CN1954473A - 电机以及制造电机的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电机的铁芯，一种用于制造铁芯的方法，一种电机，以及一种用于制造电机的方法。所述铁芯包含一个软磁材料主体，它具有多个齿以及至少一个用软磁粉和粘合剂的复合物制成的磁通截面增大元件，所述磁通截面增大元件被安置在所述主体的一个齿上。

Description

电机以及制造电机的方法

技术领域

本发明涉及到一种电机的铁芯、一种电机、一种制造电机铁芯的方法、以及一种制造电机的方法。

背景技术

当今的电机铁芯大多数由层压的软磁片制成，或者由软磁粉经压缩成为具有希望形状和密度的铁芯，然后进行热处理后制成。然而，从磁的角度看，通过使用层压软磁片制造出具有理想几何形状的铁芯，或者制造出几何形状在三个维度上可以变化的铁芯可能有困难。即使软磁粉的使用使得制造出几何形状在三个维度上可以变化的铁芯成为可能，有时也不可能制造出具有理想几何形状的铁芯。所以，制造出具有高功率密度，即所产生的功率除以机器的体积，的电机是困难的，因此，装备有这种铁芯的机器或许达不到它所应该能达到的效率。

发明内容

本发明的目标是，提供上述问题的一种解决办法。

依靠根据权利要求1的电机和根据权利要求11的制造电机方法来实现这一目标。

具体说，根据本发明的一个方面，电机含有一个铁芯，该铁芯包括软磁材料主体、至少一个设置为围绕所述铁芯的至少一部分的绕组，以及一个磁通截面增大元件，该元件实质上填充在所述至少一个绕组和所述铁芯的所述主体的至少一部分之间的空间中，所述磁通截面增大元件包括软磁粉和热塑性塑料的复合物，该复合物被注射塑模。

根据本发明的另一个方面，制造包含软磁材料主体的电机的一种方法所包括的操作有：绕着该软磁材料主体的至少一部分安置至少一个绕组，在一个模具的空腔内固定所述的软磁材料主体和所述至少一个的绕组，以及注射软磁粉和热塑性塑料的一种复合物到所述模具的空腔内。

上述电机和上述方法的优势之处在于，它们可以使现有技术的电机中对功率的产生没有贡献的那部分电机体积变得导磁，因此对功率的产生有了贡献。于是有可能得到功率密度增加了的电机。另外，通过注射塑模的方法，可以将磁通截面增大元件安置在所述主体的齿上。这一点的优势之处在于，它可以便于将所述磁通截面增大元件安置在所述齿上，在于它可以便于非贡献空间的填充，非贡献空间即具有非常低磁导率的空气的体积。

如上所述，通过对复合物进行注射塑模，有可能在与形成磁通截面增大元件相同的步骤中以及用相同的材料来形成功能特征。这样做的效果是，可以便于生产或加速生产。

从下面的详细描述中，本发明的进一步的应用范围将变得很明显。然而，应该理解，在指出本发明的最佳实施例时所给出的详细描述和具体例子只是以例证的形式给出的，因为，对于本领域技术人员来说，根据这个详细描述，在本发明的精神和范围之内的各种变化和修正会变得很明显。

