專利名稱：由粉末形成的鐵芯和使用該鐵芯的車輛用電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵芯，特別是一種由具有高形狀自由度(B卩，可形成多種形狀)的粉末形成的電機(jī)用鐵芯，并且涉及一種使用該鐵芯的車輛用電機(jī)。有益地，該鐵芯可替代常規(guī)的電工鋼板使用。
背景技術(shù)：
由于越來越多的車輛被制造成電動(dòng)操作且更加環(huán)境友好，因此常規(guī)的液壓驅(qū)動(dòng)的車輛系統(tǒng)已發(fā)展成電力驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。這使得用于車輛的電機(jī)的類型和數(shù)量激增。例如，高檔車可具有多達(dá)100個(gè)以上的電機(jī)。
隨著對(duì)電機(jī)的需求以這種方式增加，同樣要求電機(jī)體積更小且重量更輕。例如，已通過將常規(guī)的DC電機(jī)在結(jié)構(gòu)上改變?yōu)锽LDC (無刷直流)電機(jī)或使用高性能磁鐵的方式，降低了電機(jī)的尺寸和重量。此外，車輛使用的高頻率和高轉(zhuǎn)速可促進(jìn)對(duì)提高電機(jī)輸出和進(jìn)一步減小尺寸的進(jìn)一步需要。
圖1示出了常規(guī)的車輛用電機(jī)，圖2示出了在圖1的電機(jī)中使用的定子鐵芯。常規(guī)地,構(gòu)成電機(jī)70的大體積的鐵芯30包括層疊的電工鋼板32。這種電工鋼板32的高磁通密度、高磁導(dǎo)率和高強(qiáng)度提供了優(yōu)勢(shì)，因此其被廣泛應(yīng)用于車輛用電機(jī)的鐵芯30。
然而，電工鋼板32存在問題，因?yàn)閮H形成二維磁回路且形狀自由度低。在設(shè)計(jì)電機(jī)70時(shí)，電工鋼板32的受限的結(jié)構(gòu)很難應(yīng)用。例如，包括電工鋼板的鐵芯30被配置為使得轉(zhuǎn)子10位于鐵芯30內(nèi)，并且導(dǎo)線60纏繞在鐵芯30的外表面上。如此，纏繞的導(dǎo)線可在增加鐵芯尺寸的高度布置于鐵芯的外表面上，因此電機(jī)的軸向長(zhǎng)度會(huì)增加。
此外，典型地使用的導(dǎo)線60的類型為銅(Cu)線，其昂貴且密度高。因此使用纏繞的銅線可導(dǎo)致成本和重量的增加。
此外，常規(guī)的電工鋼板32具有低形狀自由度，使得電工鋼板32通常形成有不期望的尖角。這些尖角可引起導(dǎo)線60的涂層不期望地發(fā)生剝落。為了避免這種剝落，例如絕緣體50的絕緣部件附加地連接于鐵芯30的外表面，以防止導(dǎo)線的涂層剝落。
本背景技術(shù)僅用于提高對(duì)本發(fā)明背景的理解，而不應(yīng)被認(rèn)為是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容
需要理解的是，本文所使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或者其他類似術(shù)語包括通常的機(jī)動(dòng)車輛，例如包括運(yùn)動(dòng)型多功能車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛在內(nèi)的客運(yùn)車輛，包括各種艇和船在內(nèi)的水運(yùn)工具、以及飛行器，等等，并且包括混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)車輛、插電式混合電動(dòng)車輛、氫動(dòng)力車輛和其他替代燃料車輛(例如，從石油以外的資源取得的燃料)。如本文所提及的，混合動(dòng)力車輛是具有兩種或更多種動(dòng)力源的車輛，例如同時(shí)使用汽油驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)的車輛。
