CN113226598B - 线圈齿模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种线圈齿模块及其制备方法。将金属粉末填充到预制线圈中，然后将所述粉末压制成齿，从而形成线圈齿模块，其中，所述齿直接与所述线圈邻接。
Description
技术领域
本本申请涉及一种用于制备线圈齿模块的方法以及通过该方法制备的线圈齿模块。
背景技术
绕线线圈通常用于电机中。在许多应用中，线圈无法最优地填充可用的安装空间。由于重量或安装空间，导致电机功率或扭矩密度降低。使用具有内轮廓横截面可变的浇铸、成形或印刷的线圈，该内部轮廓由线圈沿纵向方向限定，使得提高了填充系数，并改进了上述缺陷。
为提高电机的效率，因此将线圈放置或缠绕在齿上。齿可以由薄板层或叠片或软磁复合材料(下文称为SMC)制成或组成。为将线圈安装在齿上，齿的尺寸需要小于正常尺寸，以使得可以将其安装在线圈上。而线圈和齿之间的连接不是很理想。
发明内容
本申请提出了一种减少上述缺陷的线圈齿模块及其制备方法。
该目的通过根据权利要求1的方法以及通过根据权利要求10的线圈齿模块来实现。其他实施例可以从从属权利要求以及所描述的示例性实施例中得出。
根据本方法，将预制线圈插入压模中。例如，压模可在线圈的底侧支撑该线圈。预制线圈通过匝圈限定出内部轮廓，线圈围绕该内部轮廓延伸。内部轮廓从线圈的下开口沿纵向方向延伸至线圈的上开口。预制线圈优选为螺旋线圈，其具有如EP2387135A2中示出的示例形状。优选通过印刷方法、铸造方法或成形方法将预制线圈制成螺旋形状。
将线圈布置在压模中之后，线圈内部轮廓中填充有金属粉末，优选为SMC粉末。在此过程中，优选为完全填充内部轮廓。
在填充过程完成之后，通过压模，例如使用柱塞，将金属粉末压实，形成齿。由此制成的线圈齿模块在线圈和齿之间具有非常大的接触面，由于内部轮廓填充有粉末，因此线圈和粉末之间基本没有空腔。将粉末压实以形成齿时，该齿直接邻接线圈。齿本身具有高密度，同时，与线圈的内部几何形状紧密地热、磁耦合。
由于压制过程，粉末颗粒被推入空腔中并在高压下压缩，从而优选地填充线圈内部空间中的所有腔，大量粉末被压缩。由于压制过程中存在数百兆帕的压力，因此颗粒之间形成形状配合，从而颗粒被压制形成固体。
与常规线圈齿模块相比，上文所述线圈齿模块的齿与线圈之间的良好接触改善了线圈与齿之间的热接触，还改善了线圈齿模块的磁性能。这改善了线圈的散热，并且增加了线圈齿模块的导磁率。与常规制备的线圈齿模块相反，没有必要(并且不太可能)通过灌封胶密封线圈和齿之间的空腔。
在该方法的一个实施例中，在填充期间或在压制之前还可通过诸如振动或摇动压模激发金属粉末以使其流动。以此方式，大量粉末更好地分布在线圈的内部空间中，从而填充各个线圈匝之间的间隙。
压模可以设计为压制工具的组件。在第一实施例中，压模的底部支撑至少线圈的包括下部开口的表面(此后称为下表面)。在用金属粉末填充线圈后，使用压制工具的柱塞，将线圈从其包括上部开口的表面(上表面)压缩或压制，也就是说，线圈的上表面位于下表面的对面。
除底部外，压模还可以包括一个或多个侧壁，这些侧壁限定内部空间，该内部空间与要制备的线圈齿模块外部侧面限定的外部轮廓吻合，线圈齿模块优选为与线圈邻接。压制工具的侧壁防止线圈变形，或者防止在压缩或压制线圈内部空间中大量粉末的过程中将线圈向外推。以此方式，粉末颗粒不能通过线圈的两个相邻匝圈之间的空隙强制其路径通往外部，并改善了两个相邻匝圈之间空腔和空隙的填充。优选地，压模侧壁与线圈外侧表面之间不存在大量粉末，从而在压制之后线圈外侧表面不被压制的金属粉末包围。这意味着外侧表面不会被用于制备齿的其他金属粉末包围。
在所述方法的一个实施例中，在用金属粉末填充线圈之前，在压模内将线圈沿纵向方向进行压缩，以最小化两个相邻匝圈之间的间隙。以此方式，使两个相邻匝圈之间可能出现的空隙的体积最小化。例如，压缩可以通过压制工具的另一组件进行。
