專利名稱：壓制成一體的定子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓制工具、將金屬粉末壓制成構(gòu)件的方法和根據(jù)這種方法制成的構(gòu) 件。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于電調(diào)極電機(jī)的軟磁芯零件的設(shè)計(jì)和高效的工業(yè)制造，該軟磁芯零 件通過使用粉末成形工藝而制成。制造這種結(jié)構(gòu)的有效的慣常手段是使用基于軟磁粉末顆 粒的軟磁復(fù)合(SMC)材料，軟磁粉末顆粒在工具中被壓制和變形，以形成相對(duì)高密度、具有 顆粒的阻抗電流屬性和使用交變場(AC)磁化的零件，顆粒的阻抗電流屬性降低了材料中 的渦電流并且導(dǎo)致沿它們最期望方向測得的可與電器用硅鋼板相比擬的最終零件性能。通 過所描述的慣常手段，每個(gè)SMC零件可形成復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，這可以顯著減少為形成期望 的單極電機(jī)的磁芯所需要的單獨(dú)零件的數(shù)量。當(dāng)設(shè)計(jì)電調(diào)極電機(jī)以用于工業(yè)制造時(shí)，已知的通常問題在于以高效的方式制造所 要求的相當(dāng)復(fù)雜的軟磁零件。更具體地，問題涉及為了實(shí)現(xiàn)高效磁通路線和最小磁路磁 阻——其使電機(jī)的特定性能增至最大——所需要的軟磁零件的數(shù)量和每個(gè)軟磁零件的復(fù) 雜度。在本文描述的電機(jī)中，必須由軟磁零件在所有三個(gè)幾何空間維度中形成有效的磁路。 傳統(tǒng)地，磁芯材料是層疊電器用鋼的疊層，其特征在于每個(gè)疊片的平面內(nèi)的高磁導(dǎo)率和沿 橫向于此平面的方向上的低得多的磁導(dǎo)率——該低得多的磁導(dǎo)率因?yàn)檐洿配撚捎谶@些鋼 板之間的絕緣所造成的中斷而導(dǎo)致。這些情形要求例如彎曲鋼板疊層，以便在所有三個(gè)幾 何空間維度上都形成高效的磁路。另一種解決方案是可將軟磁芯分成幾個(gè)部分，這幾個(gè)部 分可組裝形成期望的結(jié)構(gòu)。所描述的現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是非常大數(shù)量的單獨(dú)零件的制造和 處理——包括在很多情況下大量單獨(dú)鋼板疊片的形成和設(shè)置——是低效的。一種已知的高效的慣常手段是將定子磁芯分成兩個(gè)或多個(gè)幾乎為圓形的零件，這 些零件由軟磁粉末金屬制成并在壓制工具中獨(dú)立地壓制成形。隨后，在第二操作中，將最少 兩個(gè)定子部分結(jié)合，以形成期望的定子磁芯的期望形狀。

發(fā)明內(nèi)容
這里描述的本發(fā)明的實(shí)施方式解決了至少一些上面描述的問題，并提供了改進(jìn)的 定子和制造這種定子的方法。這可通過用金屬粉末壓制構(gòu)件的壓制工具實(shí)現(xiàn)，其中，所述構(gòu)件具有統(tǒng)一的軸向 移位的突出部，所述工具包括模具和具有沖頭表面的上沖頭以及下沖頭。所述上沖頭和下 沖頭包括各自的能夠移位的相對(duì)沖頭表面，以用于在壓制所述構(gòu)件之前移位位于所述沖頭 表面之間的金屬粉末。由此，具有軸向移位的突出部的構(gòu)件——例如一完整的定子磁芯部段——可在單 道/單個(gè)工藝中形成。由此減少了形成軟磁定子部段的各個(gè)零件的數(shù)量，改進(jìn)了定子及其 磁性能，并且也降低了制造定子的費(fèi)事程度和需要的時(shí)間。
在一個(gè)實(shí)施方式中，所述工具用于壓制在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中使用的定子。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述工具的上部件和下部件分別包括第一和第二沖頭部件， 其中，所述第一和第二沖頭部件、由此所述沖頭部件的沖頭表面能夠相對(duì)地移位。這是一種 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施方式的特別的簡單方法。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述工具用于壓制諸如軟磁粉末的軟磁材料。