制造三维软磁性金属电动机械部件的方法 |
|||||||
| 申请号 | CN200480023218.3 | 申请日 | 2004-06-02 | 公开(公告)号 | CN1839451B | 公开(公告)日 | 2011-05-25 |
| 申请人 | 莱特工程公司; | 发明人 | T·J·伯瓦德; S·K·帕格; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提一种制造三维软 磁性 金属 电动机 械部件的方法，其中将软磁性金属条带卷绕成环形件，环形件具有内侧表面、外侧表面、顶部和底部；将环形件容纳在 铣削 组件内，容纳环形件的步骤包括下述情况之一：围绕内侧表面的至少一部分周向放置内环、围绕外侧表面的至少一部分周向放置外环以及在顶部的至少一部分上放置帽；将 粘合剂 施加在环形件上； 固化 粘合剂；将环形件铣削成电动机械部件形状；以及将电动机械部件形状热加工成电动机械部件。该电动机械部件适用于非常高 频率 的电 马 达中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制造三维软磁性金属电动机械部件的方法，所述方法包括如下步骤： |
||||||
| 说明书全文 | 制造三维软磁性金属电动机械部件的方法[0001] 相关申请参考 [0002] 本申请是2003年6月11日提交的美国专利申请系列号10/458944的部分继续申请，且目前是在2006年3月28日由上述美国申请第10/458944号授权的美国专利NO.70184998. 技术领域[0003] 本发明涉及多极电动机械装置的领域，特别地涉及一种软金属电动机械部件及其制造方法。 背景技术[0004] 例如马达、发电机、再生式马达、交流发电机、制动器和磁性轴承的多极电动机械装置包括转子和电动机械部件。AC马达通过在电动机械部件中产生转动磁场图案来转动，该磁场造成转子跟随磁场图案的转动。由于频率变化，转子速度变化。为了增加马达速度，输入来源的频率必须增加。 [0005] 由适当材料制成的高频马达可以非常有效。对于例如电动或混合汽车的某些应用来说，高效电马达是需要的。 [0006] 用于高频电马达和发电机中的电动机械部件的构造存在问题。铁或钢部件在电马达和发电机中非常常用。但是，在高频下，例如高于400Hz，传统铁或钢部件不再实用。AC源的高频增加铁或钢部件的铁心损失，减小马达的总体效率。另外，在非常高的频率下，部件可以变得极热，不能通过任何可以接受的装置冷却，并且可以造成马达失效。 [0007] 对于用于高频电马达中的电动机械部件的构造来说，由软磁性材料制成的条带提供明显的优点。软磁性条带材料的实例可以是：(1)传统材料，通常限定为0.008”和更厚，并且非晶粒取向，其Si含量为3％±1/2％，或者(2)交替的软材料，0.007”或更薄，Si含量为3％-7％，非晶态或纳米晶状体合金和其它晶粒取向或非晶粒取向的合金。某些软磁性条带材料显示出使其非常适用于高频电动机械转动装置的固有特性。某些软磁性条带容易磁化并且退磁，这意味着由这种金属制成的电动机械部件具有功率损失较低、在高频下上升温度较低、极快磁化以及电能容易转换成机械能的性能。由这种金属制成的电动机械部件产生较少的铁心损失，并且能够在更高的频率下操作，造成马达和发电机出色的效率和功率密度。 [0008] 软磁性材料通常在商业上制成条带。软磁性金属条带的优选实例是 ，该材料是非晶态材料，由Honeywell，Inc.制造。软磁性金属条带非常薄，并且具有变化的宽度。制造软磁性金属条带的部件需要将软磁性条带卷绕成一定形状并且接着对该形状进行热加工。可由软磁性金属条带制成例如环形件的简单的三维形状。 [0009] 但是电动机械部件通常不是简单的三维形状。电动机械部件可具有多个细槽以便在总体环形的结构中容纳马达线圈。 [0010] 使用由软磁性金属条带形成复杂的三维构造在商业上未取得成功。本领域尝试了多种制造技术，例如(但不局限于)线材放电加工、电化学蠕变磨削、传统放电加工、切削、冲压、酸蚀刻和细模冲。