在螺旋线圈的实施例中，每个匝圈的内侧延伸至线圈的内部轮廓，因此可以与齿直接接触。由此，这些线圈为单层线圈，从内部到外部看，其中匝圈彼此互不叠置。此外，根据应用情况，横截面可以在螺旋线圈中一圈一圈地变化，以实现改进的安装空间填充系数。
在另一实施例中，在压制金属粉末后对线圈齿模块进行热处理。以此方式，减小或消除了由于压制操作而在压制的齿内部产生的残余应力。在此过程中，可以在保护气体、空气或还原性气氛下，用500℃至800℃之间的温度，将线圈齿模块处理15至30分钟。
在另一实施例中，线圈转而设置在压模上，在将线圈插入压模前，将金属粉末引入压模中。接着填充线圈的内部空间，然后进行压制，在先引入的粉末被压实形成齿根，该齿根与线圈内部空间设置的齿通过所使用的颗粒形成形状配合，从而齿与齿根彼此固定且永久地连接在一起。作为在压制金属粉末的过程中制备齿根的替代方法，可以预先制备齿根，然后才将其插入压模中。接着，将粉末颗粒添加到线圈的内部空间中，然后压实。在另一替代方法中，首先将引入压模中并用于制备齿根的粉末压制并成形为齿根。然后才引入线圈并填充。
在另一实施例中，金属粉末完全填充线圈的内部空间。可选地，金属粉末完全覆盖线圈的上表面，从而在压制线圈齿模块的过程中形成齿尖。在另一实施例中，线圈的外部轮廓或线圈的外侧面保持未被用于形成齿的金属粉末覆盖。
在包括齿根或齿尖的实施例中，压模可以成形为限定齿根或齿尖的形状。齿根或齿尖的形状可以这样选择：在此过程中，存在延伸部或凹部，该延伸部或凹部能够与电机的转子或定子形成形状配合。在这些情况下，线圈齿模块可以插入到定子或转子中并固定。
在另一实施例中，预制线圈的形状通过这样的方式形成，从纵向方向看，齿在至少一个匝圈的后面接合。以此方式，线圈和齿之间可以建立形状配合的连接。例如，可以改变线圈匝圈的厚度和宽度，从而线圈的外部轮廓在所有匝圈上均匀地延伸，而横向于纵向方向匝圈宽度的减小在两个邻接的匝圈形成底切。
除非将实施例描述为彼此的替代方案，否则上述实施例可以彼此任意组合。
本文描述的方法可用于制备线圈齿模块，该模块能够在齿与线圈之间建立非常良好的接触，并填充电机井中的可用安装空间。与现有技术相反，根据本申请的线圈齿模块的许多实施例中，可以省去线圈和齿之间的灌封剂。
与根据现有技术的线圈齿模块相比，本文示出的线圈齿模块在线圈和齿之间具有更大的接触表面，并且该齿由于大量粉末首先填充空腔，并且若需要，填充了内部空间的空隙，通过后续的压制操作进行压实。
市面上出售的材料可以用作线圈材料，例如铝或铜。此外，线圈可以涂覆有绝缘层。涂覆有绝缘层(作为SMC的示例)的铁氧体颗粒或铁颗粒可以用作金属粉末。涂有电绝缘层的纯铁、铁硅、铁镍或铁钴颗粒适用于SMC，也可以使用铁氧体作为SMC的基础。
其他实施例可从后续的示例性以从随后的示例性实施例中得出。
附图说明
在图中：
图1示出了一种线圈的示例。
图2示出了上述线圈内部轮廓的多个详细视图。
图3示出了在制备线圈齿模块过程中各个中间产品的示意图。
图4示出了在制备线圈齿模块过程中选择性步骤的图示。
图5示出了用于制备线圈齿模块的另一示例性实施例。
图6示出了线圈齿模块的示意图。
图7示出了一种制备方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1示出了线圈1，其可以用于本文所描述的线圈齿模块或其制备方法。线圈的详细描述可以在例如EP2387135A2中找到，其公开的全部内容通过引用包含在本申请中。线圈1可以诸如铸造或成型。
线圈1具有多个匝圈3，并且具有螺旋形的设计。匝圈3限定了内部空间5，该内部空间从最低的匝圈7沿纵向方向9延伸至最高的匝圈11。在本示例中，由向内部空间突起的匝圈的各个边缘限定并横向于纵向方向9延伸的横截面13在线圈的高度H上基本恒定。横截面由线圈内部空间的内部轮廓所界定，并且具有基本的矩形设计，其具有宽度B和长度L。线圈的匝圈具有带状形状并且同样具有宽度b_S和高度h_S。在本示例中，匝圈的宽度和高度在线圈的整个长度上是恒定的，但在各个示例性实施例中，匝圈可以具有偏离的宽度b_S和高度h_S。线圈的外部轮廓由其四个侧面15及其上表面和下表面限定。最下面的匝圈形成下表面17，而最上面的匝圈形成上表面19。例如，线圈的横截面可以随匝圈数变化，以使得最下面的匝圈具有较低的宽度b_S1和较大的高度h_S1，且宽度b_S朝向顶部增大、高度h_S朝向顶部减小，因此，最上面的匝圈的宽度为诸如b_S2>b_S1，高度h_S2<h_S1。内部轮廓在纵向方向上保持矩形且恒定，使得外部轮廓以锥体的截锥体形状延伸。这样的配置通过图2A或2B中的示例示出。
