，所述空气、惰性气体或者所述空气和所述惰性气体的组合设置在所述磁性相中的间隙中。

技术方案6. 根据技术方案4所述的磁性构件，其特征在于，所述电绝缘固体材料设置在所述金属材料的颗粒边界中。

技术方案7. 根据技术方案4所述的磁性构件，其特征在于，所述磁性区域和所述非磁性区域两者都包括所述电绝缘相，其中所述电绝缘相包括所述电绝缘固体材料。

技术方案8. 根据技术方案1所述的磁性构件，其特征在于，磁性区域和非磁性区域分散在所述磁性构件中，使得所述磁性区域和所述非磁性区域在所述磁性构件的所述整体式结构中彼此邻近地设置。

技术方案9. 根据技术方案8所述的磁性构件，其特征在于，所述磁性区域与其它磁性区域、非磁性区域或两者物理接触。

技术方案10. 一种横向电机，包括：

定子极，其构造成围绕定子线圈沿轴向偏斜的方向传输磁通，其中所述定子极具有包括磁性区域和非磁性区域的整体式结构，并且其中

所述磁性区域包括磁性相和电绝缘相；并且

所述非磁性区域包括非磁性相；并且其中所述磁性相包括金属材料，并且所述非磁性相包括由所述金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

技术方案11. 根据技术方案10所述的横向电机，其特征在于，所述非磁性相包括大于所述氮化金属材料的0.1重量百分比的氮含量。

技术方案12. 根据技术方案10所述的横向电机，其特征在于，所述氮化金属材料经由通过所述受控氮化将所述金属材料从磁性状态原位转变成非磁性状态而形成。

技术方案13. 根据技术方案10所述的横向电机，其特征在于，所述电绝缘相包括空气、惰性气体、电绝缘固体材料，或其任何组合。

技术方案14. 根据技术方案13所述的横向电机，其特征在于，所述空气、惰性气体或者所述空气和所述惰性气体的组合在所述横向电机的操作期间设置在平行于所述磁性相中的所述磁通的平面中。

技术方案15. 根据技术方案13所述的横向电机，其特征在于，所述电绝缘固体材料设置在所述金属材料的颗粒边界中。

技术方案16. 根据技术方案10所述的横向电机，其特征在于，所述磁性区域和所述非磁性区域两者都包括所述电绝缘相，其中所述电绝缘相包括所述电绝缘固体材料。

技术方案17. 根据技术方案10所述的横向电机，其特征在于，磁性区域和非磁性区域分散在所述磁性构件中，使得所述磁性区域和所述非磁性区域在所述磁性构件的所述整体式结构中彼此邻近地设置。

技术方案18. 一种制造磁性构件的方法，所述方法包括：

使用金属材料执行增材制造技术以形成包括整体式结构的所述磁性构件，所述整体式结构包括磁性区域和非磁性区域，其中所述磁性区域和所述非磁性区域两者都包括处于磁性状态的所述金属材料；以及

执行所述非磁性区域的受控氮化以将所述非磁性区域中的所述金属材料转变成氮化金属材料，使得：

所述磁性区域包括磁性相和电绝缘相；

所述非磁性区域包括非磁性相；并且

所述磁性相包括所述金属材料，并且所述非磁性相包括所述氮化金属材料。

技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，执行所述增材制造技术包括：

制作包括所述金属材料、粘合剂以及电绝缘材料的多个构建层；以及

热处理所述构建层，以移除所述粘合剂并且将所述电绝缘材料设置在存在于所述构建层的至少一部分中的颗粒边界中。

技术方案20. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，执行所述非磁性区域的所述受控氮化包括：

使用氮阻隔材料机械地掩蔽所述磁性区域的表面；以及

在大于900ºC的温度下在富氮气氛中热处理所述磁性构件。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本说明书的这些和其它的特征、方面和优点变得更好理解，在该附图中，相似的标记在所有附图中表示相似的部件。

图1示出根据本说明书的一些方面的具有整体式结构并且具有磁性和非磁性区域的磁性构件的截面视图。

图2示出根据本说明书的一些方面的在整体式结构中具有电绝缘材料的特定布置的图1的磁性构件的截面视图。

图3为根据本说明书的一些方面的横向磁通电机的一个相的示意图，该横向磁通电机以由增材制造的定子组件包绕的环形线圈为特征。

图4示出根据本说明书的一些方面的在整体式结构中具有磁性区域和非磁性区域的确定布置的图3的增材制造的定子组件的部分的截面视图。

图5为根据本说明书的一些方面的横向磁通机器的示例性部分的图解表示。

具体实施方式

本说明书的不同实施例涉及磁性构件、磁性构件的整体式结构，以及形成磁性构件的方法。

当介绍本说明书的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”意在表示存在元件中的一个或多个。用语“包括”、“包含”和“具有”意在为包括性的，并且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。如本文中使用的，用语“或”并不意味着是排它性的，并且是指存在的引用构件中的至少一个，并且包括其中可存在引用构件的组合的情况，除非上下文另外明确指出。

