TWI391194B - 壓實成單件式之靜子 - Google Patents

Description

壓實成單件式之靜子

本發明係關於一種壓實工具、一種用於自金屬粉末壓實一元件之方法及一種由此一方法製成之元件。

本發明係關於用於一電調變磁極機之軟磁性芯體組件之設計及有效工業製造，其係利用一粉末成形製程。製造此一結構之有效程序可以使用一軟磁性複合(SMC)材料，其係基於軟磁性粉末顆粒於一工具中被壓實且變形以產生一較高密度之組件且該等顆粒包括一電阻屬性而可降低在材料中之渦電流且使最終組件特性相容於在其最需要之方向上之電氣鋼片測量且利用交流場(AC)磁化。每一SMC組件可藉由上述之程序來形成為一複雜幾何結構，這可以大大地減少用以形成所要之單磁極機芯體所需要之個別組件之數量。

當設計一用於工業製造之電調變磁極機時，已知的一個主要問題在於如何以一有效率方式製造所需要之極複雜軟磁性組件。更特定言之，該問題係關連於用以建立一有效磁通量路徑及一最小磁性迴路磁阻以使該機器之特定性能得以最大化所需要之每一軟磁性組件的數量及複雜性。在本文中所述之機器中，該有效通量路徑必須由該等軟磁性組件在所有三個幾何空間維度中攜載。該芯體材料傳統上係一層壓電鋼堆，其特徵在於其在每一薄層之平面中具有高磁透性，而在橫向於該平面之方向中具有顯著較低的磁透性，這係因為軟磁性鋼由介於這些鋼片之間的絕緣物所阻斷所造成。這些條件需要例如彎曲該鋼片堆以使得在所有三度幾何空間維度中具有一有效通量路徑。另一解決方案係將該軟磁性芯體區分成數個可經組裝以形成所要結構之區段。所述之習知技術確實存在不具效率之製造及處理大量個別組件之缺點，在許多情況中該處理係包括成形及配置大量個別鋼片薄板。

一種已知的有效程序係將該靜子芯體劃分成兩個或更多個主要為圓形之組件，其係由軟磁性粉末金屬所製成且在一衝壓工具中被分別壓實成形。此最少為兩個的靜子區段接著便在一第二操作中結合在一起以形成所要之靜子芯體之所要形狀。

在本文中所述之本發明之實施例係解決至少某些上述之問題且提供一種經改良之靜子及生產此靜止之方法。

這可藉由一種用於自金屬粉末壓實一元件之壓實工具來達成，其中該元件具有一致性之經軸向位移的凸部，該工具包含一衝模及具有衝頭表面之一上衝頭及一下衝頭。該上及下衝頭包含各別相對位移之衝頭表面，其用以在壓實該元件之前使該金屬粉末被位移於其間。

藉此，具有經軸向位移之凸部的元件，諸如一完成之靜子芯體區段，便能在一單一製程中來形成。藉此可以減少用以形成該軟磁性靜子區段之個別組件之數量，且改良該靜子及其磁性特性且進一步減少用以生產一靜子所需要之人力及時間。

在一實施例中，該工具係用於壓實一欲使用在一旋轉機中之靜子。

在一實施例中，該工具之該上部及該下部部分分別包含一第一及一第二衝頭部分，其中該等部分及其衝頭表面可相對地位移。這係實現本發明之一實施例之一特別簡單的方式。

在一實施例中，該工具係用以壓實諸如軟磁性粉末之軟磁性材料。

本發明係進一步關於一種用於在一壓實工具中自金屬粉末壓實一元件之方法，其中該元件具有一致性且至少一經軸向位移之凸部，亦即，該元件具有複數個相同凸部，且其至少一者係相對於該等凸部之另一者而被軸向位移。在填充該壓實工具中之一填充空腔之後，該元件被形成具有軸向對準之凸部，亦即，具有對應於該等各別凸部之經軸向對準之粉末體積，其中該等凸部之至少一者在填充之後且在壓實該元件之前係經軸向位移。在此及下文中，術語軸向係指一沿該壓實軸線之方向。該等凸部可沿一橫向於(例如正交於)該壓實方向之方向突出。在本說明書之內容中，所謂在壓實之前該元件之該等凸部或其他特徵係指代表該等凸部或其他特徵之對應的粉末體積。因此，在填充之後且在壓實該元件之前該等凸部之軸向位移係指對應於該等各別凸部之粉末體積之一軸向位移。