此处示出的螺旋线圈的形状使得每个匝圈的内边缘可以邻接将要引入内部空间的齿。如现有技术中所述，若仅将线圈放在现有的齿上，则由于齿的所需尺寸过小而产生空腔，这会对线圈齿模块的热和磁性能产生负面影响。本文描述的线圈齿模块由于通过在线圈的内部空间设置了大量粉末用于压制成齿，因而避免了空腔。
图2示出了通过线圈1的纵向方向截面。图2A示出了沿纵向方向延伸并界定内部空间5的多个匝圈。线圈匝圈的内边缘21具有与制备相关的倒圆角或倒角，可以进一步减小内边缘21与齿之间的接触。此外，同样使得与预制齿的接触更加困难的曲率半径25导致匝圈弯曲23。此外，从图2A中可以明显看出，在两个匝圈之间沿纵向方向出现了间隙27。若沿纵向方向将线圈压在一起，则可以直接邻接两匝圈，并且由于倒圆角或倒角而产生空隙29。用大量粉末填充内部空间5既可以在线圈的松弛状态下(图2A)，也可以在线圈的压缩状态下(图2B)进行。
基于图3，根据明书对制备线圈齿模块的方法进行描述。在所述方法的简单示例性实施例中，线圈31最初被布置在压制工具33上，其中，压制工具包括下部压模35、线圈31保持在下部压模35中。此后，通过其他工具将涂覆有非导电层的铁制的SMC颗粒倒入线圈31的内部空间37中，直到粉末或颗粒填充或填充线圈的整个内部空间(图3A)。为实现良好的无腔填充，可以通过压模35的振动或摇动激发粉末流动。以此方式，粉末以基本上无腔的方式填充包括潜在间隙的内部空间。在此种情况下，未压制的粉末将从内部空间突出，因为SMC颗粒在随后的压制过程中发生塑性变形并相互接合，即以形状配合的方式接合在一起，从而形成了连续的齿，其在整个纵向方向39上直接邻接线圈的内部轮廓。为此目的，用压制工具33的上柱塞41压实粉末(图3B)。在此过程中，在压模和柱塞之间施加的压力为几百兆帕(MPa)。即使压模35以一体式的形式示出，但是其也可以具有多体式设计，其中，例如，压模的位于齿正下方的部分43可以分别移动。
图3C示意性示出了通过该方法制备的线圈齿模块。除了上述线圈31之外，现在还可以看到压在线圈内部的齿45。由于制备过程，齿45在线圈的整个纵向方向方向上直接邻接匝圈，并且填充了两个匝圈之间的间隙(参见图2B)。线圈31和齿45之间的大接触表面确保了两个元件的良好热连接，并且在后续的操作过程中确保了线圈齿模块的热耗散。基于空隙的大小，齿至少在部分线圈内部轮廓的后面接合，从而齿也以形状配合的方式接合到线圈。在压制粉末之后，可以进行热处理，在此期间，减小或消除由于压制操作而在压制的齿内部产生的残余应力。在本示例性实施例中，齿45仅在线圈的内部轮廓内延伸，且齿的材料未施加到线圈的外表面。这也可以实现，因为可以将线圈的匝圈彼此压紧，从而使布置在内部轮廓内的金属粉末在匝圈之间至线圈的外侧表面之间找不到路径。
线圈齿模块的另一示意性制备方法将基于图4进行描述。压模和线圈齿模块以沿平面A-A的纵向方向截面图示出(见图1)。在该制备方法变型中，使用包括压模47的压制工具，压模47包括底部49以及侧壁51。侧壁以这样的方式间隔开，即其模仿预制线圈的外部轮廓或外侧面，从而使线圈基本上装配到压模中。尽管在该示例中压模也以一体示出，但其底部及侧壁可以相对彼此分开移动，从而压模可适于不同的线圈。在该示例中，首先将金属粉末(诸如上述带有涂层的铁)填充到压模47的底部并形成闭合表面52，该闭合表面随后在压制状态下形成线圈齿形模块的板状齿根。为实现尽可能均匀的分布，摇动压模中的粉末，从而潜在的空腔可以从之后要形成的齿根处摇出。在提供闭合表面52之后，将线圈53放置在闭合表面52上，侧壁51在侧面界定线圈53。