如本文中在说明书和权利要求书各处使用的近似语言可应用于修饰任何数量表示，该任何数量表示可容许地改变而不导致其所涉及的基本功能的变化。因此，由一个或多个用语如“大约”和“大致”修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。在此且在说明书和权利要求书各处，范围限制可组合和/或互换，此类范围被确认并且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。如本文中使用的，用语“或”并不意味着是排它性的，并且是指存在的引用构件中的至少一个，并且包括其中可存在引用构件的组合的情况，除非上下文另外明确指出。

本说明书提供磁性构件。磁性构件具有整体式结构，整体式结构具有磁性区域和非磁性区域，其中磁性区域包括磁性相和电绝缘相，并且非磁性区域包括非磁性相。磁性相包括金属材料。非磁性相包括氮化金属材料。氮化金属材料由磁性相的金属材料的受控氮化形成。

为了更明确地和简明地描述和指明主题，提供以下定义用于在以下描述和所附权利要求书中各处使用的特定用语，除非关于具体实施例而另外特别地指出。

如本文中使用的，“整体式结构”是指在结构的形成之后不具有任何连结部分或层的一体结构。整体式结构可具有连接的区域，作为结构的部分，其中在整体式结构本身的形成期间建立连接。在子结构单独形成之后，整体式结构并非通过将不同的子结构以机械、热或化学的方式连结在一起而形成。如本文中使用的用语“磁性区域”是指具有铁磁性特性的磁性构件的区域。具体而言，磁性构件的磁性区域允许有磁通的流动。磁性构件中的非磁性区域构造成减少或防止磁通的流动。用语“磁性相”是指在具有大于1的相对磁导率的磁性状态下的材料。具体而言，具有大于1的相对磁导率的材料允许有磁通的流动，并且被称为磁性相。在一些实施例中，磁性构件的磁性区域的磁性相的相对磁导率大于100，并且饱和磁化强度大于1.5特斯拉。“非磁性相”是指具有大于大约90体积％的材料的相，其中磁导率为近似1，并且饱和磁化强度为大约零。非磁性区域为构造成不会促进磁通的流动的区域。在某些实施例中，“磁性构件”可为任何产品的磁性部分，如例如马达的定子或转子的部分。

如本文中使用的，“金属材料”是指包括至少一个金属和导电元件的材料。在一些实施例中，金属材料由金属或合金构成。在一些实施例中，金属材料为包括一个或多个间隙元素的合金。作为示例，金属材料可由常规材料(如铁基材料、镍基材料或钴基材料)制成，具有双磁性特性，以促进横向磁通机器的芯部的合乎需要的功能。

图1描绘根据本说明书的实施例的磁性构件100的截面视图。磁性构件100包括磁性区域110和非磁性区域120。磁性区域110包括磁性相112和电绝缘相114。非磁性区域120包括非磁性相122。尽管未示出，但是非磁性区域120还可包括电绝缘相。在一些实施例中，磁性构件100的整体式结构分别包括磁性区域110和非磁性区域120。磁性区域110和非磁性区域120可分散在磁性构件100中，使得磁性区域110和非磁性区域120在磁性构件100的整体式结构中彼此邻近地设置。磁性区域110可与其它磁性区域110、非磁性区域120或两者物理接触。在一些实施例中，磁性区域110由磁性相112和电绝缘相114(分散在磁性区域110内)形成。在一些实施例中，多个磁性相112和多个电绝缘相114随机分布在磁性区域110中。在磁性构件100的操作期间，多个磁性相112和多个电绝缘相114的共存允许电绝缘相114在一个或多个磁性相112附近的存在并且限制由磁性相导致的涡流112的生成。

磁性相112包括金属材料。可选择金属材料，使得金属材料的磁导率为高的，并且因此，高磁通可在磁性构件100处于操作时穿过磁性区域110中的磁性相112。在一些实施例中，磁性相由金属材料制成。金属材料的非限制性示例包括铁、镍、铬、包含任何铁、镍以及铬的元素的合金，或任何这些元素的组合，以在磁性构件100的操作期间传导磁通。在一些实施例中，磁性相112可包括在量上大于磁性相112的90重量百分比的铁-镍-铬合金。在特定实施例中，Fe-20Cr-5Mn(按重量％)合金被用作金属材料。

