專利名稱：車用電機器的平衡圈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及一種車用電機器，且更進一步地涉及一種車用電機器的平衡圈以 及制造該平衡圈的方法。
背景技術：
近年來，技術進步導致了車輛設計的巨大變化。這些變化之一涉及車輛中尤其是 可替代燃料車輛中的各種電氣系統(tǒng)的復雜性以及動力使用。例如，有時除了例如內燃發(fā)動 機的其他動力源之外，例如混合動力車輛的可替代燃料車輛經常使用例如電池、超級電容 和燃料電池的電化學功率源，從而為驅動車輪的電力牽引機器(包括電動機和馬達/發(fā)電 機)提供功率。這樣的電機器通常包括在固定定子內的軸上軸向旋轉的轉子組件。因為牽引電 機器的轉子組件可以每分鐘數千轉(rpm)的速度旋轉，這些組件平衡中的輕微異常將導致 不希望的振動、軸承和軸的過早磨損以及縮短機器壽命。為了補償這種缺陷并維持高速下 的平衡，具有不對稱的重量分布的環(huán)形金屬平衡圈通常被安裝到與軸同心的轉子的一端或 兩端。所述圈必須被機加工成用于在沿其周緣上在特定點去除重量，所述圈定制成用于具 體轉子的不平衡并且補償該不平衡。理想地，平衡圈的特征在于高機械強度以耐受在以高 rpm旋轉時所產生的力，以及低磁導率(μ)以容納轉子組件內的磁通量從而提高總體機器 效率。由例如不銹鋼的金屬制造為單一結構形式的平衡圈提供了這兩個特征，但是過于昂 貴。例如鋁的的材料相對便宜并能提供高的磁屏蔽，但是在很多應用中不具有足夠的機械 強度。其他便宜的材料例如碳鋼提供高的機械強度但是提供很少或不提供磁屏蔽。由兩種不同粉末狀金屬構成的制造為雙層結構的復合平衡圈被用作一種結合了 高磁屏蔽和高機械強度的方式。例如，具有低μ的第一粉末狀金屬(例如不銹鋼)層可與 具有低成本和高強度的第二粉末狀金屬(例如碳鋼)層結合。這兩層然后被一起燒結以形 成用于具體轉子而被機加工的平衡圈。然而，粉末形態(tài)的金屬比其他例如軋制板這樣的更 常見形態(tài)的金屬顯著地更昂貴。此外，燒結后的不銹鋼在機加工過程中趨于加工硬化，從而 使其成為特別難加工的材料。另外，燒結后的平衡圈在這種機加工過程中易于開裂。這種 開裂在制造過程中可能難以識別，并且因此會導致在高速加載時所述圈的故障。于是，希望提供一種用于車用電機器的利用便宜的初始材料的具有低磁導率和高 機械強度的平衡圈而。進一步地，還希望這種平衡圈更易于機加工且更不易于形成開裂。更 進一步地，本發(fā)明的其他希望的特征和特性結合附圖和前述技術領域、背景技術，將通過隨 后的詳細描述和隨附權利要求變得明顯。

發(fā)明內容
根據實施例，僅作為例子，提 供一種使用在車輛中的電機器，其中電機器具有殼 體。電機器包括聯接到殼體的定子組件，以及布置于定子組件內并構造成用于相對其旋轉 的轉子組件。平衡圈聯接到轉子組件的端部并配置成與其一起旋轉。平衡圈包括具有第一平坦表面的環(huán)形基層，以及具有第二平坦表面的環(huán)形磁屏蔽層，其中第二平坦表面包覆第 一平坦表面。提供用于制造車用電機器的平衡圈的方法。根據本發(fā)明的示范性實施例，一種方 法包括以下步驟提供具有第一平坦表面的第一金屬層、提供具有第二平坦表面的第二金 屬層、以及將第二平坦表面包覆到第一平坦表面以形成復合結構。本發(fā)明提供一種使用在車輛中的電機器，所述電機器具有殼體，所述電機器包 括聯接到所述殼體的定子組件；布置在所述定子組件內并構造成用于相對于所述定子組件旋轉的轉子組件；以及聯接到所述轉子組件的端部并構造成用于與其一起旋轉的平衡圈，所述平衡圈包 括具有第一平坦表面的環(huán)形基層；以及具有第二平坦表面的環(huán)形磁屏蔽層，所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表 面。根據本發(fā)明的一個方面，所述環(huán)形磁屏蔽層進一步包括聯接成鄰近所述轉子組件 的端部的第三平坦表面。根據本發(fā)明的另一個方面，所述環(huán)形磁屏蔽層包括從包括鈦、鋁、不銹鋼、銅、鎂、 鉻、鋅、錳、鉬及其合金的組中所選擇的材料。