由于线圈匝圈具有可变的横截面，因此压模47具有四棱锥的截锥体形状。在粉末充满内部空间55之前，线圈53可以沿着纵向方向被压缩，从而各个匝圈之间没有间隙，或仅是很小的间隙。以此方式，线圈齿模块在电机中所需的要求安装空间可以很小。内部空间55的填充同样在摇动压模47以避免空腔的情况下进行(图4A)。内部空间55被完全填充，然后将闭合表面57倒在最上面的匝圈上，该闭合表面与闭合表面52类似，粉末一经压制就形成板状的齿尖。在压制之后(通过未示出的柱塞)，由此形成了线圈齿模块，该线圈齿模块包括具有齿根、齿杆和齿尖的哑铃形齿。齿根和齿尖的尺寸设计成使其与线圈的外部轮廓邻接或横向于纵向方向突出到线圈的外部轮廓之外。图4C示出了相应制备的线圈齿模块。线圈齿模块61包括齿63，齿63具有齿根65、齿杆67和齿尖69，其中，线圈53完全包围齿杆67，并通过齿根65和齿尖69形状配合保持。在此示出的线圈齿模块的特征尤其在于，齿63一体制备而成并在纵向方向71上与齿尖69和齿根65在线圈53后面啮合。
在基于图5示出的制备的另一示例性实施例中，与图4中的示例相反，齿根首先是被预压的。为此，首先将SMC粉末填充到用于形成齿根的压模73中，然后进行压制。在本示例中，齿根75被设计为具有杆状延伸部79的板77。延伸部79的尺寸被设计为适于线圈齿模块的线圈内部轮廓。此后(或在热处理之后)，将齿根放入压模81中，将线圈83置于齿根上，并在线圈83的内部空间85中填充与制备该齿根相同的SMC粉(见图5A)。粉末填充线圈83的整个内部空间，并另外在线圈83上形成闭合表面86，以在压制操作过程中形成齿杆和齿尖(见图5B)。在通过柱塞84压制的过程中，一方面将SMC粉末压制成齿杆和齿尖，另一方面，将齿杆整体地接合或冷焊到预制齿根上。图5C示出了由此制备的线圈齿模块87。另一实施例如图5D所示。本实施例与图5C的实施例的不同之处在于柱塞的设计不同，因此制备了包括楔形燕尾形导向件92的齿尖90。由于柱塞包括底切，因此可以将SMC粉末填充到柱塞中，该SMC粉末通过其燕尾形开口轻轻地放置在齿尖上。然后将包括燕尾形导向件的齿压实。燕尾形导向件可以诸如插入到电机相应的凹部中，从而很好地利用了可用的安装空间，且线圈齿模块94的安装简单。在本示例中，尽管在齿尖处布置了燕尾形导向件，线圈齿模块也可以具有包括底切的不同的导向件。作为替代方案，线圈齿模块还可以包括凹部，该凹部对应包括底切的导向件，诸如燕尾形导向件。然后可以将线圈齿模块插入到电机的相应的导向件上。
图6A示出了通过上述方法之一制备的线圈齿模块的三维俯视图。线圈齿模块100包括具有可变匝圈截面的线圈102，该线圈截面从底部到顶部变化。板形的齿尖104布置在最下面的匝圈的下方，并且同样为板形的齿根105位于最上面的匝圈的上方。在此图示中，将齿尖和齿根相互连接的齿杆未示出。如上所述，整个齿是在一个或两个制造步骤中制成的，并且在内部轮廓区域内与线圈进行连接良好。这是基于图6B示出的，示出了切面B-B在线圈内边缘区域中的截面。匝圈106、108和110的内边缘略微倒圆，从而在匝圈之间产生空隙112和114。由于SMC粉末能够进入空隙，因此这些空隙同样由齿杆116填充。仅当此时齿杆才被压实，并且实现齿与线圈之间的特别大的接触表面。
此外，可以在图6A中可见的齿根的表面上设置其他底切或凹部，可用于稍后将线圈齿模块附接至电机中。此外，可以在制备线圈齿模块时或通过镗孔将冷却通道引入到齿中，冷却介质随后可以通过该冷却通道在电机中流动。
图7再次示意性地说明了该制备方法的步骤。首先，在可选步骤中，将SMC粉末填充到压模中并形成闭合表面(步骤120)。之后，将预制线圈插入压模中(步骤140)。将SMC粉末填充线圈的内部空间，其中，通过可选的摇动进行填充，从而消除小的空腔(步骤160)。此后，提供用于形成齿尖的闭合粉末表面(步骤180)。然后将整个系统在高压下进行压制(步骤200)，随后进行热处理(步骤220)。接着可以将线圈齿模块提供给其使用或对其进行进一步处理。
Claims (16)