該方法可例如係用於壓實一旋轉機之該靜子部分，其中該靜子包含具有一致性靜子齒部形式的凸部，且該等靜子齒部具有兩組經軸向位移之靜子齒部。

再者，本發明係關於一種依照該方法自經壓實金屬粉末製成之元件，其中該元件係一具有經軸向位移之靜子齒部以用以作為一旋轉機之部分的靜子。因為被模製成單件式，因此該元件係比習知技術靜子具有較佳的磁性特性。

本發明係關於電調變磁極機100之領域，其一實例係顯示在圖1之概要、分解立體視圖中。該電調變磁極機靜子10基本上之特徵在於使用一中央單一線圈20，其可磁饋多個由軟磁性芯體結構所形成之齒部102。該靜子芯體接著係圍繞該線圈20而形成，而針對其他一般電機結構，該線圈係圍繞該個別的齒部芯體區段而形成。調變磁極機型態之實例有時係被視為夾極、鴉爪(Crow-feet)、藍道(Lundell)或TFM機器。更特定言之，圖中所示之電調變磁極機100包含：兩個靜子芯體區段14、16，每一區段包括複數個齒部102且大致呈圓形；一線圈20，其配置在該第一及第二圓形靜子芯體區段之間；及一轉子30，其包括複數個永久磁體22。再者，該等靜子芯體區段14、16、該線圈20及轉子30係圍繞一共同幾何軸線103，且兩個靜子芯體區段14、16之複數個齒部係經配置而朝向該轉子30突出以形成一封閉迴路通量路徑。在圖1中之該機器係徑向空氣間隙通量外部轉子型，因為靜子齒部係沿一徑向方向朝向轉子突伸，且在此例中該靜子係圍繞轉子。然而，該靜子可以相對於轉子而均勻地安置於內側，此類型亦顯示在某些以下的圖式中。如在以下所呈現之本發明之範圍並未侷限於任何特定類型的電調變磁極機且可同樣地應用於軸向及徑向類型兩者以及靜子係相對於轉子而內側地及外側地安置之類型的機器。同樣地，本發明並未侷限於單相式機器，其可以應用於多相式機器。

該主動轉子結構30係由偶數個區段22、24所組構而成，其中亦可稱之為磁極區段24之一半數量的區段係由軟磁性材料所製成，而另一半數量之區段係永久磁體材料22。習知技術方法係將這些區段製造為個別的組件。通常區段之數量可多達大約10-50個個別件。該等永久磁體22係經配置而使得永久磁體之磁化方向係大致為周向，亦即，該北極及南極係分別面向一大致圓周方向。再者，環圓周算起之每隔一個的永久磁體22係經配置而使其磁化方向針對另一永久磁體係成相反方向。該等軟磁性磁極件24在適當機器結構中之磁性功能係為全三維度，且因此需要該軟磁性磁極件24能夠有效攜載在所有三個空間方向上具有高磁透性之磁通量。利用層壓鋼片之傳統設計在垂直於鋼片平面之方向上未能展現所需要的高磁透性，且因此在此可有利地使用一軟磁性結構及材料，其比習知的層壓鋼片結構係可展現較高的磁通量等向性。

圖2顯示與圖1相同之徑向電調變磁極機，但其係已組裝機器之截面視圖，其中更清楚顯示靜子齒部102係如何朝向轉子延伸且兩個靜子芯體區段14、16之靜子齒部係如何相對於彼此而旋轉地位移。