磁性构件100的整体式结构在减少磁通在磁性构件100的操作期间的损耗方面为特别有利的。例如，在其中磁性区域110包括多个层(如层压结构)的实施例中，在穿过磁性区域的磁通的流动方向上，独立层的边界可对在两个独立层之间横穿的磁通线提供阻力，并且磁通的某部分可通过能量耗散而损耗。相反，磁性区域110的整体式结构可不呈现对磁性区域110内的磁通的任何可检测到的阻力，并且因此有助于最大化磁通的流动，导致磁性构件100的效率提高。

磁性构件100的非磁性区域120有助于增加磁性构件100的机械强度，并且有助于进一步减少来自磁性构件100的涡流损耗。具有磁性构件100的磁性区域110和非磁性区域120两者的整体式结构有助于增强磁性构件100的机械完整性和强度。

非磁性区域120包括具有非磁性相的材料。在本文中提出的实施例中，整体式结构的磁性相112和非磁性相122由相同的金属材料形成。为此，非磁性相122的材料为由金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。金属材料的受控氮化将金属材料从磁性状态转变成非磁性状态。非磁性区域120的非磁性相122的氮化金属材料具有高于磁性相112的氮含量(如果有的话)的氮含量。在一些实施例中，磁性构件100的非磁性相122包括氮含量，其大于磁性相122的氮化金属材料的总重量的0.1重量百分比。在一些实施例中，金属材料从磁性相112至非磁性相122的转变在整体式结构的制造期间原位(in situ)执行，并且在一些其它实施例中，在整体式结构的形成之后执行转变。

电绝缘相114可包括具有高电阻的材料，以避免或减少来自磁性相112的任何涡流生成和传导。没有任何界面电绝缘相的磁性相112典型地生成更高量的涡流，尤其是在磁性构件100的高频操作时。高涡流生成可增加来自磁性构件100的能量损耗。磁性区域110中的电绝缘相114的存在防止或至少减少涡流生成。在一些实施例中，电绝缘相114的电绝缘材料可包括空气、惰性气体、电绝缘固体材料，或其任何组合。在一些实施例中，空气、惰性气体或者空气和惰性气体的组合在磁性构件100的操作期间设置在磁性相112中的一个或多个间隙中，设置在大致上平行于磁通的平面中。电绝缘固体材料的非限制性示例包括聚合物、陶瓷材料，或它们的组合。在一些实施例中，金属材料的颗粒通过电绝缘固体材料而彼此粘合。

在一些实施例中，电绝缘材料可为电绝缘固体材料。电绝缘固体材料可连同金属材料分散在磁性构件100中。在一些实施例中，仅磁性区域包括电绝缘相114，然而在一些其它实施例中，磁性区域和非磁性区域两者都包括电绝缘相114，其具有电绝缘固体材料，如例如在图2中示出的。在图2中，磁性构件200包括磁性区域210和非磁性区域220。磁性区域210包括磁性相212和电绝缘相214。磁性区域210的至少一部分设置在非磁性区域220的部分之间。非磁性区域220包括非磁性相222和电绝缘相214。电绝缘相214包括电绝缘材料。在一些实施例中，电绝缘材料设置在金属材料的至少一些颗粒边界中。在一些实施例中，磁性区域210中的电绝缘固体材料的量可大于非磁性区域220中的电绝缘固体材料的量。在示例性实施例中，如图1或图2中呈现的磁性区域和非磁性区域的整体式结构可在横向磁通电机中使用。

尽管未在图1和图2中示出，但是在一些实施例中，除了金属材料和电绝缘材料之外，磁性构件100还可包括基质材料。在一些实施例中，基质材料可为不同于电绝缘材料的聚合物。在某些实施例中，基质材料为用于在磁性构件100的制备期间粘合金属材料的粘合剂的固化形式。在一些实施例中，金属材料和电绝缘材料通过基质材料粘合。在示例性实施例中，磁性构件100的磁性区域110包括作为金属材料的铁-铬锰合金、在环氧树脂或聚氨酯的基质中作为电绝缘材料的硅树脂。