本發(fā)明還涉及一種在壓制工具中通過金屬粉末壓制構(gòu)件的方法，其中，所述構(gòu)件 具有統(tǒng)一的、至少一個(gè)軸向移位的突出部，換言之，構(gòu)件具有多個(gè)相似的突出部，突出部中 的至少一個(gè)相對(duì)于突出部中的另一個(gè)軸向地移位。在所述壓制工具中的填料腔室被填充 之后形成其中突出部軸向?qū)R的構(gòu)件，換言之，對(duì)應(yīng)于相應(yīng)突出部的粉末空間軸向地對(duì)齊， 其中，在填充之后并在壓制所述構(gòu)件之前軸向地移位所述突出部中的所述至少一個(gè)。在此 以及在下文中，術(shù)語軸向指的是沿沖壓軸線的方向。突出部可沿著橫向于沖壓方向的方 向一例如正交于沖壓方向一突出。在本說明書的上下本中，在沖壓之前的突出部或構(gòu) 件的其他特征指的是代表該突出部或其他特征的相應(yīng)的粉末空間。因此，在填充之后并在 壓制構(gòu)件之前軸向地移位突出部指的是與相應(yīng)突出部對(duì)應(yīng)的粉末空間的軸向移位。所述方法可例如用于壓制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子部件，其中，所述定子包括呈統(tǒng)一的定 子齒形狀的突出部，所述定子具有兩個(gè)組群的沿軸向移位的定子齒。本發(fā)明還涉及一種根據(jù)上述方法通過壓制金屬粉末制成的構(gòu)件，其中，所述構(gòu)件 是具有沿軸向移位的定子齒的定子，所述定子用作旋轉(zhuǎn)電機(jī)的部件。此構(gòu)件的磁性能優(yōu)于 現(xiàn)有技術(shù)的定子，因?yàn)樵摌?gòu)件鑄造成一體。


下面，參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的壓制方法的原理，圖2是現(xiàn)有技術(shù)的徑向氣隙磁通電調(diào)極電機(jī)和現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)子/定子設(shè)計(jì)的示意 性的分解透視圖，圖3示出現(xiàn)有技術(shù)的定子，圖4a和圖4b示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的原理，圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的工具壓制機(jī)的工具零件，圖6示出處于填料位置的工具，圖7示出腔室已被裝填的工具，圖8示出模具已被閉合的工具，圖9a和9b示出成形的粉末，圖10示出壓制的定子，圖11示出脫模后的壓制定子，圖12示出壓制的定子。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明屬于電調(diào)極電機(jī)100的領(lǐng)域，電調(diào)極電機(jī)的一個(gè)示例在圖1中以示意性的 分解透視圖示出。電調(diào)極電機(jī)定子10的基本特征在于使用中心單一繞組20，該繞組可給由軟磁磁芯結(jié)構(gòu)形成的多個(gè)齒102供磁。定子磁芯圍繞繞組20形成，而對(duì)于其它普通的電 機(jī)結(jié)構(gòu)，繞組圍繞單個(gè)的齒型磁芯部段形成。調(diào)極電機(jī)結(jié)構(gòu)/布局(topology)的示例有時(shí) 認(rèn)為是例如爪極式電機(jī)、角座式(Crow-feet)電機(jī)、倫德爾式(Lundell)電機(jī)或TFM電機(jī)。 更具體地，所示的電調(diào)極電機(jī)100包括兩個(gè)定子磁芯部段14和16、線圈20和轉(zhuǎn)子30，每個(gè) 所述定子磁芯部段都包括多個(gè)齒102并基本上為圓形，線圈20布置在第一和第二圓形定子 磁芯部段之間，轉(zhuǎn)子30包括多個(gè)永磁體22。此外，定子磁芯部段14和16、線圈20和轉(zhuǎn)子 30圍繞共同的幾何軸線103，并且兩個(gè)定子磁芯部段14和16的多個(gè)齒布置成朝轉(zhuǎn)子30突 出，以形成閉合的磁通回路。圖1中的電機(jī)為徑向氣隙磁通外轉(zhuǎn)子的類型，因?yàn)樵谶@種情況 下定子的齒在徑向方向上朝轉(zhuǎn)子突出、同時(shí)定子圍繞轉(zhuǎn)子。然而，定子同樣可相對(duì)于轉(zhuǎn)子定 位在內(nèi)部，這種類型也在下面的某些附圖中示出。