圖3顯示習知技術靜子被壓實成兩個相同的靜子區段301、303，其中每一靜子區段包含複數個齒部305。每一區段件係由軟磁性粉末金屬所製成且在一衝壓工具中被分別壓實成形。該兩個靜子區段接著在一第二操作中被結合以形成具有徑向及軸向位移靜子齒部之所要靜子芯體之所要形狀。

圖4a及圖4b顯示本發明之一實施例之原理，在圖4a中係顯示一上衝頭401、一下衝頭403及一衝模405。金屬粉末被定位在介於上衝頭401及下衝頭403之衝頭表面之間的空腔中以形成一元件。在衝壓粉末之前，上及下衝頭409、411之一部分係經位移以位移介於其間之金屬粉末。在位移之後，該衝頭之相對位置係在該元件被壓實之前先被鎖定。

圖5顯示依照本發明之一實施例之一工具壓實器之工具組件。該工具包含兩個用以衝壓該齒部及之個別可位移之上衝頭501及503及一上衝頭505。該等可位移之上及下衝頭係用以位移及衝壓在該靜子中之齒部。同樣地，該工具包含兩個可個別位移之下衝頭507及509及一下衝頭511。該工具進一步包含一芯體桿513及一衝模515。該等衝頭501、503、507及509之每一者包含複數個軸向延伸之衝頭構件，例如衝頭501之衝頭構件531及衝頭503之衝頭構件533，其係配置成彼此平行且該工具之軸向方向係由壓實之方向所界定。該等衝頭構件531及533係分別自該各別衝頭之環狀基下部分521及523軸向突伸而出，且環繞該環狀基下部分而分佈而界定一管狀形狀。該等衝頭構件具有由遠距於環狀基下部分之端面所界定之各別衝頭表面。由所有衝頭所界定之該管狀形狀係具有相同的內徑。該等上衝頭501及503之衝頭構件531及533係分別被分佈而使得該等上衝頭被相對於彼此配置，使得兩衝頭之該等衝頭構件構成一共同管狀形狀，其中衝頭501及衝頭503之衝頭構件係環繞管狀形狀之圓周而以交替型樣配置，而衝頭501之衝頭構件及衝頭503之衝頭構件係可相對於彼此而軸向地位移。詳言之，衝頭501之每一衝頭構件531係經定位且可沿一介於衝頭503之兩個相鄰衝頭構件之間的間隙而位移。為此，衝頭503之環狀基下部分523具有一不小於由衝頭501之衝頭構件所界定之管狀形狀之外徑的內徑。衝頭503之衝頭構件533係連接至衝頭503之環狀基下部分523之徑向朝內表面553且自該處軸向地延伸而出。因此，上衝頭501及503提供兩組衝頭表面，每一組係配置成一環圈狀型樣，而衝頭501之衝頭表面則係與衝頭503之衝頭表面沿環圈之圓周而交錯配置。該等衝頭表面係經定向而使其法線沿該軸向方向且衝頭501之該等衝頭表面係可相對於衝頭503之該等衝頭表面而軸向地位移。該等下衝頭507及509之形狀係設計成相同於對應之上衝頭，亦即，其等分別具有衝頭構件537及539且分別提供衝頭表面547及549並且自各別環狀基下部分527及529軸向地延伸而出。衝頭505及506具有一管狀形狀。該衝模515具有一管狀形狀，其中該管體之內表面包含對應於若干凸部之軸向延伸的幾何特徵535，且其數量及尺寸係使得該等管狀衝頭501、503、507及509可軸向地插入至該衝模中，使得該等衝頭構件滑移於該衝模之對應幾何特徵的內部。

圖6顯示位在一填充位置之工具。顯示在圖5中之該工具部分已被集中至一上部部分601及一下部部分603。該上部部分包含該等上衝頭501、503及505且該下部部分包含該等下衝頭507、509及511。該下部部分係介於該衝模515與該芯體桿513之間。一具有用以填充金屬粉末之空腔605形式的體積係形成在該下部部分與該衝模及該芯體桿之間。