根據本發(fā)明的另一個方面，所述環(huán)形基層包括碳鋼。根據本發(fā)明的另一個方面，所述環(huán)形磁屏蔽層具有從大約1倍到大約2倍于真空 磁導率的磁導率。根據本發(fā)明的另一個方面，所述環(huán)形磁屏蔽層具有從大約1倍到大約1. 2倍于真 空磁導率的磁導率。根據本發(fā)明的另一個方面，所述環(huán)形基層具有從大約Imm到大約20mm的厚度。根據本發(fā)明的另一個方面，所述環(huán)形磁屏蔽層具有從大約0. Imm到大約IOmm的厚度。本發(fā)明還提供一種平衡圈，包括包括高強度材料的第一環(huán)形層，所述第一環(huán)形層具有第一平坦表面；以及包括低磁導率材料的第二環(huán)形層，所述第二環(huán)形層具有包覆到所述第一平坦表面 的第二平坦表面。根據本發(fā)明的又一個方面，所述第二環(huán)形層具有選自從包括鈦、鋁、不銹鋼、銅、 鎂、鉻、鋅、錳、鉬及其合金的組中的成分。根據本發(fā)明的又一個方面，所述第一環(huán)形層包括碳鋼。根據本發(fā)明的又一個方面，所述第二環(huán)形層具有從大約1倍到大約2倍于真空磁 導率的磁導率。根據本發(fā)明的又一個方面，所述第二環(huán)形層具有從大約1倍到大約1. 2倍于真空 磁導率的磁導率。
本發(fā)明還提供一種用于制造車用電機器的平衡圈的方法，所述方法包括如下步 驟
提供具有第一平坦表面的第一金屬層；提供具有第二平坦表面的第二金屬層；將所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表面以形成復合結構；以及移除所述復合結構的一部分以形成環(huán)形圈。根據本發(fā)明的再一個方面，提供第二金屬層的所述步驟包括提供包括低磁導率材 料的第二金屬層。根據本發(fā)明的再一個方面，提供包括低磁導率材料的第二金屬層的所述步驟包括 提供包括具有磁導率為真空磁導率的大約1倍到大約2倍的材料的第二金屬層。根據本發(fā)明的再一個方面，所述移除步驟包括通過沖壓移除。根據本發(fā)明的再一個方面，提供包括具有低磁導率的材料的第二金屬層的步驟包 括提供包括鋁的第二金屬層。根據本發(fā)明的再一個方面，所述方法進一步包括機加工所述環(huán)形圈以形成所述平 衡圈的步驟。根據本發(fā)明的再一個方面，所述車用電機器還包括具有端部的轉子，并且所述方 法進一步包括將所述平衡圈安裝在所述轉子的所述端部的步驟。


結合下列附圖，通過參考詳細描述和權利要求可得出對本發(fā)明的更完整的理解， 其中在所有附圖中相同的附圖標記表示類似的元件，其中圖1是示例性車輛的示意圖，示出了實施例集成有各種車輛子部件的方式；圖2是示例性車用牽引電機器的示意圖，其與圖1所示的車輛一起使用，并具有根 據示例性實施例的集成的平衡圈；圖3是圖2所示平衡圈的立體圖； 圖4是圖2和3中所示類型的示例性平衡圈的剖視示意圖；以及圖5-7是示出了根據示例性實施例使用覆層材料制造平衡圈的方法的示意圖。
具體實施例方式本文所述的本發(fā)明的各種實施例提供一種適于裝配在車輛上的電機器的轉子組 件的平衡圈，以及制造這種平衡圈的方法。所述電機器可包括發(fā)電機或電動機、或它們的復 合(馬達/發(fā)電機)。平衡圈具有通過將磁屏蔽層的板或鑄件包覆到金屬基層的板或鑄件 所制成的復合結構。磁屏蔽層有助于在操作過程中容納轉子組件內的磁通量，并且其特征 在于低磁導率。金屬基層由相對便宜的材料制成以降低總成本，并提供適合承受由高轉速 旋轉所產生的力的高機械強度。板/鑄件金屬的包覆提供了與前述燒結的粉末狀金屬設計 相比更易于機加工并在機加工過程中更不易于開裂的平衡圈。板/鑄件形式的金屬也比相 同組分的粉末狀金屬明顯地更便宜，從而降低了平衡圈的總成本。圖1示出根據本發(fā)明的一個實施例的車輛例如汽車10。汽車10包括底盤12、車 身14、四個車輪16和電子控制系統(tǒng)(或電子控制部件(E⑶))18。車身14布置在底盤12 上并且大體上包圍汽車10的其他部件。車身14和底盤12可以共同地形成車架。車輪16 每個都旋轉地聯接到車身14的各自拐角附近的底盤12。