在一些实施例中，公开了横向磁通电机。横向磁通电机包括呈定子极的形式的磁性构件，其构造成围绕定子线圈沿轴向偏斜的方向传输磁通。图3示出增材制造的横向磁通机器300的单个相的图解表示。横向磁通机器300包括可操作地联接至转子304的定子302。定子302包括多个定子极308和定子线圈310。定子极308可操作地联接至定子线圈310，并且各个定子极308包绕定子线圈310的至少一部分。在某些实施例中，转子304可包括转子磁轭312、永磁体的阵列314(图3中未示出)，以及沿着轴线303的转子轴316。定子极308具有整体式结构，并且包括磁性区域和非磁性区域(图3中未示出)。磁性区域、非磁性区域或者磁性区域和非磁性区域两者的形状可在不同的定子极308中相似或不同。磁性区域包括磁性相和电绝缘相，并且非磁性区域包括非磁性相，如早先关于图1或图2公开的那样。磁性相包括金属材料，并且非磁性相包括氮化金属材料，其由金属材料的受控氮化形成。磁性区域和非磁性区域的结构以及定子极的工作关于图4和图5更详细地被描述。

图4为横向磁通机器(如图3的横向磁通机器300)的增材制造的定子极400的放大示意图。定子极400包括一对腿部402,404，和连接腿部402和404的连接节段406，以及开口408。具体而言，开口408设置在定子极400的成对腿部402,404之间。开口408构造成接收定子线圈的至少一部分(图4中未示出)。因此，开口408的形状和尺寸对应于定子线圈的形状和尺寸。此外，定子极400包括磁性区域410和非磁性区域420中的至少一个。磁性区域410关于连接节段406的中心线416为不对称的。具体而言，设置在中心线416的任一侧上的定子极400的部分410和420并非彼此的镜像。具体而言，在中心线416的一侧中的磁性区域410并非相对于中心线416的另一侧中的磁性区域410对齐。

图5为根据本说明书的方面的横向磁通机器的示例性部分的图解表示。具体而言，图5表示横向磁通机器的芯部500的部分。典型地，横向磁通机器的导磁部分被称为芯部。在图5中，定子极308和永磁体的阵列314形成横向磁通机器300的芯部。芯部500的示出的部分包括定子极504和540。在一些实施例中，定子极504和540为平面定子极。根据本说明书的方面，定子极504和540中的各个包括具有磁性区域510和非磁性区域520的整体式结构。在磁性区域510与非磁性区域520之间的边界由参考数字509表示。在图5的示例中，磁性区域510由大于阈值的相对磁导率的值限定。此外，非磁性区域520的相对磁导率的值等于或低于阈值。磁性区域510形成定子极504和540的导磁部分。

在图5的示例中，定子极504,540具有C形结构。此外，开口508限定在定子极504,540中。开口508构造成接收定子线圈512。定子线圈512构造成激励定子极504和540。在一些实施例中，定子线圈512可由如铜、铝等材料制成。定子线圈512包括环状结构。定子极504,540和定子线圈512的组合形成定子528。尽管图5的示例描绘仅两个定子极504,540，但是多个定子极可沿着定子线圈512彼此大致等距地设置。定子极504和540的磁性区域510连同芯部500的其它定子极的磁性区域一起限定芯部500的3D磁路534。

芯部500包括永磁体的阵列514。阵列514的各个永磁体的北极和南极设置成独立的排。此外，阵列514的各个永磁体的北极和南极相对于阵列514的其它永磁体的北极和南极沿轴向和沿切向移位。如本文中使用的用语“北极”可用来指这样的极：在其处，极的磁化方向从磁体的表面向外指向。北极516的相反端部被称为南极518。永磁体的阵列514形成芯部500的转子的部分。

箭头542表示转子的旋转方向。此外，箭头522表示在特定时刻流动穿过定子线圈512的电流的方向。由于定子线圈512为环状结构，故流动穿过定子线圈512的电流遵循大致上环形的路径。因此，在电流沿由箭头542示出的方向流动穿过定子线圈512时，磁通524围绕定子线圈512沿顺时针方向生成。具体而言，磁通524流动穿过定子极504。尽管在图5的示例中，表示了两个定子极504,540，但是为了便于解释，磁通524的流关于仅一个定子极(定子极504)来解释。