由于例如成本有效、制造重复性和加工周期时间的原因，没有一种技术证明是令人满意的。 [0012] 专利文件US3401487A公开了一种可变磁阻电动机器，该可变磁阻电动机器具有盘形件结构，该盘形件结构包括非磁性芯、螺旋缠绕该非磁性芯的绝缘磁条以及电惰性树脂，该电惰性树脂将所述绝缘磁条的绕组粘合到粘合的层压结构中。 [0013] 专利文件US2293951A提出一种用于感应器的芯。在一个实施例中，该芯包含一叠磁性材料层叠件、施加到层叠件上的粘合材料，该粘合材料将它们相互粘合形成一芯单元、在芯单元上产生的面，以提供用于形成对接接头(butt joint)的元件。该面据说是这样形成的，其呈现出一个用于形成对接接头的平滑的匹配表面，且这样进行蚀刻使得基本上完全没有毛刺，其匹配表面的特性基本上不受蚀刻操作的影响。 [0014] 专利文件US2554262A公开了一种层压件，如包括用能够维持良好粘合的树脂质粘合成分粘合的磁性金属的层叠件的磁芯。据说所述层叠件足以允许对该芯进行加工，而不会消弱金属的磁性。 [0015] 专利文件DE4030124A公开了一种用来产生用于感应元件的由可磁性渗透的带的材料制的卷绕的芯(或线束芯)的方法。该卷绕的芯包括两个具有矩形截面的半块的轭。这两个半块的轭通过卷绕环形件的形式并提供间隙形成。 [0016] 专利文件US6462456B1提供一种高效率的电动机，该电动机具有大致的多面体形状大型无定形金属磁性部件，其中，多层无定形金属条被层压在一起，以形成一个具有多面体形状的大致三维的零部件。 [0017] 专利文件US2495167A描述了一种用于电感应设备，例如变压器的卷绕的芯。该芯通过围绕成形形式型体共同卷绕磁性钢片材料和可分解的有机间隔材料制的条而形成。这种间隔材料(spacing material)由钢片材料的边缘向内设置。该卷绕的芯被加热到高到足够使卷绕的芯环应变退火并分解该有机材料的温度。该芯用粘结材料进行浸渍且被烘焙以将若干磁性材料层牢固地粘结在一起。 [0018] 专利文件JP56104425A公开了一种无定形磁性合金，该磁性合金被卷绕成环形芯、用热阻无机粘接剂涂敷或模制、室温下烘干并使其热硬化。该合金在350℃-500℃退火且随后在冷却到室温。 [0019] 不能由软磁性条带制成复杂三维形状显著妨碍了制造高效率轴向磁通马达和发电机。非常需要一种以成本有效、最终实用以及能够大批量生产的方式由软磁性条带制造电动机械部件的方法，该方法还提供最终使用需要的高度灵活性。 发明内容[0020] 用于成形适用于铣削的三维软磁性金属块体的方法包括如下步骤：将软磁性金属条带卷绕成三维形状，接着在三维形状上施加粘合剂。粘合剂接着固化并且固化的结构机械地限制其三维尺寸。该方法形成软磁性材料块体，该块体可以经受加工的机械应力。三维软磁性金属结构可以使用卧式铣床、立式铣床、计算机数控机床(CNC)或其它常用铣削设备铣削。因此可以形成复杂的三维软磁性金属形状。 [0021] 通过软磁性金属条带的机械性能，形成三维软磁性金属形状的能力允许软磁性金属用于多种以前不能使用的应用中。 [0022] 本发明的目的在于提出一种制造三维软磁性金属电动机械部件的方法，所述方法包括如下步骤： [0023] 将软磁性金属条带卷绕成环形件，所述环形件具有内侧表面、外侧表面、顶部和底部；将所述环形件容纳在铣削组件内，容纳所述环形件的步骤包括：围绕所述内侧表面的至少一部分周向放置内环、围绕所述外侧表面的至少一部分周向放置外环以及在所述顶部的至少一部分上放置帽；将粘合剂施加在所述环形件上；固化所述粘合剂；将所述环形件铣削成电动机械部件形状；以及将所述电动机械部件形状热加工成电动机械部件。 [0024] 在其他方面，所述方法包括从所述铣削组件上拆卸所述环形件的步骤。将所述环形件容纳在所述铣削组件内的步骤包括围绕所述内侧表面的至少一部分周向放置所述内环。将所述环形件容纳在所述铣削组件内的步骤包括围绕所述外侧表面的至少一部分周向放置所述外环。