如在下文闡述的本發(fā)明的范圍不限于任 何特定類型的電調(diào)極電機(jī)，而是可同樣應(yīng)用于軸向以及徑向類型、且定子相對(duì)于轉(zhuǎn)子定位 在內(nèi)部以及外部的電機(jī)。類似地，本發(fā)明不限于單相電機(jī)而可同樣應(yīng)用于多相電機(jī)。活動(dòng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)30由偶數(shù)個(gè)部段22和24構(gòu)建而成，其中半數(shù)部段——也稱為轉(zhuǎn) 子磁極部段24——由軟磁材料制成，而另半數(shù)部段由永磁體材料22制成?，F(xiàn)有技術(shù)的方法 將這些部段作為單獨(dú)的零件進(jìn)行生產(chǎn)。部段的數(shù)量通?？煞浅４?，通常為10-50個(gè)單獨(dú)部 段的量級(jí)。永磁體22布置成使得永磁體的磁化方向基本上為周向，S卩北極和南極分別朝向 基本沿周向的方向。此外，沿周向計(jì)數(shù)每隔一個(gè)永磁體22布置成相對(duì)于另一永磁體具有相 反的磁化方向。在所期望的電機(jī)結(jié)構(gòu)中，軟磁極件24的磁功能為全三維的，并且要求軟磁 極件24能夠有效地在所有的三個(gè)空間方向上都可以高導(dǎo)磁性地傳導(dǎo)磁通量。使用層疊鋼 板的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在垂直于鋼板平面的方向上不能顯示出所需的高導(dǎo)磁性，這里有利地使用與 現(xiàn)有技術(shù)層疊鋼板結(jié)構(gòu)相比示出較高的磁通量各向同性的軟磁結(jié)構(gòu)和材料。圖2示出了與圖1相同的徑向電調(diào)極電機(jī)，但以組裝好的電機(jī)的剖視圖示出，其更 清楚地示出定子齒102如何朝轉(zhuǎn)子延伸及兩個(gè)定子磁芯部段14、16的定子齒如何相對(duì)于彼 此旋轉(zhuǎn)地移位。圖3示出現(xiàn)有技術(shù)的定子，該定子被壓制成兩個(gè)相同的定子部分301、303，其中每 個(gè)定子部分包括若干個(gè)齒305。每個(gè)部件都由軟磁粉末金屬制成并在壓制工具中獨(dú)立地壓 制成形。隨后，在第二操作中結(jié)合這兩個(gè)定子部分以形成具有徑向和軸向移位的定子齒的 期望的定子磁芯的期望形狀。圖4a和4b示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的原理，在圖4a中示出上沖頭401、下沖頭 403和模具405。金屬粉末設(shè)置在腔室內(nèi)以形成構(gòu)件，該腔室位于上沖頭401的沖頭表面和 下沖頭403的沖頭表面之間。在沖壓粉末之前，上沖頭和下沖頭的一部分409、411移位，以 便移動(dòng)位于其間的金屬粉末的位置413。在移位之后，于壓制構(gòu)件之前鎖定沖頭的相關(guān)位置。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的工具壓制機(jī)的工具零件。所述工具包括兩 個(gè)可單獨(dú)移位的、用于沖壓齒的上沖頭501、503以及一上沖頭505?？梢莆坏纳蠜_頭和下沖 頭用于移位和沖壓定子中的齒。類似地，所述工具包括兩個(gè)可單獨(dú)移位的下沖頭507、509 以及一下沖頭511。所述工具還包括芯棒513和模具515。每個(gè)沖頭501、503、507和509包 括多個(gè)軸向延伸的沖頭構(gòu)件，例如沖頭501的沖頭構(gòu)件531以及沖頭503的沖頭構(gòu)件533， 它們彼此平行并與由壓制方向限定的工具的軸向方向平行地設(shè)置。沖頭構(gòu)件531和533分
5別從相應(yīng)沖頭的環(huán)形基部521和523軸向地突出，并且繞該環(huán)形基部分布以限定一管形的 形狀。沖頭構(gòu)件具有由遠(yuǎn)離環(huán)形基部的端部限定的各自的沖頭表面。所有沖頭所限定的管 形形狀都具有相同的內(nèi)直徑。上沖頭501和503的沖頭構(gòu)件531和533分別如此地分布上 沖頭可相對(duì)于彼此設(shè)置成使得兩個(gè)沖頭的沖頭構(gòu)件形成一共同的管形形狀，其中沖頭501 和沖頭503的沖頭構(gòu)件繞管形形狀的周向以交錯(cuò)的方式設(shè)置，同時(shí)沖頭501的沖頭構(gòu)件和 沖頭503的沖頭構(gòu)件可相對(duì)于彼此軸向移位。