圖7顯示具有已填滿空腔之該工具，其中粉末701被塑形成如同工具中之空腔，其中該等齒部703係全部皆徑向且軸向對準。

圖8顯示具有一封閉衝模之工具，其中該上部部分已在該衝模之上部被向下移動801。

圖9a及圖9b顯示經塑形粉末，在此該兩個上衝頭501及503及該兩個下衝頭507及509係個別位移，如箭頭901、903、905及907所示。藉此，該等齒部909及911係軸向地位移，藉此以每隔一個齒部之方式使該等齒部之一半相對於該等齒部之另一半軸向地位移。在圖9b中，該衝模並未被描繪，以顯示該兩個上衝頭及該等下衝頭係如何使該等齒部相對於彼此軸向地位移。在某些實施例中，該粉末體積係在發生任何壓實之前(亦即在完全未經壓實之狀態)先被位移。然而，在某些實施例中，該粉末可在已執行略微壓實之後但在最終壓實之前被位移。

圖10顯示該經壓實之靜子，其中被固定在圖9a及9b所示之位置中之該等上衝頭及該等下衝頭已被壓合在一起以壓實該金屬粉末且藉此產生該靜子元件1001。

圖11顯示在彈出後之該經壓實靜子，其中該靜子係藉由該工具之下部部分沿一向上方向1101而從該衝模中被彈出。

圖12顯示該經壓實之靜子1201。

該靜子可從為軟磁性粉末之金屬粉末來予以壓實而成。該軟磁性粉末可大致為一純水原子化鐵粉末或一海綿鐵粉末，其具有已塗覆有一電絕緣體之不規則狀顆粒。在本文內容中，術語「大致純」係表示該粉末應實質上不具有內含物，且雜質氧、碳及氮之量應保持為最小值。該等平均顆粒尺寸大致低於300微米且高於10微米。

然而，任何軟磁性金屬粉末或金屬合金粉末皆可使用，只要充份具備該等軟磁性特性且該粉末適於衝模壓實即可。

該等粉末顆粒之電絕緣體可以由無機材料製成。特別適用的絕緣物類型係揭示在美國專利第6348265號(其以引用之方式併入本文中)，且其係關於一包含基本上為純鐵之鹼性粉末之顆粒，其具有一絕緣之含氧及磷障壁。具有絕緣顆粒之粉末係可購自瑞典Hganas AB之商品Somaloy500、Somaloy550或Somaloy700。