如在上文指出的，定子极504的磁性区域510具有大于阈值的相对磁导率的值，并且定子极504的非磁性区域520具有等于或低于阈值的相对磁导率的值。在一个示例中，阈值为300。此外，可注意的是，空气的相对磁导率等于1。由于定子极504的磁性区域510的相对磁导率较高，因此在操作中，磁通524流动穿过磁性区域510而不是穿过非磁性区域520或空气。定子极504的磁性区域510为磁通524流动提供3D空间。在操作中，磁通524朝向定子528的内半径流动。在内半径处，磁通524流动穿过定子极504的一个端部，越过气隙532，并且流动到永磁体的阵列514中。具体而言，磁通524沿着R-轴流动到永磁体的阵列514的南极518中。此外，磁通524在θ-z平面中流动穿过转子(例如，穿过转子的铁)，并且从永磁体的阵列514的北极516出现。当在另一端部处重新进入定子极504时，磁通524再次越过气隙532至同一定子极504的另一端部或不同的定子极540。在一些实施例中，磁通524越过气隙532至定子极504的另一端部处的导磁部分510。

典型地，在横向磁通电机中，流动穿过磁性区域510的磁通524将生成涡流，涡流将增加来自磁芯的能量损耗。在本文中提出的实施例中的横向磁通电机的芯部的整体式结构的定子极504和540包括电绝缘相连同磁性区域510中的磁性相。存在于磁性区域510中的电绝缘相限制了在磁性区域510中的涡流生成，并且由此防止或至少减少由于涡流而产生的能量损耗。此外，通过使用增材制造技术，磁性特征可平行于磁通524路径而对准，并且由此最小化来自磁性区域510的磁通泄漏。在某些实施例中，横向磁通电机的整体式结构除了在磁性区域510中包括电绝缘相之外，在非磁性区域520中也包括电绝缘相。非磁性区域520中的电绝缘相的存在防止来自磁性区域510的涡流的进一步传导，并且由此有助于来自机器的能量损耗的进一步减少。

在一些实施例中，非磁性相包括大于氮化金属材料的0.1重量百分比的氮含量。非磁性相的氮含量遍及非磁性区域120可为恒定的，或者可根据位置相对于磁性构件的氮扩散表面的深度而变化。在一些实施例中，电绝缘相包括空气、惰性气体、电绝缘固体材料，或其任何组合。在一些实施例中，空气、惰性气体或者空气和惰性气体的组合在横向磁通电机的操作期间设置在平行于磁性相中的磁通的平面中。在一些实施例中，电绝缘固体材料设置在金属材料的颗粒边界中。在一些实施例中，磁性区域和非磁性区域两者都包括具有电绝缘固体材料的电绝缘相。

在一些实施例中，公开了制造磁性构件的方法。方法包括使用金属材料执行增材制造技术，以形成具有整体式结构的磁性构件。整体式结构包括处于磁性状态的金属材料。在一些实施例中，整体式结构主要使用金属材料来构建，使得大于90％的整体式结构由金属材料制成。方法还包括执行整体式结构的选定区域的受控氮化，以将选定区域中的金属材料转变成氮化金属材料，使得在最终结构中，整体式结构包括具有磁性相和电绝缘相的磁性区域以及包括非磁性相的非磁性区域。磁性相包括用于形成整体式结构的金属材料，并且非磁性相包括通过使用于形成整体式结构的金属材料氮化而获得的氮化金属材料。选定区域的受控氮化可在整体式结构的形成期间或在整体式结构的形成之后原位执行。在一些实施例中，制造磁性构件的方法包括使用金属材料和电绝缘材料执行增材制造技术，以形成具有由金属材料和电绝缘材料形成的整体式结构的磁性构件。

“增材制造”为在本文中用于描述涉及逐层构造或增材式制作(与如同常规机加工过程那样的材料移除相反)的过程的用语。此类过程也可被称为“快速制造过程”。增材制造过程通过顺序地且重复地沉积和连结材料层来形成净或近净成形结构。如本文中使用的，用语“近净成形”表示增材制造的结构非常接近结构的最终形状而形成，不需要大量的传统机械精加工技术，如在增材制造过程之后的机加工或研磨。增材制造系统和方法包括，例如但不限于，光聚合、粉末床熔合、粘合剂喷射、材料喷射、片材层压、材料挤出、定向能量沉积以及混合系统。这些系统和方法可包括，例如但不限于，立体光刻；数字光处理；扫描、自旋和选择性光固化；连续液体界面生产；选择性激光烧结；直接金属激光烧结；选择性激光熔化；电子束熔化；选择性热烧结；多喷射融合；光滑曲率印刷；多喷射建模；分层实体制造；选择性沉积层压；超声波增材制造；熔丝制作；熔融沉积成型；激光金属沉积；激光工程化净成形；直接金属沉积；混合系统；以及这些方法和系统的组合。这些方法和系统可采用，例如但不限于，所有形式的电磁辐射、加热、烧结、熔化、固化、粘合、固结、压制、嵌入，以及它们的组合。