因此，本發(fā)明是謹(jǐn)記上述現(xiàn)有技術(shù)中遇到的問題而做出的，并且本發(fā)明的目的在于提供一種由粉末形成的鐵芯和使用該鐵芯的車輛用電機(jī)。具體地，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，鐵芯由具有高形狀自由度的各向同性粉末形成。各向同性粉末用于形成電機(jī)用鐵芯以便提供小型輕質(zhì)的電機(jī)，并且減少導(dǎo)線的使用。根據(jù)不同的實(shí)施例，使用銅(Cu)鋁(Al)導(dǎo)線而非純銅(Cu)導(dǎo)線，因此顯著降低了導(dǎo)線的重量(例如，根據(jù)銅和鋁的相對(duì)含量，可達(dá)50%以上的量)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種由粉末形成的鐵芯。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該鐵芯可以是用于車輛用電機(jī)的定子鐵芯。在不同的實(shí)施例中，該鐵芯由金屬粉末形成，并且包括設(shè)置于電機(jī)外側(cè)的外部、設(shè)置于電機(jī)內(nèi)側(cè)的內(nèi)部、以及連接外部與內(nèi)部的卷繞部，并且導(dǎo)線可纏繞于卷繞部上。有益地，卷繞部可形成為具有圓角且其高度小于內(nèi)部的高度。在卷繞部與內(nèi)部之間還可傾斜地形成連接部，使得卷繞部與內(nèi)部相連接。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，鐵芯可由金屬粉末形成，該金屬粉末包括尺寸約為50 200μπι涂覆有厚度為IOOnm以下(不包括O)的磷酸鹽層的純鐵顆粒。根據(jù)不同的實(shí)施例，鐵芯可通過模制工藝形成。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，可通過使金屬粉末和潤(rùn)滑劑(例如聚酰胺基潤(rùn)滑劑)在例如約70 100°C的溫度和約7 llton/cm2的施加壓力的適當(dāng)條件下進(jìn)行模壓成型，而形成鐵芯。在模壓成型后，可在例如約500 600°C的適當(dāng)高溫下持續(xù)約20 60分鐘進(jìn)行熱處理。在一些實(shí)施例中，由此形成的鐵芯可具有約7 8g/cc的密度，并且部分密度差可小于約0.05g/cc(不包括O)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，卷繞部可形成為具有圓形或橢圓形橫截面。然而，也可適當(dāng)?shù)厥褂闷渌麕缀涡螤?，其中外表面光滑，且?yōu)選是倒圓角的。卷繞部的高度優(yōu)選地大于內(nèi)部的高度,并且在不同的實(shí)施例中，卷繞部的高度可以是內(nèi)部的高度的至少0.7倍。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，外部的高度可等于或大于卷繞部的高度，并可小于內(nèi)部的高度。此外，本發(fā)明提供了一種車輛用電機(jī)，其包括由金屬粉末形成的定子鐵芯。根據(jù)不同的實(shí)施例，鐵芯包括設(shè)置于電機(jī)外側(cè)的外部、設(shè)置于電機(jī)內(nèi)側(cè)的內(nèi)部、和連接外部與內(nèi)部的卷繞部，并且導(dǎo)線纏繞在卷繞部上。卷繞部可形成為具有圓角且其高度小于內(nèi)部的高度，并且在卷繞部與內(nèi)部之間形成連接部，使得卷繞部與內(nèi)部相連接。優(yōu)選地，連接部?jī)A斜地形成于卷繞部與內(nèi)部之間。根據(jù)一些實(shí)施例，纏繞在鐵芯的卷繞部上的導(dǎo)線包括鋁和銅的組合，優(yōu)選為鋁線和圍繞鋁線形成的銅帶。根據(jù)不同的實(shí)施例，導(dǎo)線可包括基于總導(dǎo)線成分的約15 30體積％的銅。通過圍繞鋁線設(shè)置銅帶，并且使用例如焊接的適當(dāng)方法將銅帶的相對(duì)兩端連接起來，可形成該導(dǎo)線。


通過以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明，將更加清楚地理解本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中:圖1是示出常規(guī)的車輛用電機(jī)的視圖；圖2是示出在圖1的電機(jī)中使用的定子鐵芯的視圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的由粉末形成的鐵芯的視圖4是圖3中的鐵芯沿線A-A截取的截面圖5是圖3中的鐵芯沿線B-B截取的截面圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的車輛用電機(jī)的導(dǎo)線的視圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的車輛用電機(jī)的視圖；并且
圖8和圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電機(jī)和常規(guī)電機(jī)的性能的曲線圖。
具體實(shí)施方式
