軟金屬電動機械部件及其制造方法

專利名稱：軟金屬電動機械部件及其制造方法
背景技術：
例如馬達、發電機、再生式馬達、交流發電機、制動器和磁性軸承的多極電動機械裝置包括轉子和電動機械部件。AC馬達通過在電動機械部件中產生轉動磁場圖案來轉動，該磁場造成轉子跟隨磁場圖案的轉動。由于頻率變化，轉子速度變化。為了增加馬達速度，輸入來源的頻率必須增加。
由適當材料制成的高頻馬達可以非常有效。對于例如電動或混合汽車的某些應用來說，高效電馬達是需要的。
用于高頻電馬達和發電機中的電動機械部件的構造存在問題。鐵或鋼部件在電馬達和發電機中非常常用。但是，在高頻下，例如高于400Hz，傳統鐵或鋼部件不再實用。AC源的高頻增加鐵或鋼部件的鐵心損失，減小馬達的總體效率。另外，在非常高的頻率下，部件可以變得極熱，不能通過任何可以接受的裝置冷卻，并且可以造成馬達失效。
對于用于高頻電馬達中的電動機械部件的構造來說，由軟磁性材料制成的條帶提供明顯的優點。軟磁性條帶材料的實例可以是(1)傳統材料，通常限定為0.008”和更厚，并且非晶粒取向，其Si含量為3％±1/2％，或者(2)交替的軟材料，0.007”或更薄，Si含量為3％-7％，非晶態或納米晶狀體合金和其它晶粒取向或非晶粒取向的合金。某些軟磁性條帶材料顯示出使其非常適用于高頻電動機械轉動裝置的固有特性。某些軟磁性條帶容易磁化并且退磁，這意味著由這種金屬制成的電動機械部件具有功率損失較低、在高頻下上升溫度較低、極快磁化以及電能容易轉換成機械能的性能。由這種金屬制成的電動機械部件產生較少的鐵心損失，并且能夠在更高的頻率下操作，造成馬達和發電機出色的效率和功率密度。
軟磁性材料通常在商業上制成條帶。軟磁性金屬條帶的優選實例是Metglas，該材料是非晶態材料，由Honeywell，Inc.制造。軟磁性金屬條帶非常薄，并且具有變化的寬度。制造軟磁性金屬條帶的部件需要將軟磁性條帶卷繞成一定形狀并且接著對該形狀進行熱加工。可由軟磁性金屬條帶制成例如環形件的簡單的三維形狀。
但是電動機械部件通常不是簡單的三維形狀。電動機械部件可具有多個細槽以便在總體環形的結構中容納馬達線圈。
使用由軟磁性金屬條帶形成復雜的三維構造在商業上未取得成功。本領域嘗試了多種制造技術，例如(但不局限于)線材放電加工、電化學蠕變磨削、傳統放電加工、切削、沖壓、酸蝕刻和細模沖。由于例如成本有效、制造重復性和加工周期時間的原因，沒有一種技術證明是令人滿意的。
不能由軟磁性條帶制成復雜三維形狀顯著妨礙了制造高效率軸向磁通馬達和發電機。非常需要一種以成本有效、最終實用以及能夠大批量生產的方式由軟磁性條帶制造電動機械部件的方法，該方法還提供最終使用需要的高度靈活性。

發明內容
用于成形適用于銑削的三維軟磁性金屬塊體的方法包括如下步驟將軟磁性金屬條帶卷繞成三維形狀，接著在三維形狀上施加粘合劑。粘合劑接著固化并且固化的結構機械地限制其三維尺寸。該方法形成軟磁性材料塊體，該塊體可以經受加工的機械應力。三維軟磁性金屬結構可以使用臥式銑床、立式銑床、計算機數控機床(CNC)或其它常用銑削設備銑削。因此可以形成復雜的三維軟磁性金屬形狀。
通過軟磁性金屬條帶的機械性能，形成三維軟磁性金屬形狀的能力允許軟磁性金屬用于多種以前不能使用的應用中。
為了制造軟磁性電動機械部件，軟磁性金屬條帶卷繞成環形件。該環形件接著放置在銑削組件中。粘合劑施加在環形件上，并且接著固化。環形件接著銑削成電動機械部件的形狀，并且接著熱加工成電動機械部件。
通過參考附圖的詳細描述，本發明的這些和其它目的、優點和特征將更加容易理解和明白。


圖1表示卷繞在內環上的軟磁性金屬條帶；圖2表示內部保持帽；圖3表示外部保持帽；圖4表示銑削組件；