增材制造可用于使用计算机辅助设计(CAD)模型制造物品。粘合剂喷射技术为一种类型的增材制造技术，其能够通过选择性地将粘合剂溶液(例如，液体胶)的CAD确定的图案沉积到粉末床中、用新的颗粒涂覆、并重复沉积过程来印刷金属、陶瓷或聚合物部分，直到部分完成。印刷部分大体上遭受固化过程，其凝固粉末内的粘合剂溶液，以形成未加工本体(例如，类似印刷的、未烧制的)部分。未加工本体部分随后可遭受可选的脱粘过程，该脱粘过程大体上为热处理过程，其从未加工本体部分分解和移除粘合剂，形成加工(例如，局部烧制的)部分。加工本体部分可进一步遭受烧结过程，以固结粉末并且形成最终(例如，固结的)部分。

执行增材制造技术以形成整体式结构可包括制作具有金属材料和电绝缘材料的多个构建层。在一些实施例中，多个构建层可使用金属材料、电绝缘固体材料以及粘合剂来制作。可以可选地热处理构建层，以移除粘合剂，并且有效地将电绝缘固体材料设置在至少在构建层的部分中的颗粒边界中。

在本说明书的一些实施例中，粘合剂喷射过程用于制造磁性构件。使用粘合剂喷射过程制造磁性构件的方法包括制作第一构建层，其具有粘合剂以及金属材料和电绝缘材料的固结颗粒。方法还包括在第一构建层上制作第二构建层，第二构建层具有粘合剂以及金属材料和电绝缘材料的固结颗粒。在一些实施例中，第一或后续构建层中的金属材料和电绝缘材料的固结颗粒在制作第一构建层过程中添加粘合剂之前、期间或之后固结。取决于最终制备的磁性构件中的电绝缘颗粒的所需位置，金属材料和电绝缘材料可以不同的预定图案设置在两个或更多个构建层中。在一些实施例中，金属材料和电绝缘材料在形成构建层之前预先混合，使得电绝缘材料至少部分地包绕金属颗粒而分散在构建层中。金属材料和电绝缘材料的量可构造成通过在磁性构件的形成期间控制构建层的各个部分处的金属材料与电绝缘材料的比率而在形成的磁性构件的不同部分处变化。金属材料和电绝缘材料的比率的这些变化可有利于控制存在于由粘合剂喷射过程形成的磁性构件中的磁性区域和非磁性区域中的电绝缘材料的量。

如本文中使用的磁性构件通常由单一金属材料连同电绝缘材料制备。作为示例，材料可为提供铁磁性部分的复合磁性构件。非磁性部分可通过在受控气氛中硝化铁磁性部分的选定区域来形成。在使用单一金属材料连同电绝缘材料制造磁性构件时，粘合铁磁性部分和非磁性部分的负面影响通过确保磁性构件的可靠性、气密性以及粘合强度来减少。

取决于金属材料和电绝缘材料的特性，并且另外取决于穿过磁性区域110的预期磁通，金属材料和电绝缘材料可以适当的量存在于整体式结构中。在一些实施例中，用于制造整体式结构的金属材料与电绝缘材料的重量比在从大约3：1到大约50：1的范围内。

在一些实施例中，金属材料呈颗粒的形式，该颗粒具有大于10微米且小于50微米的中值粒径。在一些实施例中，金属材料的中值粒径在从大约15微米到大约30微米的范围内。在某些实施例中，金属材料的颗粒在整个磁性构件100的整体式结构中具有单项式粒径分布。

在一些金属材料(如，例如铁合金)中，已知碳的存在使非磁性奥氏体结构稳定。早期的努力针对在磁性构件的选定区域处溶解形成的碳化物，以稳定磁性构件的那些区域处的非磁性相。在本说明书的一些实施例中，磁性构件的非磁性区域通过经由氮(而不是碳)的添加来稳定低磁导率奥氏体结构而形成。与碳类似，氮也通过溶解在铁合金中来稳定奥氏体相。已知作为第二相的碳化物对于磁性构件而言为非合乎需要的。因此，在本说明书的一些实施例中，形成磁性构件的材料大致上没有碳。在其它实施例中，组合物可含有相对少量的碳，这有时可增加磁性区域的抗拉强度。在这些实施例中，磁性和非磁性区域中的碳总量必须小于大约0.05重量％。