特別地，沖頭501的每個(gè)沖頭構(gòu)件531可定 位并沿沖頭503的兩個(gè)相鄰沖頭構(gòu)件之間的間隙移位。為此，沖頭503的環(huán)形基部523的 內(nèi)直徑不小于由沖頭501的沖頭構(gòu)件限定的管形形狀的外直徑。沖頭503的沖頭構(gòu)件533 連接至沖頭503的環(huán)形基部523的徑向朝內(nèi)的表面553，并且從該徑向朝內(nèi)的表面553軸向 地延伸。因此，上沖頭501和503提供了兩組沖頭表面，每組沖頭表面設(shè)置在一環(huán)形的圖案 中，其中，沖頭501的沖頭表面與沖頭503的沖頭表面沿所述環(huán)的周向交錯(cuò)。沖頭表面的法 線沿著軸向取向，并且沖頭501的沖頭表面可相對(duì)于沖頭503的沖頭表面軸向地移位。下 沖頭507和509與相應(yīng)的上沖頭類似地形成，換言之，下沖頭507和509分別具有沖頭構(gòu)件 537和539，沖頭構(gòu)件537和539分別提供沖頭表面547和549并從相應(yīng)的環(huán)形基部527和 529軸向地延伸。沖頭505和506具有管形的形狀。模具515具有管形的形狀，其中，管的 內(nèi)表面包括軸向延伸的幾何特征535，所述特征535對(duì)應(yīng)于突出部，并且特征535的數(shù)量和 尺寸使得管形沖頭501、503、507和509可軸向地插入所述模具，從而這些沖頭構(gòu)件在模具 的相應(yīng)幾何特征內(nèi)滑動(dòng)。圖6示出處于填料位置的工具。在圖5中示出的工具部件已被集合成上部件601 和下部件603。上部件包括上沖頭501、503和505，并且下部件包括下沖頭507、509和511。 下部件位于模具515和芯棒513之間。在下部件和模具以及芯棒之間形成腔室605形式的、 用于填充金屬粉末的空間。圖7示出腔室已被裝填的工具，其中，粉末701成形為工具中的腔室的形狀，所有 的齒703徑向以及軸向地對(duì)齊。圖8示出模具已被閉合的工具，其中，上部件向下移動(dòng)801至模具的頂部。圖9a和9b示出成形的粉末，在此，兩個(gè)上沖頭501和503以及兩個(gè)下沖頭507和 509分別如箭頭901、903、905和907所示地移位。由此齒909和911軸向地移位，其中每隔 一個(gè)的齒——即有一半的齒——相對(duì)另一半的齒軸向地移位。在圖％中沒有示出模具，以 顯示兩個(gè)上沖頭和下沖頭如何使得所述齒相對(duì)于彼此軸向移位。在一些實(shí)施方式中，粉末 空間在發(fā)生任何壓制之前——換言之在完全沒有受壓制的情形下——移位。然而，在一些 實(shí)施方式中，可使粉末在進(jìn)行輕微的壓制之后但在最終壓制之前移位。圖10示出壓制的定子，其中，固定于圖9a和9b中所示位置中的上沖頭和下沖頭 被壓到一起以壓制金屬粉末并因此形成定子構(gòu)件1001。圖11示出脫模后的壓制定子，其中，通過工具的下部件使定子沿著向上方向1101 從模具脫出。圖12示出壓制的定子。定子可由作為軟磁粉末的金屬粉末壓制形成。軟磁粉末可以是基本上純的經(jīng)水霧 化處理的鐵粉或海綿鐵粉，所述經(jīng)水霧化處理的鐵粉或海綿鐵粉為涂覆有電絕緣層的不規(guī) 則形狀顆粒。在本文中，術(shù)語“基本上純的”意味著所述粉末應(yīng)基本上不具有夾雜物，并且雜質(zhì)0、C和N的量應(yīng)保持最少。平均顆粒尺寸一般低于300 μ m并高于10 μ m。然而，可使用任何軟磁金屬粉末或合金粉末，只要它們具有足夠的軟磁性能并且 粉末適合用于模壓制。粉末顆粒的電絕緣層可由無機(jī)材料制成。尤其適合的是在專利US6348265(其通 過參引的方式結(jié)合入本文中)中所公開的類型的絕緣層，其涉及由具有含氧和磷的絕緣層 的基本上純的鐵構(gòu)成的基粉顆粒。具有絕緣顆粒的粉末為可從瑞典HSganas公司獲得的 Somaloy 500、Somaloy 550 或 Somaloy (g) 700。
權(quán)利要求