圖5表示正在磨削的磨削組件；以及圖6表示軟磁性金屬電動機械部件。
具體實施例方式
圖1表示圍繞卷繞軸線11卷繞在內環14上的軟磁性金屬條帶10。卷繞機器13包括軟磁性金屬條帶卷筒12。內環13放置在卷繞板16上。軟磁性金屬條帶10卷繞在內環14上，形成軟磁性金屬環18。軟磁性金屬環18具有內側表面15、外側表面17、頂部19和底部21。
雖然圖1表示軟磁性金屬環18的成形，將理解到三維形狀可以形成與軟磁性金屬環18不同的幾何形狀。例如，通過圍繞四個拐角卷繞，以便形成矩形棱體。
軟磁性金屬條帶10可使用多種機器和方法卷繞。最好是，與固有的條帶密度相比，一致性、牢固的環形件將具有至少85％的卷繞密度。軟磁性金屬環18接著從加熱板16上取下。軟磁性金屬條帶10可圍繞內環14卷繞，同時作為單個單元連接到內部保持帽20上。
粘合劑接著以透過軟磁性金屬環18的方式施加在軟磁性條帶環18上。內環14始終限制在軟磁性條帶環18內。適當的粘合劑是3M的Scotch Cast粘合劑，粘合劑通過丙酮稀釋，以便實現大約20容積百分比的混合物。粘合劑通過環境大氣浸透過程施加在軟磁性條帶環18上。軟磁性條帶環18浸入粘合劑中，直到粘合劑滲入該層為止。
作為選擇，粘合劑可通過將軟磁性條帶環18浸入排空空氣的容器內的粘合劑中來施加。所形成的真空有助于粘合劑滲入軟磁性條帶環18的層中。粘合劑還可在卷繞過程中采用濕式噴射和干式電解沉積過程施加在軟磁性條帶上。作為選擇，可以使用樹脂、環氧樹脂或粘合劑。可以使用不同牌號的樹脂、環氧樹脂或粘合劑。需要特別溫度的熱固環氧樹脂以及在室溫下固化的兩級環氧樹脂同樣是適當的。
在軟磁性條帶環18充分滲入粘合劑之后，軟磁性拉條帶環18進行干燥。一旦干燥，軟磁性條帶環18放置在爐子中固化。重要的是，熱處理粘合劑的溫度是熱加工軟磁性金屬條帶10的溫度的分數。優選的分數是1/2，雖然分數1/4或3/4同樣也可令人滿意。
圖2表示內部保持帽20。內部保持帽20是包括從內部保持帽底部24向上延伸的多個柱子22的圓筒。指形件26從柱子22大致以直角向外延伸。指形件26的寬度在其從柱子22進一步延伸時增加。指形件26布置成圓形，形成圓環28。柱子22和指形件26形成多個內部保持帽凹槽29。內部保持帽20的柱子22放置在內環14內。
柱子22的高度大致等于軟磁性金屬環18的高度。軟磁性金屬環18的直徑大致等于圓環28的直徑。
在將內部保持帽放置在軟磁性金屬環18內之后，圖3所示的外部保持帽20圍繞軟磁性金屬環18放置。
外部保持帽30是具有底部32的圓筒形。桿34從底部32向上延伸。在每個桿34的頂部是向內延伸的突耳36。用于每個桿34的突耳36形成將非晶態金屬環18固定在外部保持帽30內的凸緣。桿36形成多個外部保持帽凹槽38。
接著形成圖4所示的銑削組件40。始終保持內環14的軟磁性金屬環18以及內部保持帽20放置在外部保持帽30內。突耳36和指形件26對準。銑削組件40將軟磁性金屬環18容納在環形件幾何形狀內。作為選擇，軟磁性金屬環18可在用粘合劑處理之前放置在外部保持帽30和內部保持帽20內。
在施加粘合劑以及放置在內環14、內部保持帽20和外部保持帽30的機械限制內之后，軟磁性金屬環18具有足夠的結構整體性，以便經受銑削應力。
銑削板44放置在軟磁性金屬環18的底部上。銑削板44可以與卷繞板16相同。
已經用粘合劑處理的軟磁性金屬環18因此牢固地容納在結構中，使得軟磁性金屬環18進行銑削并且形成三維尺寸。因此可以由金屬帶環18構成復雜的形狀，使得例如電動機械部件的結構可以由軟磁性金屬環18來制成。