磁性构件的非磁性区域包括使奥氏体相稳定的量的氮。在一些实施例中，形成的磁性构件经受接近最终构件的选择性硝化，而不需要在硝化之后显著改变形成的磁性构件的形状和大小。如本文中使用的，用语“选择性硝化”为磁性构件的一些(所需)区域的硝化，而不显著改变附近区域的铁磁性性质。如果这些区域的平均饱和磁化强度降低超过大约5％，则附近区域的铁磁性性质可被认为是“显著改变的”。

磁性构件的选择性硝化可通过使用不同的硝化方法来实现。化学、物理或机械障碍可被提供至磁性构件的区域，在此硝化对保持磁性而言并非合乎需要的。例如，阻止到磁性构件中的氮扩散的化学成分可用作某些区域处的“氮阻隔”材料。可使用在选定区域处选择性地引入氮，同时使氮不可用于其它区域的物理方法。机械障碍可能够机械地防止氮在某些区域处的扩散。

硝化可通过固体、液体、气体或等离子体途径执行。在本说明书的一些实施例中，使用高温气体硝化来将氮引入至部分。该技术中的高温允许氮的快速扩散，提供快速的处理途径。作为备选，等离子体硝化可用于氮扩散。为了避免在意于保持铁素体(并因此磁性)的那些区域中的氮扩散，在一些实施例中，机械掩模或阻隔材料应用于在其处氮扩散为非合乎需要的位置。因此，在该实施例中，对应于应该保持磁性区域的预选区域使用机械方法(例如，氮阻隔材料)掩蔽。如本文中使用的，“氮阻隔材料”为能够大致上阻止氮进入到该区域中的材料。阻隔材料本身含有氮为不必要的。在一些实施例中，执行非磁性区域的受控氮化包括使用氮阻隔材料机械地掩蔽磁性区域的表面，并且在大于900摄氏度(º)的温度下在富氮气氛中热处理磁性构件。氮可在大于大约0.5大气压的压力和大于大约900℃的温度下，在富氮气氛中通过气体硝化扩散到磁性构件中。大体上，预期氮的扩散随着较高的热处理温度和氮的增加的平衡表面浓度而增加。包绕磁性构件的气体的增加的压力经常导致氮的增加的表面浓度。因此，在纯氮气氛中的给定条件下，高于大气压的压力和较高的温度将大体上提供较快的硝化过程。

在一些实施例中，使用富氮气氛。在一些实施例中，富氮气氛包括大于大约90％的氮。在一些实施例中，硝化在大致上纯的氮气氛中进行。大致上纯的氮气氛可通过在从炉腔抽空空气之后在炉腔中填充氮，并且在处理期间利用氮或通过连续的氮流吹扫而产生。在一些实施例中，使用大于1大气压的周围环境压力和大于大约900℃的温度进行硝化。在另外的实施例中，硝化的温度大于1000℃。

通过经验和热力学计算，可调整硝化的参数，并且在不同方向上的氮扩散可针对磁性构件的某些区域预测，并且因此，可改变掩模大小和形状，以使获得的最终产品近似为硝化过程的期望结果。

磁性构件在设计条件下的硝化允许定制量的氮的引入，以间隙地扩散到磁性构件中。在一些实施例中，未掩蔽区域包括大于大约0.4％的氮。氮的互混和浓度不仅限于表面的未掩蔽区域，而且存在于磁性构件100的未掩蔽区域的表面部分和内部部分两者中。表面部分和内部部分中的氮浓度不需要为一致的。

提出了磁性构件的各种实施例和制造磁性构件的方法。根据本说明书的方面，具有磁性区域和非磁性区域的整体式结构并且在磁性区域中还具有电绝缘相的磁性构件提供磁性构件的结构完整性和增强的能量节省。具有磁性构件的横向磁通电机可找到各种应用，包括但不限于混合动力电动交通工具和风力涡轮。

本书面的描述使用示例来公开本说明书(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本说明书(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本说明书的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果这些其它示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构要素，则这些其它示例意在权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种用于构造成围绕横向电机的定子线圈沿轴向偏斜的方向传输磁通的定子极的磁性构件，包括：

整体式结构，其包括磁性区域和非磁性区域，其中

所述磁性区域包括磁性相和电绝缘相，其中所述电绝缘相的电绝缘材料在所述横向电机的操作期间设置在平行于所述磁性相中的所述磁通的平面中；并且

所述非磁性区域包括非磁性相，并且其中所述磁性相包括金属材料，并且所述非磁性相包括由所述金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