将所述环形件容纳在所述铣削组件内的步骤包括在所述顶部的至少一部分上放置所述帽。将所述环形件容纳在所述铣削组件内的步骤包括在所述底部的至少一部分上放置底座。将所述环形件容纳在所述铣削组件内的步骤包括如下步骤：围绕所述内侧表面的至少一部分周向放置所述内环；围绕所述外侧表面的至少一部分周向放置所述外环；以及在所述顶部的至少一部分上放置所述帽。所述内环)围绕大致所有的所述内侧表面放置。所述外环围绕大致所有的所述外侧表面放置。所述帽围绕大致所有的所述顶部放置。 铣削板围绕大致所有的所述底部放置。所述帽和所述外环是整体的。所述帽、所述外环和所述内环是整体的。所述方法还包括围绕所述外环放置保持件以便将所述环形件固定在所述铣削组件内的步骤。所述方法包括在所述铣削组件内提供铣削细槽的步骤。所述环形件具有条带卷绕轴线，并且将所述环形件铣削成环形件形状的步骤包括主要在垂直于所述条带卷绕轴线的轴线上铣削所述环形件。所述环形件具有条带卷绕轴线，并且将所述环形件铣削成环形件形状的步骤包括只在垂直于所述条带卷绕轴线的轴线上铣削所述环形件。所述帽和所述外环具有细槽，并且将所述环形件铣削成电动机械部件形状的步骤包括通过细槽铣削。所述环形件具有条带卷绕轴线，并且将所述环形件铣削成电动机械部件形状的步骤包括通过只围绕垂直于所述条带卷绕轴线的轴线转动的切削工具铣削所述环形件。所述帽和所述外环具有细槽，并且将所述环形件铣削成电动机械部件形状的步骤包括通过所述细槽铣削。容纳所述环形件的步骤还包括：将内部保持帽放置在所述顶部和所述内侧表面上；将外部保持帽放置在所述顶部和所述外侧表面上；以及围绕所述外部保持帽放置保持件。所述内部保持帽具有多个内部保持帽细槽，并且所述外部保持帽具有多个外部保持帽细槽，将所述环形件铣削成电动机械部件形状的步骤包括通过所述内部保持帽细槽和所述外部保持帽细槽铣削。所述方法包括将所述内部保持帽细槽和所述外部保持帽细槽对准的步骤。将所述环形件铣削成电动机机械部件形状的步骤通过主要围绕垂直于所述条带卷绕轴线的轴线转动的切削工具来实现。将所述环形件铣削成电动机机械部件形状的步骤通过只围绕垂直于所述条带卷绕轴线的轴线转动的切削工具来实现。 [0025] 为了制造软磁性电动机械部件，软磁性金属条带卷绕成环形件。该环形件接着放置在铣削组件中。粘合剂施加在环形件上，并且接着固化。环形件接着铣削成电动机械部件的形状，并且接着热加工成电动机械部件。 附图说明[0027] 图1表示卷绕在内环上的软磁性金属条带； [0028] 图2表示内部保持帽； [0029] 图3表示外部保持帽； [0030] 图4表示铣削组件； [0031] 图5表示正在磨削的磨削组件；以及 [0032] 图6表示软磁性金属电动机械部件。 具体实施方式[0033] 图1表示围绕卷绕轴线11卷绕在内环14上的软磁性金属条带10。卷绕机器13包括软磁性金属条带卷筒12。内环14放置在卷绕板16上。软磁性金属条带10卷绕在内环14上，形成软磁性金属环18。软磁性金属环18具有内侧表面15、外侧表面17、顶部19和底部21。 [0034] 虽然图1表示软磁性金属环18的成形，将理解到三维形状可以形成与软磁性金属环18不同的几何形状。例如，通过围绕四个拐角卷绕，以便形成矩形棱体。 [0035] 软磁性金属条带10可使用多种机器和方法卷绕。最好是，与固有的条带密度相比，一致性、牢固的环形件将具有至少85％的卷绕密度。软磁性金属环18接着从加热板16上取下。软磁性金属条带10可围绕内环14卷绕，同时作为单个单元连接到内部保持帽20上。 [0036] 粘合剂接着以透过软磁性金属环18的方式施加在软磁性条带环18上。内环14始终限制在软磁性条带环18内。适当的粘合剂是3M的Scotch Cast粘合剂，粘合剂通过丙酮稀释，以便实现大约20容积百分比的混合物。粘合剂通过环境大气浸透过程施加在软磁性条带环18上。软磁性条带环18浸入粘合剂中，直到粘合剂渗入该层为止。 [0037] 作为选择，粘合剂可通过将软磁性条带环18浸入排空空气的容器内的粘合剂中来施加。