汽車10可為任何不同類型的汽車中的一種，例如轎車、貨車、卡車或運動多用途 車(SUV)，并且可為兩輪驅動(2WD)(即，后輪驅動或前輪驅動)、四輪驅動(4WD)、或全輪驅 動(AWD)。汽車10也可結合下列多種不同類型的發(fā)動機(或致動器)中的任何一種或其組 合，例如汽油發(fā)動機或柴油發(fā)動機、“靈活燃料車輛”(FFV)發(fā)動機(即，使用汽油和乙醇的 混合物)、氣體化合物(例如，氫和/或天然氣)燃料發(fā)動機、或燃料電池、燃燒/電動機/ 發(fā)電機混合動力發(fā)動機以及電動機。在圖1所示的示例性實施例中，汽車10是燃料電池車輛，并且進一步包括致動器 部件(或傳動系)20、電池22、電池充電狀態(tài)(SOC)系統(tǒng)24、功率電子艙(PEB) 26、以及散熱 器28。致動器組件20包括內燃(IC)發(fā)動機30和電動機/發(fā)電機(或牽引馬達/發(fā)電機) 系統(tǒng)(或組件)32。電池22電聯接到PEB 26，并且在一個實施例中包括鋰離子(Li-ion) 電池，所述鋰電池包括多個原電池，如通常所理解的。牽引馬達/發(fā)電機組件32通常包括 多個電子部件，其包括定子和轉子組件。轉子組件包括至少一個平衡圈，其制造為復合金屬 包覆，必要時機加工成用于在高轉速旋轉時提供對轉子組件的平衡。在如圖1所示的示例 性實施例中，牽引馬達/發(fā)電機組件32被配置為致動器組件20的部件。盡管該示例，在可 替換實施例中牽引馬達/發(fā)電機組件32可被使用在車輛10內的其他地方。例如，在某些 實施例中，牽引馬達發(fā)電機組件可置于變速器內，或作為皮帶傳動發(fā)電機起動機系統(tǒng)(BAS) 的部件，并且由皮帶或其他適合方式連接到IC發(fā)動機。圖2示意性地示出根據示例性實施例具有集成的平衡圈50和52的牽引馬達/發(fā) 電機組件32。牽引馬達/發(fā)電機組件32包括定子62，定子62包含在殼體54中并固定聯 接至殼體54。轉子組件58可旋轉地聯接到定子62，并且大致與定子62同心地繞軸(未示 出)上的軸線A-A’旋轉。根據其設計，組件58也可包括構造成用于與定子62產生的磁通 量相互作用并以已知方式將扭矩提供到轉子組件58的多個磁鐵60。第一平衡圈50和第二 平衡圈52每個都例如通過壓配合，大致與軸線A-A’同軸地安裝到轉子組件58的相反端。 圈50和52構造成用于補償轉子組件58的質量分布的不對稱，這否則可引起組件58在旋 轉時的振動。圈50和52每個都被制造為雙層復合結構，該結構包括以下面詳細描述的方 式包覆在一起的不同成分的兩個金屬板和/或鑄件。在操作期間，轉子組件58繞軸線A-A’ 在定子中同軸地旋轉從而產生機械能。平衡圈50和52與轉子組件58 —起旋轉，每個圈都 具有不對稱的質量分布，其構造成用于平衡/補充組件58的旋轉不平衡。圖3是根據示例性實施例的平衡圈50的示意圖。平衡圈50具有環(huán)形形狀，其具 有外直徑Dl和內直徑D2，并且包括雙層復合結構，該雙層復合結構包括包覆到第二層84的 第一層80。第一層80和第二層84可具有適合安裝到轉子組件58 (圖2)的任何厚度和形 狀。圈50可具有機加工到其表面中的任意形狀或尺寸的任意數量的凹部88，以提供在被聯 接到組件58并與組件58 —起旋轉時補償組件58內的旋轉不平衡的不對稱質量分布。凹 部88的機加工可以通過打鉆或銑削或通過以精確方式從圈50除去材料的任何其他合適方 法完成。在運行期間，平衡圈50與轉子組件58 —起旋轉并調節(jié)組件58 (其現在包括圈50) 的質心以與軸線A-A’上的點更接近重合(圖2)，從而改善組件的旋轉平衡。圈50進一步 構造成用于提供對轉子組件58的磁屏蔽以將磁通量容納在其中，從而提高馬達/發(fā)電機32 的總效率。 在這里，術語“包覆”表示一組特殊的工藝，用來把兩種樣品金屬層接合到一起。