2.根据权利要求1所述的磁性构件，其特征在于，所述非磁性相包括大于所述氮化金属材料的0.1重量百分比的氮含量。

3.根据权利要求1所述的磁性构件，其特征在于，所述氮化金属材料经由通过所述受控氮化将所述金属材料从磁性状态原位转变成非磁性状态而形成。

4.根据权利要求1所述的磁性构件，其特征在于，所述电绝缘相包括空气、惰性气体、电绝缘固体材料，或其任何组合。

5.根据权利要求4所述的磁性构件，其特征在于，所述空气、惰性气体或者所述空气和所述惰性气体的组合设置在所述磁性相中的间隙中。

6.根据权利要求4所述的磁性构件，其特征在于，所述电绝缘固体材料设置在所述金属材料的颗粒边界中。

7.根据权利要求4所述的磁性构件，其特征在于，所述磁性区域和所述非磁性区域两者都包括所述电绝缘相，其中所述电绝缘相包括所述电绝缘固体材料。

8.根据权利要求1所述的磁性构件，其特征在于，磁性区域和非磁性区域分散在所述磁性构件中，使得所述磁性区域和所述非磁性区域在所述磁性构件的所述整体式结构中彼此邻近地设置。

9.根据权利要求8所述的磁性构件，其特征在于，所述磁性区域与其它磁性区域、非磁性区域或两者物理接触。

10.根据权利要求1所述的磁性构件，其特征在于，所述磁性区域和所述非磁性区域彼此相邻。

11.一种横向电机，包括：

定子极，其构造成围绕定子线圈沿轴向偏斜的方向传输磁通，其中所述定子极具有包括磁性区域和非磁性区域的整体式结构，并且其中

所述磁性区域包括磁性相和电绝缘相，其中所述电绝缘相的电绝缘材料在所述横向电机的操作期间设置在平行于所述磁性相中的所述磁通的平面中；并且

所述非磁性区域包括非磁性相；并且其中所述磁性相包括金属材料，并且所述非磁性相包括由所述金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

12.根据权利要求11所述的横向电机，其特征在于，所述非磁性相包括大于所述氮化金属材料的0.1重量百分比的氮含量。

13.根据权利要求11所述的横向电机，其特征在于，所述氮化金属材料经由通过所述受控氮化将所述金属材料从磁性状态原位转变成非磁性状态而形成。

14.根据权利要求11所述的横向电机，其特征在于，所述电绝缘相包括空气、惰性气体、电绝缘固体材料，或其任何组合。

15.根据权利要求14所述的横向电机，其特征在于，所述空气、惰性气体或者所述空气和所述惰性气体的组合在所述横向电机的操作期间设置在平行于所述磁性相中的所述磁通的平面中。

16.根据权利要求14所述的横向电机，其特征在于，所述电绝缘固体材料设置在所述金属材料的颗粒边界中。

17.根据权利要求11所述的横向电机，其特征在于，所述磁性区域和所述非磁性区域两者都包括所述电绝缘相，其中所述电绝缘相包括所述电绝缘固体材料。

18.根据权利要求11所述的横向电机，其特征在于，磁性区域和非磁性区域分散在所述磁性构件中，使得所述磁性区域和所述非磁性区域在所述磁性构件的所述整体式结构中彼此邻近地设置。

19.根据权利要求11所述的横向电机，其特征在于，所述磁性区域和所述非磁性区域彼此相邻。

20.一种制造用于构造成围绕横向电机的定子线圈沿轴向偏斜的方向传输磁通的定子极的磁性构件的方法，所述方法包括：

使用金属材料执行增材制造技术以形成包括整体式结构的所述磁性构件，所述整体式结构包括磁性区域和非磁性区域，其中所述磁性区域和所述非磁性区域两者都包括处于磁性状态的所述金属材料；以及

执行所述非磁性区域的受控氮化以将所述非磁性区域中的所述金属材料转变成氮化金属材料，使得：

所述磁性区域包括磁性相和电绝缘相，其中所述电绝缘相的电绝缘材料在所述横向电机的操作期间设置在平行于所述磁性相中的所述磁通的平面中；

所述非磁性区域包括非磁性相；并且

所述磁性相包括所述金属材料，并且所述非磁性相包括所述氮化金属材料。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，执行所述增材制造技术包括：

制作包括所述金属材料、粘合剂以及电绝缘材料的多个构建层；以及

热处理所述构建层，以移除所述粘合剂并且将所述电绝缘材料设置在存在于所述构建层的至少一部分中的颗粒边界中。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，执行所述非磁性区域的所述受控氮化包括：

使用氮阻隔材料机械地掩蔽所述磁性区域的表面；以及

在大于900ºC的温度下在富氮气氛中热处理所述磁性构件。

23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述磁性区域和所述非磁性区域彼此相邻。

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