附图说明

参考附图，从下面的目前最佳实施例的详细描述中，本发明的其它特色和优点将变得很明显，这些图中

图1a显示了由软磁材料层压片制成的现有技术中的定子铁芯的顶视示意图；

图1b显示了图1a中定子铁芯的一个截面的示意图；

图1c显示了图1a中定子铁芯的一个齿的一个截面示意图；

图2a显示了由软磁粉制成的现有技术中的定子铁芯的顶视示意图；

图2b显示了图2a中定子铁芯的一个截面的示意图；

图2c显示了图2a中定子铁芯的一个齿的一个截面示意图；

图3a显示了本发明的一个实施例所涉及的定子铁芯的顶视示意图，所述铁芯带有绕组；

图3b显示了图3a中定子铁芯的一个截面的示意图；

图3c显示了图3b中截面的一个截面示意图；

图3d显示了图3a中定子铁芯的一个齿的一个截面示意图；

图3e显示了带有绕组的图3a中的定子铁芯的透视示意图；

图3f显示了带有绕组的图3b的截面的透视示意图；

图4a显示了根据另一个实施例的带有绕组的铁芯的透视示意图；

图4b显示了图4a中的铁芯的一个截面的透视示意图；

图5a显示了本发明另一个实施例所涉及的定子铁芯的顶部示意图，该铁芯带有绕组；

图5b显示了图5a中的定子铁芯的一个截面的示意图；

图5c显示了图5b中截面的一个截面示意图；

图5d显示了图5a中定子铁芯的一个齿的截面示意图；

图5e显示了图5a中的定子铁芯的透视示意图；

图5f显示了图5b中的截面的透视示意图；

图6显示了一个模具的截面示意图；

图7显示了图6中的模具的截面示意图，其中一个主体被放入了模具中；

图8显示了图7中的模具和主体的截面示意图，其中复合物被注入到模具中；

图9a显示了本发明所涉及的铁芯的透视示意图，其中，根据本发明三维突出体被铸造成产生歪斜的特殊形状，以及

图9b显示了图9a中的铁芯截面的透视示意图。

具体实施方式

在图1a-c中，显示了现有技术中带有齿16的层压定子铁芯10。如图中所见，使用层压软磁片12来制造铁芯的人受到这些片12的层压结构的限制，不能自由而容易地改变三维形状。技术人员熟悉层压铁芯的制造。

在图2a-c中，显示了现有技术中用软磁粉制造的定子20的铁芯。在一些情况下，由于将软磁粉压缩成所希望设计形状的工具的限制，很难完全地获得具有所希望形状的铁芯。根据图2a-c中的例子，定子铁芯包含齿22，用于压缩软磁粉的工具的限制导致了齿22上的几何形状不连续24，如图2c所见。在图2a-c中呈现的结果只给出了一个例子，所述工具的限制可以导致其它不利形状。很少希望有这种不连续24或不利的形状。很难产生具有一些几何形状的铁芯或齿22而不形成像图2c所示的不连续24。所述不连续24的影响是，齿的较小的横截面能够流通相应没有不连续24的齿所能流通的磁通量。与没有这种不连续的定子相比，从而与含这种没有不连续的定子的机器相比，这一点导致定子/转子和机器的效率较低。另一个或附加的影响是，其功率密度比铁芯没有这种不连续的相应的机器的功率密度要低。功率密度定义为所产生的功率除以机器的体积。技术人员对于用软磁粉制造铁芯是熟悉的。

下面，本发明的描述涉及到一个电动机或一个发电机的定子铁芯。然而，对于技术人员来说很明显可以将这些教导运用到任何一种铁芯上，如定子铁芯、转子铁芯、直线电机的移动铁芯、直线电机的定子铁芯等等，以及任何一种电机上，如旋转马达、旋转发电机、直线马达、直线发电机等。

在图3a-f中显示了本发明的一个实施例所涉及的定子铁芯100。在层压的定子主体103上安装了一个磁通截面增大元件101、102。所述主体可以是现有技术中的层压定子铁芯，如图1a-c所描述的，也可以是一个粗略成型的层压体，类似于终极铁芯的形状，它作为一个基本结构，从中演化出所述铁芯。所述磁通截面增大元件101、102由一种软磁粉和一种粘合剂的复合物所制成，如下面所描述的。也如下面所描述的，该复合物可以由注射塑模到定子主体103上。磁通截面增大元件101、102所用的复合物的磁导率比空气的磁导率大，带有磁通截面增大元件101、102的铁芯比没有磁通截面增大元件101、102的铁芯相对于电机运行时磁通量的方向而言有一个更大的截面。在现有技术中磁通路径上的面积或体积只包含空气，空气具有低磁导率，而在本发明中这些面积或体积可以对铁芯的磁导有贡献，因此能使电机具有更大的功率密度。此外，通过将铁芯特定部分的形状模塑成更有效的形状，例如图3b-c中所清楚地显示的齿108的末端106的形状，所述磁通截面增大元件102可以被用来产生更有效的铁芯。相对于图1b-c中所示的定子的小方块形末端，图3b-c中的齿108的末端106的形状改进了定子和转子之间的磁相互作用，使得它能为磁相互作用提供更大的磁通截面。另外，通过提供一个散热通道，磁通截面增大元件可以使铁芯绕组的热量加速散开。如果所选择的磁通截面增大元件101的复合材料比空气的导热性好，这一点就可以实现。相对于现有技术中铁芯的较小的接触面积而言，磁通截面增大元件101也可以提供一个增大了的导热表面，该表面与绕组相接触。