包覆工藝通常涉及兩種不同組分的金屬層，其中金屬層可包括以任何方式形成的任何類型的 連續(xù)金屬結構，例如通過滾軋形成金屬板樣品或通過鑄造形成鑄件金屬樣品的方式。包覆 涉及將兩種樣品的表面形成互相密切接觸，并使用例如冷軋接合、熱軋接合、熱壓、爆破接 合、擠壓接合等技術形成金屬與金屬的接觸并增強分界面的接合。適當的表面預處理可在 例如前驅體的金屬樣品上進行以包覆從而移除污染物和/或金屬氧化物。包覆不包括將金 屬的微小顆粒與例如粉末狀金屬通過使用例如燒結方法接合在一起，或將板或鑄件樣品通 過使至少一個樣品達到其熔融溫度的焊接、銅焊等接合。另外，包覆不包括用于例如通過粘 結或焊接將樣品界面地接合的任何中間粘結材料。圖4示意性地以剖面形式示出根據示例性實施例的平衡圈50。圈50包括環(huán)形基 層84和環(huán)形磁屏蔽層80。以如下文所述的方式在界面92處將屏蔽層80包覆到基層84。 環(huán)形基層84具有通過任何適合的方法例如打鉆或銑削形成到其表面中的凹部88。凹部88 在圈50上的尺寸和位置將取決于上文所述的宿主轉子的平衡特性。因此，盡管圈50被示 出為具有特定尺寸和形狀的單個凹部88，但是應當理解可使用具有任何適當尺寸、形狀和 /或深度的任何數量的這種凹部。此外，對于具體轉子或設計而言，在需要時，將金屬從環(huán)形 磁屏蔽層80移除的機加工也可類似地實施。圖5-7示意性地示出根據本發(fā)明的各種示例性實施例形成具有環(huán)形磁屏蔽層包 覆到環(huán)形高強度基層的平衡圈100的方法。參考圖5，根據示例性實施例，該方法從提供基 層110和磁屏蔽層114開始。層110和114的尺寸適于待被制造的平衡圈的直徑，并可具 有任何適合的厚度。在一個實施例中，基層110具有大約從1毫米(mm)到約20mm的厚度， 并且優(yōu)選從約Imm到約IOmm厚。磁屏蔽層114具有從約0. Imm到約IOmm的厚度，并且優(yōu) 選從約Imm到約5mm厚?；鶎?10具有第一表面112，并可包含適于包覆的任何高強度金 屬，例如碳鋼。磁屏蔽層114具有第二表面116，并可包含具有低μ的任何金屬，例如鈦、 鋁、不銹鋼、銅、鎂、鉻、鋅、錳、鉬及其合金。在一個實施例中，磁屏蔽層114具有從約1倍到 約2倍于真空磁導率的μ。在優(yōu)選實施例中，磁屏蔽層114具有從約1倍到約1. 2倍于真 空磁導率的μ。然后，適于所選材料的表面預處理在表面112和116上實施以移除在其上 可能出現的金屬氧化物或例如碳氫化合物的污染物。該預處理可包括用以移除這些氧化物 和污染物的化學處理、或例如砂磨或噴砂的研磨處理、或上述兩者結合的處理。噴砂也可以 用于增加表面粗糙度以利于在隨后的包覆處理期間的機械粘合。隨后如雙箭頭118所示使 表面112和116接近。在表面準備之后，如圖6所示使層110和114開始互相接觸。例如通過任何適合 的滾軋工藝將壓力(如箭頭120所示)施加在層110和114上，使得表面112和116彼此 形成緊密的金屬到金屬的接觸從而形成復合結構122。根據使用的總體工藝，也可以連同壓 力一起應用加熱(如箭頭124所示)以增強所產生包覆的粘合接合強度。然后，如圖7所示，環(huán)形圈130由復合結構1 22形成。環(huán)形圈130可以通過使用任 何適當工藝例如沖壓工藝移除一部分復合結構122來形成。環(huán)形圈130分別具有外直徑Dl 和內直徑D2，其尺寸取決于宿主轉子組件的尺寸。成型之后，環(huán)形圈130可以以任何適合方 式例如打鉆、銑削來機加工從而按照形成最終平衡圈的需要從基層110和磁屏蔽層114中 的一個或兩個上移除材料。恰如將平衡圈50安裝到轉子組件58 (圖2)，然后安裝平衡圈 100，使得磁屏蔽層114布置成鄰近轉子組件的端部，以在旋轉時提供對其增強的平衡。