以下，將參照附圖詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的由粉末形成的鐵芯和使用該鐵芯的車輛用電機(jī)。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的由粉末形成的鐵芯的視圖，圖4是圖3中的鐵芯沿線A-A截取的截面圖，并且圖5是圖3中的鐵芯沿線B-B截取的截面圖。
根據(jù)本發(fā)明，鐵芯100是適用于車輛用電機(jī)M的定子鐵芯，由金屬粉末形成，并且包括位于電機(jī)M外側(cè)的外部140、位于電機(jī)內(nèi)側(cè)的內(nèi)部120、和連接外部140與內(nèi)部120的卷繞部160，且導(dǎo)線300纏繞于卷繞部160上。如圖4中所示，卷繞部160形成為具有圓角162。如圖5中所示，卷繞部160進(jìn)一步具有高度“b”，其小于內(nèi)部120的高度“a”，并且連接部164傾斜地形成在卷繞部160與內(nèi)部120之間，使得卷繞部160與內(nèi)部120自然地連接。
卷繞部160可形成為具有圓形或橢圓形橫截面，并且其高度b可為內(nèi)部120的高度a的至少0.7倍。如圖5中所示，外部140可形成為具有高度“C”，其中高度c等于或大于(如圖5中所示)卷繞部160的高度b，但是小于內(nèi)部120的高度a。
可使用高形狀自由度的各向同性粉末，如圖4中所示設(shè)計(jì)由粉末形成的鐵芯100的橫截面。這樣的鐵芯可被制造為使得角162是圓角或者其橫截面是圓形或橢圓形。
相反地，常規(guī)的電工鋼板因?yàn)榈托螤钭杂啥榷删哂屑饨?，其可不合需要地?dǎo)致導(dǎo)線的涂層剝落。為了克服這樣的問題，鐵芯的外表面可覆蓋例如絕緣體的材料，以便防止導(dǎo)線的涂層剝落。
根據(jù)本發(fā)明，由各向同性粉末形成的鐵芯具有高形狀自由度，因此可設(shè)計(jì)并制造成具有倒圓角的棱邊。這樣的倒圓角結(jié)構(gòu)可防止導(dǎo)線的涂層剝落。此外，當(dāng)導(dǎo)線纏繞相同圈數(shù)時(shí)，由于倒圓的棱邊而使每圈使用的導(dǎo)線減少，因此導(dǎo)線露出鐵芯外側(cè)的部分(“導(dǎo)線末端”)可縮短。
在所示的實(shí)施例中，用于進(jìn)行模制的型模的轉(zhuǎn)角被倒角，使得鐵芯的轉(zhuǎn)角被倒圓。根據(jù)不同的實(shí)施例，由具有高形狀自由度的粉末形成的鐵芯被制造成，使得導(dǎo)線纏繞于其上的鐵芯的轉(zhuǎn)角162被倒角成圓形至約0.5R或更大。這樣的轉(zhuǎn)角162可防止導(dǎo)線的涂層剝落，并可降低每圈的導(dǎo)線用量。
為減少導(dǎo)線末端的長(zhǎng)度和導(dǎo)線的用量，鐵芯的結(jié)構(gòu)可被設(shè)計(jì)為具有圖5中所示的結(jié)構(gòu)。根據(jù)一些實(shí)施例，鐵芯可被整體制造以簡(jiǎn)化制造工序并降低制造成本，此外可實(shí)現(xiàn)鐵芯的高模制密度，并可最小化不同鐵芯部分之間的密度差異。
在圖5中所示的截面圖中，卷繞部160的高度b形成為小于內(nèi)部120的高度a。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，卷繞部160的高度b可以是內(nèi)部120的高度a的至少0.7倍。如果高度比小于0.7，則不同鐵芯部分之間的密度差異加大，從而不合需要地使磁性惡化。如附圖中所示，連接部164傾斜地形成在卷繞部160與內(nèi)部120之間使其自然地連接。另一方面，如果連接是正交的，則在模制面上會(huì)輕易地形成毛刺，必須通過進(jìn)一步的鐵芯處理去除。此外，當(dāng)磁路向電機(jī)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，由于磁路狹窄因而難以有效地移動(dòng)磁路。通過形成傾斜的連接部164，可以最小化毛刺的產(chǎn)生，因此降低制造成本。而且在磁路的形成過程中，其中在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿著鐵芯朝向鐵芯端部(向電機(jī)內(nèi)部)移動(dòng)，由于較寬的內(nèi)部120，通路可變得更加有效，從而提高了電機(jī)的性能。在鐵芯的各部分當(dāng)中，外部不影響鐵芯的磁場(chǎng)分布(通過形成磁路)和電機(jī)的性能。因此，如果需要，可減小或去除外部140以減少鐵芯的重量和電機(jī)的軸向長(zhǎng)度。