一種通過金屬粉末壓制構(gòu)件的壓制工具，其中，所述構(gòu)件具有統(tǒng)一的軸向移位的突出部，所述工具包括模具和具有沖頭表面的上沖頭以及下沖頭，其特征在于，所述上沖頭和下沖頭包括能夠移位的相對(duì)的沖頭表面，以用于在壓制所述構(gòu)件之前移位位于所述沖頭表面之間的金屬粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓制工具，其中，所述工具用于壓制在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中使用的定子。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓制工具，其中，所述工具的上部件和下部件中的每一個(gè)包 括各自的第一和第二沖頭部件，每個(gè)所述沖頭部件包括各自的一組沖頭表面，其中，所述第 一和第二沖頭部件、由此所述沖頭部件的各自成組的沖頭表面能夠相對(duì)于彼此軸向移位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓制工具，其中，所述第一和第二沖頭部件中的每一個(gè)包括 多個(gè)軸向延伸的沖頭構(gòu)件，每個(gè)沖頭構(gòu)件包括一沖頭表面，且多個(gè)所述沖頭構(gòu)件以同軸的 方式設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓制工具，其中，所述第一和第二沖頭部件中的每一個(gè)包括 各自的環(huán)形基部，相應(yīng)的成組沖頭構(gòu)件連接至所述環(huán)形基部并且從所述環(huán)形基部軸向地突出ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的壓制工具，所述壓制工具包括第一組和第二組 沖頭部件，每組沖頭部件包括各自的上沖頭和各自的下沖頭，所述上沖頭和下沖頭限定各 自的成組的相對(duì)沖頭表面，其中，所述第一組的沖頭能夠相對(duì)第二組的沖頭軸向地移位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的壓制工具，其中，所述工具用于壓制諸如軟磁粉末的軟磁 材料。
8.—種在壓制工具中通過金屬粉末壓制構(gòu)件的方法，其中，所述構(gòu)件具有統(tǒng)一的、至少 一個(gè)軸向移位的突出部，其特征在于，在所述壓制工具中的填料腔室被填充之后形成其中 突出部軸向?qū)R的構(gòu)件，其中，在填充之后并在壓制所述構(gòu)件之前軸向地移位所述突出部 中的所述至少一個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，所述方法包括 提供處于填料位置的沖壓工具，其中，第一組沖頭表面彼此軸向地對(duì)齊，所述第一組 沖頭表面中的每一個(gè)與突出部中的一個(gè)對(duì)應(yīng)； 用金屬粉末填充沖壓工具， 使第一組沖頭表面中的一個(gè)子組相對(duì)于所述第一組沖頭表面中的其余沖頭表面軸 向地移位， 然后壓制金屬粉末。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，軸向的移位包括軸向地移位所述沖頭表面中的 第一子組和第二組沖頭表面中的一個(gè)相應(yīng)子組，所述第二組沖頭表面與所述第一組沖頭表 面相對(duì)地設(shè)置。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法用于壓制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定 子部件，其中，所述定子包括呈統(tǒng)一的定子齒形狀的突出部，所述定子具有兩個(gè)組群的沿軸 向移位的定子齒。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求8至11所述的方法通過壓制金屬粉末制成的構(gòu)件，其中，所述構(gòu) 件是具有沿軸向移位的定子齒的定子，所述定子用作旋轉(zhuǎn)電機(jī)的部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過金屬粉末壓制構(gòu)件的壓制工具，其中，所述構(gòu)件具有統(tǒng)一的軸向移位的突出部，所述工具包括模具和具有沖頭表面的上沖頭以及下沖頭。所述上沖頭和下沖頭包括能夠移位的相對(duì)沖頭表面，以用于在壓制所述構(gòu)件之前移位位于所述沖頭表面之間的金屬粉末。本發(fā)明還涉及一種用于通過金屬粉末壓制構(gòu)件的方法和一種通過所述方法制成的構(gòu)件。
文檔編號(hào)B30B11/02GK101977761SQ200980109736
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者A·G·杰克, G·諾德, L-O·彭納德 申請(qǐng)人:霍加納斯股份有限公司