這里所述的本發(fā)明的各個實施例提供一種用于車用電動機/發(fā)電機的轉子組件 的并具有磁屏蔽層包覆到高強度金屬基層的平衡圈及所述平衡圈的制造方法。這些示例性 實施例也可應用到例如配備在任何類型車輛中的電動機或發(fā)電機的任何適合電機器。磁屏 蔽層可以包括具有低磁導率的板或鑄件金屬層，并且配置成鄰近轉子安裝。基層還可包括 板或鑄件層，其特征在于高機械強度。這兩層使用常規(guī)包覆工藝接合在一起，并且通過由此 產生的復合結構制造平衡圈。由此最終平衡圈在不使用昂貴的粉末狀金屬的情況下使低磁 導率和高機械強度結合進單一復合結構中。用來制造由此產生的平衡圈的板或鑄件材料更 易于機加工且更不易開裂。盡管在上文的詳細描述中體現了至少一個實施例，應當明確的是還存在各種變 換。也應當明確的是此處描述的示例性實施例或多個示例性實施例不試圖以任何方式對本 發(fā)明的范圍、適用或構造進行限制。相反，上文詳細描述將給本領域技術人員提供實現所述 實施例或多個實施例的方便途徑。應當理解，在不脫離本發(fā)明及其法律等同方案的范圍的 情況下， 可在元件的功能和配置上做出多種變換。
權利要求
一種使用在車輛中的電機器，所述電機器具有殼體，所述電機器包括聯接到所述殼體的定子組件；布置在所述定子組件內并構造成用于相對于所述定子組件旋轉的轉子組件；以及聯接到所述轉子組件的端部并構造成用于與其一起旋轉的平衡圈，所述平衡圈包括具有第一平坦表面的環(huán)形基層；以及具有第二平坦表面的環(huán)形磁屏蔽層，所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表面。
2.如權利要求1所述的電機器，其特征在于，所述環(huán)形磁屏蔽層進一步包括聯接成鄰 近所述轉子組件的端部的第三平坦表面。
3.如權利要求1所述的電機器，其特征在于，所述環(huán)形磁屏蔽層包括從包括鈦、鋁、不 銹鋼、銅、鎂、鉻、鋅、錳、鉬及其合金的組中所選擇的材料。
4.如權利要求1所述的電機器，其特征在于，所述環(huán)形基層包括碳鋼。
5.如權利要求1所述的電機器，其特征在于，所述環(huán)形磁屏蔽層具有從大約1倍到大約 2倍于真空磁導率的磁導率。
6.如權利要求5所述的電機器，其特征在于，所述環(huán)形磁屏蔽層具有從大約1倍到大約 1.2倍于真空磁導率的磁導率。
7.如權利要求1所述的電機器，其特征在于，所述環(huán)形基層具有從大約Imm到大約 20mm的厚度。
8.如權利要求1所述的電機器，其特征在于，所述環(huán)形磁屏蔽層具有從大約0.Imm到大 約IOmm的厚度。
9.一種平衡圈，包括包括高強度材料的第一環(huán)形層，所述第一環(huán)形層具有第一平坦表面；以及包括低磁導率材料的第二環(huán)形層，所述第二環(huán)形層具有包覆到所述第一平坦表面的第 二平坦表面。
10.一種用于制造車用電機器的平衡圈的方法，所述方法包括如下步驟提供具有第一平坦表面的第一金屬層；提供具有第二平坦表面的第二金屬層；將所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表面以形成復合結構；以及移除所述復合結構的一部分以形成環(huán)形圈。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車用電機器的平衡圈。具體地，提供使用在車輛中的電機器，其中所述電機器具有殼體。電機器包括聯接到殼體的定子組件，以及布置于定子組件中并配置成用于相對定子組件旋轉的轉子組件。平衡圈聯接到轉子組件的端部并配置成用于與其一起旋轉。平衡圈包括具有第一平坦表面的環(huán)形基層，和具有第二平坦表面的環(huán)形磁屏蔽層，所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表面。
文檔編號H02K7/04GK101841202SQ20101013687
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權日2009年3月11日
發(fā)明者M·湯普森, R·M·利奇曼 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司