10‧‧‧電調變磁極機靜子

14‧‧‧靜子芯體區段

16‧‧‧靜子芯體區段

20‧‧‧線圈

22‧‧‧永久磁體

24‧‧‧區段

30‧‧‧轉子

100‧‧‧電調變磁極機

102．．．齒部

103．．．共同幾何軸線

301．．．靜子區段

303．．．靜子區段

305．．．齒部

401．．．上衝頭

403．．．下衝頭

405．．．衝模

409．．．衝頭

411．．．衝頭

501．．．上衝頭

503．．．上衝頭

505．．．上衝頭

506．．．衝頭

507．．．下衝頭

509．．．衝頭

511．．．下衝頭

513．．．芯體桿

515．．．衝模

521．．．基下部分

523．．．基下部分

527．．．基下部分

529．．．基下部分

531．．．衝頭構件

533．．．衝頭構件

535．．．幾何特徵

537．．．衝頭構件

539．．．衝頭構件

547．．．衝頭表面

549．．．衝頭表面

553．．．表面

601．．．上部部分

603．．．下部部分

605．．．空腔

701．．．粉末

703．．．齒部

801．．．向下移動

901．．．箭頭

903．．．箭頭

905．．．箭頭

907．．．箭頭

909．．．齒部

911．．．齒部

1001．．．靜子元件

1101．．．向上方向

1201．．．壓實靜子

本發明之較佳實施例係參考以下之圖式來說明，其中：圖1顯示依照本發明之一實施例之壓實方法之原理；圖2係習知技術之徑向空氣間隙通量電調變磁極機及習知技術之轉子/靜子設計的概要、分解立體視圖；圖3顯示一習知技術之靜子；圖4a及圖4b顯示本發明之一實施例之原理；圖5顯示依照本發明之一實施例之一工具壓實器之工具組件；圖6顯示該工具位在一填充位置；圖7顯示具有已填滿之空腔的該工具；圖8顯示具有一封閉衝模之該工具；圖9a及圖9b顯示該經塑形之粉末；圖10顯示該經壓實之靜子；圖11顯示在彈出後之該經壓實之靜子；及圖12顯示該經壓實之靜子。

1201．．．壓實靜子

Claims (12)

1. 一種用於自金屬粉末壓實一元件之壓實工具，其中該元件具有一致性經軸向位移之凸部，該工具包含一衝模及具有衝頭表面之一上衝頭及一下衝頭，其特徵在於該上及下衝頭包含可相對位移之衝頭表面，該等衝頭表面係用以在壓實該元件之前使該金屬粉末被位移於其間。
2. 如請求項1之壓實工具，其中該工具係用以壓實一靜子，該靜子係被使用在一旋轉電機中。
3. 如請求項3之壓實工具，其中該工具之該上部部分及該下部部分之每一者係包含各別第一及第二衝頭部分，每一衝頭部分包含一各別衝頭表面組，其中該第一及第二衝頭部分及其各別之衝頭表面組可相對於彼此而軸向地位移。
4. 如請求項3之壓實工具，其中該第一及第二衝頭部分之每一者係包含複數個軸向延伸之衝頭構件，每一衝頭構件包含一衝頭表面，且該等衝頭構件係被同軸地配置。
5. 如請求項4之壓實工具，其中該第一及第二衝頭部分之每一者係包含一各別環狀基下部分，使得該對應之衝頭構件組被連接至該基下部分且該對應之衝頭構件組係自該基下部分軸向地突伸而出。
6. 如請求項1至5中任一項之壓實工具，其包含一第一組及一第二組衝頭部分，每組包含一各別的上衝頭及一各別的下衝頭，該上及下衝頭界定各別之相對衝頭表面組，其中該第一組衝頭係可相對於該第二組衝頭而軸向地位移。
7. 如請求項2之壓實工具，其中該工具係用以壓實諸如軟磁性粉末之軟磁性材料。
8. 一種用於在一壓實工具中自金屬粉末壓實一元件之方法，其中該元件具有一致性及至少一被軸向位移之凸部，其特徵在於該元件在填充該壓實工具中之一填充空腔之後係被形成為具有軸向對準之凸部，其中該等凸部之至少一者係在填充之後且在壓實該元件之前被軸向地位移。
9. 如請求項8之方法，其包含：提供該衝頭工具位於一填充位置，其中各對應於該等凸部之一者之一第一組衝頭表面係彼此軸向地對準；以金屬粉末填充該衝頭工具；將該第一組之一子組衝頭表面相對於於該第一組之其餘衝頭表面軸向地位移；隨後壓實該金屬粉末。
10. 如請求項9之方法，其中軸向地位移包含軸向地位移該第一子組衝頭表面及一第二組之一對應子組衝頭表面，該第二組衝頭表面係被配置成與該第一組衝頭表面相對置。
11. 如請求項8至10中任一項之方法，其中該方法係用於壓實一旋轉機之該靜子部分，其中該靜子包含具有一致性靜子齒部形式的凸部，且該等靜子齒部具有兩組經軸向位移之靜子齒部。
12. 一種依照如請求項8至11之方法自經壓實金屬粉末製成之元件，其中該元件係一具有經軸向位移之靜子齒部以用作一旋轉機之一部分的靜子。