如圖5所示，銑削組件40放置在銑床50內。銑床50可以是臥式銑床、立式銑床、CNC機床或其它任何類型的銑床。但是，銑床50最好具有垂直于軟磁性金屬環18的軸線的銑削工具52的轉動軸線。通過具有垂直于軟磁性金屬環18的軸線的銑削工具52的轉動軸線，可以細微地控制銑削到軟磁性金屬環18內的細槽的深度和寬度。
銑床50在軟磁性金屬環18內切削細槽或其它幾何形狀。始終容納在軟磁性金屬環18內的內環14用作軟磁性金屬環18的內側邊緣的可靠機械止擋。結合環氧樹脂的內環14不使得軟磁性金屬條帶10的條帶在加工期間分開，由此進行清潔和準確的切削。
在軟磁性金屬環18銑削成電動機械部件形狀之后，銑削組件40從銑床50上取下。銑削組件50接著按照軟磁性金屬條帶10所需的制造商的建議進行熱加工。如果非晶態金屬條帶是Metglas，那么熱加工包括將銑削組件50在695下放置在真空爐子中長達大約60分鐘。某些軟磁性條帶材料需要進行熱加工，以便適當釋放銑削的電動機械部件形狀中的銑削過程中造成的應力。可以設想到在銑削中適當地進行機械保持，某些不需要進行用于磁性的熱加工材料將不進行熱加工。
在熱加工之后，銑削組件40通過拆卸保持件42、外部保持帽30、內部保持帽20和內環14來拆卸。軟磁性金屬環18因此制成軟磁性金屬電動機械部件60，如圖6所示。
所述的方法使得可以由軟磁性金屬條帶形成三維結構。用于這種三維結構的應用可以是用于多種機器中的電動機械部件。
以上說明描述了優選實施例。按照包括等同原理的專利法理論進行解釋，可以進行多種變型和改型而不偏離所附權利要求限定的精神和較寬方面。在權利要求中，使用例如冠詞“一個”、“該”或“所述”的單數元件不應該認為將該元件限制成單數。
權利要求
1.一種成形適用于銑削的三維軟磁性金屬塊體的方法，包括如下步驟將軟磁性金屬條帶卷繞成三維形狀；接著在三維形狀上施加粘合劑以便使得粘合劑滲入三維形狀中；以及固化粘合劑。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將粘合劑施加在三維形狀上的步驟包括環境大氣浸漬過程。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，施加粘合劑的步驟包括在卷繞期間施加的濕式噴射過程。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，施加粘合劑的步驟包括在卷繞期間進行電解沉積過程。
5.如權利要求1所述的方法，將粘合劑施加在三維形狀上的步驟包括提供容納粘合劑的容器；將三維形狀浸入粘合劑中；以及使得容器排氣。
6.如權利要求2或5所述的方法，其特征在于，固化粘合劑的步驟包括熱處理三維形狀的步驟。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，軟磁性金屬條帶具有熱加工溫度，并且熱處理三維形狀的步驟出現在熱處理溫度上，并且熱處理溫度是熱加工溫度的分數。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，該分數是大約1/2。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，該分數是大約3/4。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，該分數是大約1/4。
11.一種按照權利要求1制造的適用于銑削的三維軟磁性金屬塊體。
12.一種用于成形適用于銑削的軟磁性金屬環的方法；包括如下步驟將軟磁性金屬條帶卷繞成環形件；接著在環形件上施加粘合劑；以及固化粘合劑。
13.如權利要求10所述的方法，其特征在于，將粘合劑施加在軟磁性金屬環上的步驟包括環境大氣浸漬過程。