1.一种制备线圈齿模块的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
a)提供预制的螺旋线圈，其中，所述线圈包括多个匝圈，所述多个匝圈限定了内部空间，所述内部空间从最低的匝圈沿纵向方向延伸至最高的匝圈，所述线圈是单层线圈，从所述线圈的内部向外部看所述多个匝圈彼此互不重叠，所述线圈的内部轮廓在纵向方向上保持矩形且恒定，使得外部轮廓以锥体的截锥体形状延伸；
b)将所述螺旋线圈插入压模中，其中，所述压模在所述线圈的外表面包围；
c)用金属粉末填充由所述线圈界定的内部轮廓；以及
d)压制所述金属粉末以形成直接与所述线圈邻接的齿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线圈的所述多个匝圈具有带状形状，其中，所述多个匝圈沿所述纵向方向具有偏离的宽度和高度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最低的匝圈具有宽度b_S1和高度h_S1，所述宽度沿所述纵向方向增加，所述高度沿所述纵向方向减小，使得所述最高的匝圈具有宽度b_S2>b_S1和高度h_S2<h_S1。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述线圈通过印刷方法或铸造方法成形。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述压制形成齿操作之后，受压制形成所述齿的所述金属粉末颗粒之间存在形状配合。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述线圈内部轮廓的横截面随着所述内部空间的纵向方向变化。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述线圈在所述压模中在所述纵向方向被压缩。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，受压制的金属粉末不仅填充所述内部轮廓，还填充不同线圈部分之间的潜在空隙。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在压制所述金属粉末后，对所述线圈齿模块进行热处理。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在将所述线圈插入所述压模之前，将用于形成齿根或预制齿根的粉末材料加入所述压模中。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，用于填充所述内部轮廓的粉末完全填充所述内部轮廓，并且覆盖所述线圈的顶侧，从而在压制过程中形成齿尖。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述齿在至少一个线圈部分的后面接合。
13.一种线圈齿模块，包括螺旋线圈以及布置在所述线圈的内部轮廓中的齿，其中，所述齿与所述线圈邻接，并且包括受压制的金属粉末，
其中，用于填充所述内部轮廓的粉末完全填充所述内部轮廓，和/或，所述受压制的金属粉末不仅填充所述内部轮廓，还填充不同线圈部分之间的潜在空隙，
其中，所述线圈包括多个匝圈，所述多个匝圈限定了内部空间，所述内部空间从最低的匝圈沿纵向方向延伸至最高的匝圈，所述线圈是单层线圈，从所述线圈的内部向外部看所述多个匝圈彼此互不重叠，所述线圈的内部轮廓在纵向方向上保持矩形且恒定，使得外部轮廓以锥体的截锥体形状延伸。
14.根据权利要求13所述的线圈齿模块，其特征在于，受压制形成所述齿的所述金属粉末颗粒之间存在形状配合。
15.根据权利要求13或14所述的线圈齿模块，其特征在于，所述线圈包括导电材料，所述金属粉末为软磁材料。
16.一种线圈齿模块，根据权利要求1至12中的任一项方法制备。
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