如图3a-f中所示，在磁通截面增大元件101被置于定子主体103上之后，或者在使用磁通截面增大元件101之前，绕组112可以被置于终极铁芯的齿的周围。在绕组被置于铁芯上之后，为铁芯和绕组填充复合物，磁通截面增大元件的截面可以填充另外的潜在的低磁导率空间，可以进一步增强散热。

图4a-b所示的实施例不同于图3a-f中的实施例之处在于，它在齿108的末端106露出了主体103。不用软磁粉和树脂的复合物覆盖所述主体部分的端面120，就可以实现这一点，所述部分是齿108的基本结构。

图5a-f显示了铁芯200的另一种实施例，其中铁芯200是基于用软磁粉制成的主体202的。所述主体202可以是现有技术中用软磁粉制成的定子铁芯，如结合图2a-c所描述的，也可以是软磁粉制成的一个粗略成型的主体，类似于终极铁芯的形状，它作为一个基本结构，从中演化出所述的铁芯200。除了如图2c所描述的那样安排磁通截面增大元件204之外，磁通截面增大元件204可以用来填充所述主体或者在铁芯中的不连续206，于是，使具有不连续206的铁芯中的磁通路径上的截面面积增大，结果就使包括磁通截面增大元件204在内的那些部分的磁导增加。此外，这样就可以填平主体或铁芯中的不连续206，在不希望不连续出现的地方产生一个连续的表面。在图5a-f的实施例中，所述不连续206位于齿208中，如图5d所示，被磁通截面增大元件204有效地填平。图3a-f所讨论的增加散热的优点对这个实施例也是适用的。

在一些应用中，具有如上所述由软磁粉和粘合剂复合物制成的三维形状的压缩软磁粉铁芯是有优势的，即使有可能从软磁粉的压缩中产生这种三维形状。所述三维形状可以是，例如，齿208的一个齿端。

绕组212可以置于图5a-f中的终极铁芯的齿208的周围，或可以在加入磁通截面增大元件204之前进行。

根据一个实施例，磁通截面增大元件所用的复合物包括软磁粉和粘合剂。选择软磁粉和粘合剂的数量和特性，使得复合物的磁导率至少大于空气的磁导率(μ₀)，还要使得使用铁芯的特殊应用所要求的结构强度能够实现。在一些应用中，选择软磁粉和粘合剂的数量和特性使得复合物能适用于注射模是有优势的。注射塑模的优点是，它使得制造复杂而精密的3D结构成为可能，通过将非导磁部分改变成导磁部分使得有效地利用电机体积成为可能，使得注射塑模的形状具有机械健壮性，不需要任何补充工作。

希望能够得到尽可能高的磁导率，然而，结构强度的要求和复合物要适用于注射模的要求限制了磁导率。

使用的粘合剂的数量由在特殊应用中获得所要求铁芯结构强度所需要的数量、和/或由使之适用于注射塑模所要求的数量来决定。用于能够引致塑模的复合物中的软磁粉和热塑性粘合剂之间的关系为，约83-95重量百分比(w.p.)的软磁粉以及约5-17w.p.的热塑性塑料。在一个实施例中，为了优化复合物的磁性能，软磁粉的优选值为约90-95w.p.。

所述软磁粉可以是，例如，一种包括铁、镍、钴或者这些材料的任何组合的粉末。它也可以是一种钴铁合金、钴镍合金、镍铁合金、或者钴镍铁合金的粉末。其颗粒可以基本上是球状的、不规则的、或薄片状的。另外，这些颗粒可以是有覆盖层的，也可以没有。即使使用了无覆盖层的颗粒，所述复合物也可以被用于电绝缘。