14.如權利要求12所述的方法，其特征在于，將粘合劑施加在軟磁性金屬環上的步驟包括提供容納粘合劑的容器；將軟磁性金屬環浸入粘合劑中；以及使得容器排氣。
15.如權利要求13或14所述的方法，固化粘合劑的步驟包括熱處理環形件的步驟。
16.如權利要求12所述的方法，其特征在于，軟磁性金屬條帶具有熱加工溫度，并且熱處理環形件的步驟出現在熱處理溫度上，并且熱處理溫度是熱加工溫度的分數。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，該分數是大約1/2。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，該分數是大約3/4。
19.如權利要求16所述的方法，其特征在于，該分數是大約1/4。
20.一種制造軟磁性金屬電動機械部件的方法，包括如下步驟將軟磁性金屬條帶卷繞成環形件；將環形件容納在環形件幾何形狀中；將環形件銑削成電動機械部件形狀；以及將電動機械部件形狀熱加工成電動機械部件。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，將環形件包括在環形件幾何形狀中的步驟包括在環形件上施加粘合劑；以及固化粘合劑。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，將粘合劑施加在環形件上的步驟包括環境大氣浸漬過程。
23.如權利要求21所述的方法，其特征在于，將粘合劑施加在環形件上的步驟包括提供容納粘合劑的容器；將軟磁性環形件浸入粘合劑中；以及使得容器排氣。
24.如權利要求22或23所述的方法，其特征在于，包括固化粘合劑的步驟。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于，在熱處理溫度下固化粘合劑的步驟，并且熱加工電動機械部件形狀的步驟出現在熱加工溫度下，其中熱處理溫度是熱加工溫度的分數。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于，該分數是大約1/2。
27.如權利要求25所述的方法，其特征在于，該分數是大約3/4。
28.如權利要求25所述的方法，其特征在于，該分數是大約1/4。
29.如權利要求25所述的方法，其特征在于，該環形件具有條帶卷繞軸線，并且將該環形件銑削成電動機械部件形狀的步驟包括通過圍繞垂直于卷繞軸線的軸線轉動的切削工具銑削該環形件。
30.如權利要求20所述的方法，其特征在于，該環形件具有條帶卷繞軸線，并且將該環形件銑削成電動機械部件形狀的步驟包括通過只圍繞垂直于條帶卷繞軸線的軸線轉動的切削工具銑削該環形件。
31.一種如權利要求20所述的方法制造的電動機械部件。
32.一種裝置軟磁性金屬電動機械部件的方法，包括如下步驟將軟磁性金屬條帶卷繞成環形件；將環形件容納在銑削組件內；將粘合劑施加在環形件上；固化粘合劑；將環形件銑削成電動機械部件形狀；以及將電動機械部件形狀熱加工成電動機械部件。
33.如權利要求32所述的方法，其特征在于，包括如下步驟從銑削組件上拆卸環形件。
34.如權利要求32所述的方法，其特征在于，環形件具有內側表面、外側表面、頂部和底部。
35.如權利要求34所述的方法，其特征在于，將環形件容納在銑削組件內的步驟包括圍繞內側表面的至少一部分周向放置內環。
36.如權利要求34所述的方法，其特征在于，將環形件容納在銑削組件內的步驟包括圍繞外側表面的至少一部分周向放置外環。
37.如權利要求34所述的方法，其特征在于，將環形件容納在銑削組件內的步驟包括在頂部的至少一部分上放置帽。
38.如權利要求34所述的方法，其特征在于，將環形件容納在銑削組件內的步驟包括在底部的至少一部分上放置底座。