所形成的真空有助于粘合剂渗入软磁性条带环18的层中。粘合剂还可在卷绕过程中采用湿式喷射和干式电解沉积过程施加在软磁性条带上。作为选择，可以使用树脂、环氧树脂或粘合剂。可以使用不同牌号的树脂、环氧树脂或粘合剂。需要特别温度的热固环氧树脂以及在室温下固化的两级环氧树脂同样是适当的。 [0038] 在软磁性条带环18充分渗入粘合剂之后，软磁性拉条带环18进行干燥。一旦干燥，软磁性条带环18放置在炉子中固化。重要的是，热处理粘合剂的温度是热加工软磁性金属条带10的温度的分数。优选的分数是1/2，虽然分数1/4或3/4同样也可令人满意。 [0039] 图2表示内部保持帽20。内部保持帽20是包括从内部保持帽底部24向上延伸的多个柱子22的圆筒。指形件26从柱子22大致以直角向外延伸。指形件26的宽度在其从柱子22进一步延伸时增加。指形件26布置成圆形，形成圆环28。柱子22和指形件26形成多个内部保持帽凹槽或细槽29。内部保持帽20的柱子22放置在内环14内。 [0040] 柱子22的高度大致等于软磁性金属环18的高度。软磁性金属环18的直径大致等于圆环28的直径。 [0041] 在将内部保持帽放置在软磁性金属环18内之后，图3所示的外部保持帽20围绕软磁性金属环18放置。 [0042] 外部保持帽30是具有底部或底座32的圆筒形。杆34从底部32向上延伸。在每个杆34的顶部是向内延伸的突耳36。用于每个杆34的突耳36形成将非晶态金属环18固定在外部保持帽30内的凸缘。杆36形成多个外部保持帽凹槽或细槽38。 [0043] 接着形成图4所示的铣削组件40。始终保持内环14的软磁性金属环18以及内部保持帽20放置在外部保持帽30内。突耳36和指形件26对准。铣削组件40将软磁性金属环18容纳在环形件几何形状内。作为选择，软磁性金属环18可在用粘合剂处理之前放置在外部保持帽30和内部保持帽20内。 [0044] 在施加粘合剂以及放置在内环14、内部保持帽20和外部保持帽30的机械限制内之后，软磁性金属环18具有足够的结构整体性，以便经受铣削应力。 [0045] 铣削板44放置在软磁性金属环18的底部上。铣削板44可以与卷绕板16相同。 [0046] 已经用粘合剂处理的软磁性金属环18因此牢固地容纳在结构中，使得软磁性金属环18进行铣削并且形成三维尺寸。因此可以由金属带环18构成复杂的形状，使得例如电动机械部件的结构可以由软磁性金属环18来制成。 [0047] 如图5所示，铣削组件40放置在铣床50内。铣床50可以是卧式铣床、立式铣床、CNC机床或其它任何类型的铣床。但是，铣床50最好具有垂直于软磁性金属环18的轴线的铣削工具52的转动轴线。通过具有垂直于软磁性金属环18的轴线的铣削工具52的转动轴线，可以细微地控制铣削到软磁性金属环18内的细槽的深度和宽度。 [0048] 铣床50在软磁性金属环18内切削细槽或其它几何形状。始终容纳在软磁性金属环18内的内环14用作软磁性金属环18的内侧边缘的可靠机械止挡。结合环氧树脂的内环14不使得软磁性金属条带10的条带在加工期间分开，由此进行清洁和准确的切削。 [0049] 在软磁性金属环18铣削成电动机械部件形状之后，铣削组件40从铣床50上取下。铣削组件50接着按照软磁性金属条带10所需的制造商的建议进行热加工。如果非晶态金属条带是 ，那么热加工包括将铣削组件50在368℃(695°F)下放置在真空炉子中长达大约60分钟。某些软磁性条带材料需要进行热加工，以便适当释放铣削的电动机械部件形状中的铣削过程中造成的应力。可以设想到在铣削中适当地进行机械保持，某些不需要进行用于磁性的热加工材料将不进行热加工。 [0050] 在热加工之后，铣削组件40通过拆卸保持件42、外部保持帽30、内部保持帽20和内环14来拆卸。软磁性金属环18因此制成软磁性金属电动机械部件60，如图6所示。 [0051] 所述的方法使得可以由软磁性金属条带形成三维结构。用于这种三维结构的应用可以是用于多种机器中的电动机械部件。 |
||||||