特別地，磁場(chǎng)分布表現(xiàn)為朝向內(nèi)部120的部分相對(duì)增大，因此提高了由線芯形成的電磁強(qiáng)度，從而提高了電機(jī)扭矩。這樣的鐵芯無法使用常規(guī)的層疊的電工鋼板成形。然而，由于軟磁粉末的形狀自由度，形成根據(jù)本發(fā)明的這種形狀是可能的。因此，例如，不協(xié)助形成磁回路的外部140可形成為具有高度C，高度c等于或大于卷繞部160的高度，但是小于內(nèi)部120的聞度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由粉末形成的鐵芯100可使用金屬粉末制成，該金屬粉末包括尺寸為50 200 μ m的純鐵顆粒和其上的厚度為IOOnm或更小(不包括O)的磷酸鹽涂層。通過使金屬粉末和聚酰胺基潤(rùn)滑劑在例如70 100°C的溫度和7 llton/cm2的壓力的適當(dāng)條件下進(jìn)行模壓成型，隨后例如在500 600°C下進(jìn)行20 60分鐘的適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可獲得該鐵芯100。由此形成的鐵芯具有7 8g/cc的密度，和小于0.05g/cc (不包括O)的部分密度差，因此顯示出高性能。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的車輛用電機(jī)的導(dǎo)線的視圖，且圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的車輛用電機(jī)的視圖。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用上述鐵芯的車輛用電機(jī)包括:定子鐵芯100，其由金屬粉末形成，并且包括位于電機(jī)M外側(cè)的外部140、位于電機(jī)內(nèi)側(cè)的內(nèi)部120、和連接外部140與內(nèi)部120的卷繞部160，其中卷繞部160形成為具有圓角162和高度b，高度b小于內(nèi)部120的高度a，并且連接部164傾斜地形成在卷繞部160與內(nèi)部120之間，使得兩者自然地連接；以及導(dǎo)線300，其纏繞在鐵芯100的卷繞部160上，并且包括鋁線320和圍繞鋁線320形成的銅帶340。在電機(jī)內(nèi)還設(shè)置有轉(zhuǎn)子500。導(dǎo)線300可包括基于總成分的15 30體積％的銅，并可通過圍繞鋁線320設(shè)置銅帶340且使用焊接或其他適當(dāng)?shù)倪B接機(jī)制將銅帶340的相對(duì)兩端342連接起來而形成導(dǎo)線 300。因此制造出具有15 30體積％銅的CCA(銅包鋁)線。如果銅的量小于15%，則導(dǎo)電性會(huì)大幅下降，從而可不合期望地惡化電機(jī)性能。相反地，如果銅的量超過30%，則銅的重量增加，進(jìn)而不合期望地提高線圈的價(jià)格。因此，銅的量大于30%被認(rèn)為過多?？墒褂眉兌葹?9.7%以上的鋁線和純度為99.9%以上的銅帶形成用于提高導(dǎo)電性的CCA結(jié)構(gòu)。而且，通過最小化鋁線的熱效應(yīng)以及使用產(chǎn)生具有一致焊接質(zhì)量的薄銅板的焊接工序，可獲得具有高銅含量的CCA線。例如，制備平的銅帶340和鋁線320，將鋁線320放在平的銅帶340上，并且通過滾動(dòng)使平的銅帶圍繞鋁線成形。然后進(jìn)行TIG焊接或任何其他適當(dāng)?shù)墓ば蜻B接銅帶的兩端342。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，焊接在800 1000°C下以約5mm/s的速率進(jìn)行。于是，由此形成的CCA取代銅被用作電機(jī)導(dǎo)線。CCA具有常規(guī)銅的70%的電導(dǎo)率，并且例如，導(dǎo)線的圈數(shù)和直徑可從Φ 1.5*16圈變?yōu)棣?1.38*18.5圈。因此，導(dǎo)線的重量最終可減少50%甚至更多。
圖8和圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電機(jī)的性能與常規(guī)電機(jī)對(duì)比的曲線圖，其中實(shí)例I使用普通銅導(dǎo)線，而實(shí)例2使用根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)線。在電機(jī)需要的典型的0.2Nm的扭矩下，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電機(jī)的性能與常規(guī)電機(jī)的性能相同甚至更優(yōu)。