所述粘合剂可以是一种热塑性材料，也可以是一种热硬性材料。当铁芯的价钱很重要，或者当铁芯的材料要可复用时，热塑性材料就有优势，通过加热铁芯并使得热塑性材料流掉，就可以对其进行复用。当组件的强度很重要时，热硬性材料就有优势。

各个组中的许多代表性材料是已知的。从热塑性材料组中，可以选择下述材料之一或其它们组合：聚酰胺、含硫聚合物，例如PPS等，更多的热塑性材料见J.F.Carley，Whittington′s Dictionary of Plastics(Whittington的塑料词典)3：d Ed，ISBN 1-56676-090-9，1993。从热硬性材料组中，可以选择环氧树脂，为了进一步选择热硬性材料，参见S.H.Goodman，Handbook of Thermoset Plastics(热硬性塑料手册)2：nd Ed.，ISBN 0-8155-1421-2，1998。

在图6-8中，给出了根据本发明的一个实施例的制造铁芯过程的步骤。初始时，制造或提供一个主体402。该主体402可以被看作是一个半完成的铁芯，或者看作是一个可以通过本发明来改进的铁芯。因此，如上所述，所述主体402可以是一个已知的层压铁芯，例如，如图1a-c所描述的，可以是一个由软磁粉制成的已知铁芯，例如，如图2a-c所描述的，也可以是粗略成型的主体，由层压软磁片或者软磁粉制成，类似于终极铁芯的形状。所述粗略成型体作为一个基本结构，从中演化出终极铁芯。然后，制造或提供一个模具404。该模具具有一个空腔406，用来容纳所述主体402以及要安置在主体上的复合物408，该模具具有一个或多个进口410，用来在注射塑模期间将复合物408注入空腔406中，参见图6。然后，所述主体402被定位在模具中，参见图7。设计模具以容纳主体402，并留出一个在主体402上安装磁通截面增大元件414的空腔412。当主体402在模具中就位时，所述复合物408通过一个注射管道416注入模具中，填充在主体402和模具404的壁418之间的空腔412中，参见图8。在这个实施例中，也有可能将磁通截面增大元件安置在要缠绕绕组或线圈的铁芯上，因而使得磁通截面增大元件除了具有上述磁通截面增大元件的功能外，还具有成为主体和绕组或线圈之间的电绝缘体的功能。

根据一个实施例，主体402可以在其被插入模具404之前安装绕组或线圈。当复合物408被注入到模具404中时，该复合物408不仅填充主体402和模具404的壁418之间的空腔412，还填充到绕组和主体402以及绕组和模具404的壁418之间的空腔424中。它的优点是，除了增加磁通截面面积外，还可以进一步提高绕组的导热能力。

在另一个实施例中，也在主体被插入模具404之前在主体上安装绕组或线圈，可以在主体和绕组或线圈之间放置衬垫，于是在主体402和整个绕组之间产生一个空腔。这个实施例的优点是，它可以结合前面提到的两个实施例的优点。例如，它可以使磁通截面增大元件成为主体402和绕组或线圈之间的电绝缘体，它可以增加磁通截面面积，以及它可以提高绕组的导热能力。

根据另一个实施例，三维形状的注射塑模使得为铁芯506的齿504设计自由端502成为可能，如图9所示。所述齿504的自由端502具有一个互作用表面508，用以与一个定子或转子/动子产生磁相互作用，这要看齿504是安装在转子/动子上，还是安装在定子上。互作用表面508由沿圆周取向的两个边510、512和基本上沿轴向延伸的两个边514、516来确定。不过，要这样来安排基本上轴向延伸的边514、516，使得轴向边514、516的一端518、520比同一轴向边514、516的其它端524、526更靠近齿504的主体，同时，所有的四条边510、512、514、516距离铁芯506的几何轴基本上是相等的。这样设计互作用面508，可以产生歪斜。因此，具有这种铁芯设计的直线电动机中所存在的力的波动就可以被降低了。

根据另一个实施例，根据任何实施例的由所述复合物组成并经过注射塑模到铁芯之上的三维延伸体和/或磁通截面增大元件，除了普通的铁芯功能外，还可以被延伸或成形以执行专用功能。