39.如權利要求34所述的方法，其特征在于，將環形件容納在銑削組件內的步驟包括如下步驟圍繞內側表面的至少一部分周向放置內環；圍繞外側表面的至少一部分周向放置外環；以及在頂部的至少一部分上放置帽。
40.如權利要求39所述的方法，其特征在于，內環圍繞大致所有的內側表面放置。
41.如權利要求39所述的方法，其特征在于，外環圍繞大致所有的外側表面放置。
42.如權利要求39所述的方法，其特征在于，帽圍繞大致所有的頂部放置。
43.如權利要求39所述的方法，其特征在于，銑削板圍繞大致所有的底部放置。
44.如權利要求39所述的方法，其特征在于，帽和外環是整體的。
45.如權利要求39所述的方法，其特征在于，帽、外環和內環是整體的。
46.如權利要求39所述的方法，其特征在于，包括圍繞外環放置保持件以便將環形件固定在銑削組件內的步驟。
47.如權利要求40所述的方法，其特征在于，包括在銑削組件內提供銑削凹槽的步驟。
48.如權利要求32所述的方法，其特征在于，環形件具有條帶卷繞軸線，并且將環形件銑削成環形件形狀的步驟包括主要在垂直于卷繞軸線的軸線上銑削環形件。
49.如權利要求32所述的方法，其特征在于，環形件具有卷繞軸線，并且將環形件銑削成環形件形狀的步驟包括只在垂直于卷繞軸線的軸線上銑削環形件。
50.如權利要求45所述的方法，其特征在于，環形件具有卷繞軸線，并且將環形件銑削成環形件形狀的步驟包括主要在垂直于卷繞軸線的軸線上銑削環形件。
51.如權利要求45所述的方法，其特征在于，帽和外環具有細槽，并且將環形件銑削成電動機械部件形狀的步驟包括通過細槽銑削。
52.如權利要求45所述的方法，其特征在于，環形件具有卷繞軸線，并且將環形件銑削成電動機械部件形狀的步驟包括通過只圍繞垂直于卷繞軸線的軸線轉動的切削工具銑削環形件。
53.如權利要求50所述的方法，其特征在于，帽和外環具有細槽，并且將環形件銑削成電動機械部件形狀的步驟包括通過細槽銑削。
54.一種由權利要求32的方法制造的軟磁性金屬電動機械部件。
55.一種制造軟磁性軟磁性金屬電動機械部件的方法，包括如下步驟圍繞卷繞軸線將軟磁性金屬條帶卷繞成環形件，該環形件具有內側、外側、頂部和底部；將內環放置在內側上；將內部保持帽放置在頂部和內側上；將外部保持帽放置在頂部和外側上；圍繞外部保持帽放置保持件；將粘合劑施加在環形件上；固化粘合劑；將環形件銑削成電動機械部件形狀；以及將電動機械部件形狀熱加工成電動機械部件。
56.如權利要求55所述的方法，其特征在于，內部保持帽具有多個內部保持帽細槽，并且外部保持帽具有多個外部保持帽細槽，將環形件銑削成電動機械部件形狀的步驟包括通過內部保持帽細槽和外部保持帽細槽銑削。
57.如權利要求56所述的方法，其特征在于，包括內部保持帽細槽和外部保持帽細槽對準的步驟。
58.如權利要求55所述的方法，其特征在于，將環形件銑削成電動機機械部件形狀的步驟通過主要圍繞垂直于卷繞軸線的軸線轉動的切削工具來實現。
59.如權利要求55所述的方法，其特征在于，將環形件銑削成電動機機械部件形狀的步驟通過只圍繞垂直于卷繞軸線的軸線轉動的切削工具來實現。
全文摘要
一種適用于銑削的三維軟磁性金屬塊體通過將軟磁性金屬條帶(10)卷繞成三維形狀并且將粘合劑施加在三維形狀上來形成。粘合劑滲入三維形狀。粘合劑接著固化。如果軟磁性金屬塊體制成環形件(18)，那么它將加工成電動機械部件(60)。電動機械部件接著適用于非常高頻率的電馬達中。
文檔編號H02K1/02GK1839451SQ200480023218
公開日2006年9月27日 申請日期2004年6月2日 優先權日2003年6月11日
發明者T·J·伯瓦德, S·K·帕格 申請人:萊特工程公司