如前文所述，本發(fā)明提供了一種由粉末形成的鐵芯和使用該鐵芯的車輛用電機(jī)。根據(jù)本發(fā)明，由具有高形狀自由度的各向同性粉末形成的鐵芯被用于電機(jī)鐵芯，因而減少了電機(jī)的尺寸和重量，進(jìn)而減少了纏繞導(dǎo)線量。
而且，電機(jī)用鐵芯被設(shè)計(jì)成具有提供高密度的形狀，并可通過高密度成型工藝由高密度軟磁粉末形成。如此，該鐵芯可有效提高電機(jī)性能。
此外，提供了一種銅鋁導(dǎo)線的制造工序，其中銅鋁導(dǎo)線可取代常規(guī)的銅導(dǎo)線在電機(jī)中使用。這樣的銅鋁導(dǎo)線的重量可減少50%及更多。
盡管已為了說明的目的公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，可進(jìn)行各種修改、添加和替代，而不背離所附權(quán)利要求中所公開的本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于車輛用電機(jī)的定子鐵芯，所述鐵芯由金屬粉末形成，并且包括設(shè)置于電機(jī)外側(cè)的外部、設(shè)置于電機(jī)內(nèi)側(cè)的內(nèi)部、和連接所述外部與所述內(nèi)部的卷繞部，其中所述卷繞部具有圓角和小于所述內(nèi)部的高度的高度，以及連接所述卷繞部與所述內(nèi)部的連接部，所述連接部在所述卷繞部與所述內(nèi)部之間傾斜地延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵芯，其中所述鐵芯由金屬粉末形成，所述金屬粉末包括尺寸約為50 200 μ m的純鐵顆粒，和純鐵顆粒上的厚度大于O且直至IOOnm的磷酸鹽涂層。
3.如權(quán)利要求2所述的鐵芯，其中通過使所述金屬粉末和聚酰胺基潤(rùn)滑劑在約70 100°C的溫度和約7 llton/cm2的壓力下進(jìn)行模壓成型，隨后在約500 600°C下熱處理約20 60分鐘，形成所述鐵芯。
4.如權(quán)利要求2所述的鐵芯，其中所述鐵芯具有約7 8g/cc的密度，并且部分密度差大于Og/cc且小于約0.05g/cc。
5.如權(quán)利要求1所述的鐵芯，其中所述卷繞部具有圓形或橢圓形橫截面。
6.如權(quán)利要求1所述的鐵芯,其中所述卷繞部的高度為所述內(nèi)部的高度的至少約0.7倍。
7.如權(quán)利要求1所述的鐵芯，其中所述外部的高度等于或大于所述卷繞部的高度，但是小于所述內(nèi)部的高度。
8.如權(quán)利要求1所述的鐵芯，還包括纏繞在所述卷繞部上的導(dǎo)線。
9.一種車輛用電機(jī),包括: 定子鐵芯，其由金屬粉末形成，并且包括設(shè)置于電機(jī)外側(cè)的外部、設(shè)置于電機(jī)內(nèi)側(cè)的內(nèi)部、和連接所述外部與所述內(nèi)部的卷繞部，其中所述卷繞部具有圓角和小于所述內(nèi)部的高度的高度，以及連接所述卷繞部與所述內(nèi)部的連接部，所述連接部在所述卷繞部與所述內(nèi)部之間傾斜地延伸；和 導(dǎo)線，其纏繞于所述鐵芯的所述卷繞部上，所述導(dǎo)線包括鋁和銅的組合。
10.如權(quán)利要求9所述的電機(jī)，其中所述導(dǎo)線包括鋁線和圍繞所述鋁線形成的銅帶。
11.如權(quán)利要求9所述的電機(jī)，其中所述導(dǎo)線包括基于總成分的15 30體積％的銅。
12.如權(quán)利要求10所述的電機(jī)，其中通過圍繞所述鋁線設(shè)置所述銅帶并且焊接所述銅帶的相對(duì)兩端，形成所述導(dǎo)線。
全文摘要
一種由粉末形成的鐵芯和使用該鐵芯的車輛用電機(jī)，該鐵芯例如用于車輛用電機(jī)的定子鐵芯，其中鐵芯由金屬粉末形成，并且包括設(shè)置于電機(jī)外側(cè)的外部、設(shè)置于電機(jī)內(nèi)側(cè)的內(nèi)部、和連接外部與內(nèi)部的卷繞部，并且導(dǎo)線纏繞于卷繞部上。卷繞部形成為具有圓角，且高度小于內(nèi)部的高度，并且連接部?jī)A斜地形成于卷繞部與內(nèi)部之間，使得卷繞部與內(nèi)部自然地連接。
文檔編號(hào)B22F5/00GK103166335SQ20121026888
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者李在領(lǐng), 金成進(jìn), 金信圭, 樸建慜 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社