例如，所述三维延伸体和/或磁通截面增大元件可以延伸成用于与电机之外的系统相接合的部件，同时用相同的复合物来塑模为三维延伸体和/或磁通截面增大元件。因此，延伸出来的部件在和制造带有或不带有绕组的铁芯的同一步骤中以及同一模具中被制造出来。用这种方法制造的专用延伸体和形体可以是，例如，扇子的叶片、泵的移动零件、齿轮延伸体，轴承座，或许集成了其它机器的轴承和相似的专用部件。因此，有可能以非常简单而性价比高的方法将电机移动部分中的专用部件集成起来。

根据另一个实施例，在通过磁通截面增大元件和/或三维部件的注射塑模而最终完成铁芯之前，一种波形绕组被置于铁芯主体的齿上。这样就简化了包括波形绕组和三维部件在内的电机的制造。

Claims (19)

1.一种电机，包括：

铁芯，它包含软磁材料主体，

至少一个绕组，它被设置为环绕所述铁芯的至少一部分，以及磁通截面增大元件，它实质上填充了所述至少一个的绕组和所述铁芯的所述主体的至少一部分之间空间，所述磁通截面增大元件含有软磁粉和热塑性塑料的复合物，该复合物被注射塑模。

2.根据权利要求1所述的电机，其中所述磁通截面增大元件的复合物另外形成至少一个部件，用来接合所述电机之外的系统。

3.根据权利要求2所述的电机，其中，所述另外形成的至少一个部件是扇的叶片。

4.根据权利要求2所述的电机，其中，所述另外形成的至少一个部件是齿轮。

5.根据权利要求1-4所述的电机，其中，所述主体由软磁金属片和电绝缘体片的堆叠构成。

6.根据权利要求1-4所述的电机，其中，所述主体由软磁粉制成。

7.根据权利要求1-6中的任何一个权利要求所述的电机，其中，所述电机是一个电动机。

8.根据权利要求1-6中的任何一个权利要求所述的电机，其中，所述电机是一个发电机。

9.根据权利要求1-8中的任何一个权利要求所述的电机，其中，所述主体自身构成了所述铁芯。

10.根据权利要求1-8中的任何一个权利要求所述的电机，其中，所述主体是一个粗略成型的铁芯。

11.一种制造电机的方法，该电机包含软磁材料主体，所述方法包括的步骤有：

设置至少一个绕组环绕在所述软磁材料主体的至少一部分的周围，

在一个模具的空腔内定位所述的软磁材料主体和所述至少一个的绕组，以及

注射软磁粉和热塑性塑料的复合物到所述模具的所述空腔内。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述软磁材料主体包括多个齿和多个绕组，并且所述设置操作包括将多个绕组中的每一个绕组设置为环绕在不同齿的周围。

13.根据权利要求11-12中的任何一个权利要求所述的方法，其中，所述软磁材料主体由软磁材料片的堆叠构成，所述的片彼此间电绝缘。

14.根据权利要求11-12中的任何一个权利要求所述的方法，其中，所述软磁材料主体由压缩的软磁粉制成。

15.根据权利要求11-12中的任何一个权利要求所述的方法，其中，所述软磁材料主体由烧结的软磁粉组成。

16.根据权利要求11-15中的任何一个权利要求所述的方法，其中，将至少一个绕组设置为环绕在所述软磁材料主体的至少一部分的周围的操作包括，将至少一个绕组设置为环绕在所述主体的至少一部分的周围，使得所述至少一个绕组与所述的主体的所述至少一部分之间实质上没有接触。

17.根据权利要求11-16中的任何一个权利要求所述的方法，进一步包括形成所述模具的所述空腔以容纳所述软磁材料主体和所述至少一个的绕组以及确定一个磁通截面增大元件的操作。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，形成所述模具的所述空腔的操作进一步包括形成所述空腔以确定一个从所述主体和所述至少一个的绕组伸出的三维部件的操作。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，形成所述模具的所述空腔的操作进一步包括形成所述空腔以确定一个用来和所述电机之外的系统进行接合的三维部件的操作。

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