專利名稱：制造帶有高導電率導體條的感應轉子的方法以及由此制成的轉子的制作方法
技術領域：
本發明涉及制造電機的感應轉子的方法，更特別地，涉及通過在導體條與端環之 間使用不同的導電材料和制造工藝以提高導電性和轉子耐用性的方法和技術，并涉具有由 高導材料制成的導體條的轉子。
背景技術：
不斷增多的提高燃料效率的需求使得汽車行業中混合動力系統越來越有吸引力。 除了傳統的內燃機之外，電機是混合動力系統的重要組成部分。為了降低混合動力系統的 制造成本，混合動力系統中使用的許多電機是具有鑄鋁或銅鼠籠轉子的感應電機。這些感 應電機稱為“轉差”的操作特征常常與轉子內特別是導體條內的電阻成比例。較低電阻的 轉子在承載操作點產生較低的轉差和較高的效率。沒有缺陷(例如氣泡、裂縫或氧化物夾雜 等)的純銅和純鋁的電阻分別為17. 1ηΩπι。因此，對于相同的電流需求，與 鋁轉子相比，使用銅轉子會導致降低35. 5%的電阻損耗((26. 5-17. 1)/26. 5=35. 5%)。但是，因為其高密度和高熔點，銅在轉子應用上，特別是混合動力系統應用上具有 限制和/或獨特的問題。在混合動力應用中，由于汽車的空間限制，通常需要高速(例如，超 過10000 rpm)電機。高密度銅在高轉速時會產生非常大的離心力和慣量，會顯著地降低電 機的耐用性。實踐中常常發現轉子軸承的過早損壞。另外，銅轉子通常通過高壓模具鑄造 (HPDC)來制造。銅的高熔點(1083°C)顯著地降低了模具壽命，并增加了銅轉子的制造成 本。雖然鑄鋁轉子(導體條與端環一起)克服了與銅材相關的高旋轉慣量和低模具壽 命的不足，但是鋁合金的低機械性能，特別是低導電(純鋁IACS 62%)和導熱性能，特別是 在鑄鋁導體具有包括熱裂縫、氣孔和氧化物夾雜等的缺陷時，給他們在電機中的成功應用 帶來極大的挑戰。另外，用于鑄造鼠籠轉子的鋁合金常常是高純度鋁、高純度鑄鋁合金、或 電級鍛壓合金，由于這些材料的低流動性、高收縮速率(從流體變為固體的密度)、高熔化溫 度和大凝固范圍(液態與固態之間的溫度差)等，難以鑄造。較高純度的鋁合金的這些特性 增加了氣孔和熱裂的可能性，特別是在導體條連接至端環的位置，導致導體條與端環之間 的破裂。另外，許多鑄鋁鼠籠轉子通過高壓模具鑄造工藝來制造，以便快速填充疊層鋼堆疊 中的細長條(鼠槽)，以避免冷隔。由于填模時非常高的流速(約60 m/s)，在高壓模具鑄造工 藝期間融入的空氣和產生的豐富鋁氧化物不僅降低了轉子質量和耐用性，還地降低了轉子 特別是導體條的導熱和導電性能。實踐中，常常看到鑄鋁轉子(鑄造導體條和鑄造端環)的 導電性能僅為約40-45% IACS。因為鑄造導體條內存在的鑄造缺陷，導體條會在電機操作期 間損壞。損壞的導體條會進一步降低轉子導電性和電機性能。因此，需要一種電機的改進型轉子和制造改進型轉子的方法。
發明內容
本發明涉及一種制造電機的感應轉子的方法，更特別地，涉及通過使用高導電性 且耐用的導體條如銅條與輕質的鋁端環來改進轉子的導電性和耐用性的方法。本發明可應 用于交流(AC)感應電機以及其它類型的電機，包括，但不限于，直流(DC)電機。本發明的方法包括將高層耐用材料(例如銅)的導體條與鋁端環連接。當與所述端 環現場澆鑄時，所述導體條首先被定位在疊層鋼堆疊的相應的縱向槽中，條兩端從疊層鋼 堆疊的相對端部延伸而出。如果期望，導體條的延伸部分可彎曲或焊接以保持和將疊層鋼 堆疊壓在一起。如果期望，導體條的突出或延伸部分可涂覆A1、A1合金(例如，Al-12. 6%Si) 或含有Al和導體條化學元素(例如，用于銅條的Cu)的潛在放熱涂層，以提高導條與端環之 間的冶金連接。例如，端環材料可為純鋁、導電級鋁可鍛合金、鑄鋁合金、或它們的組合物。 端環可通過不同的鑄造工藝來鑄造，包括，但不限于，高壓模具鑄造、沙模、低壓模具鑄造、 模壓鑄造等。為制造具有最少氣孔和氧化物的高質量端環，特別優選模壓鑄造。如果期望，可預成形所述導體條。它們可通過任何金屬形成工藝制造，包括，但不 限于，擠出、鍛造、鑄造、粉末冶金等。所述導體條可由銅、銀或其合金、純鋁或鋁合金擠出、 高導金屬基復合材料等制成。可選地，它們可通過任何適當的工藝形成在疊層鋼堆疊的鼠 槽中，例如鑄造或粉末冶金。在另一實施例中，導體條和端環可以都單獨由不同的金屬形成工藝來制造，然后 使用機械方法如焊接、螺接和其它方法連接在一起。本發明還提供了以下方案 1. 一種轉子，包括
由鋁、鋁合金、鋁基復合材料或這些材料的組合物制成的一對端環； 位于該對端環之間的圓筒形疊層鋼堆疊，所述疊層鋼堆疊具有在其中的多個縱向槽； 在所述疊層鋼堆疊的縱向槽中的多個導體條，所述多個導體條具有第一和第二端，所 述第一和第二端連接到該對端環，其中所述多個導體條由高導材料制成，并且其中所述多 個導體條和所述端環由不同材料制成。2.如方案1所述的轉子，其中所述高導材料為銅，銀或其合金；預成形擠出的純 鋁或鋁合金；或者銅，銀，或含有高導顆粒、纖維或管的鋁基復合材料；或者這些材料的組 合物。3.如方案1所述的轉子，其中所述多個導體條不垂直于所述端環上連接所述多 個導體條處的平面。4.如方案1所述的轉子，其中所述多個預成形導體條的第一和第二端涂覆有鋁、 鋁合金、或潛在放熱涂層、或這些材料的組合物。5.如方案4所述的轉子，其中所述潛在放熱涂層包括鋁和至少一種導體條化學元素。6.如方案5所述的轉子，其中所述導體條化學元素為銅或鋁或銀。7. 一種制造轉子的方法，包括 提供具有多個縱向槽的疊層鋼堆疊；
提供由高導材料制成的多個導體條，所述多個導體條的第一和第二端延伸出所述疊層 鋼堆疊的縱向槽；將所述疊層鋼堆疊放在鑄模中，所述疊層鋼堆疊具有在所述縱向槽中的多個導體條， 所述鑄模具有用于在所述疊層鋼堆疊相對端上的一對端環的空腔，其中所述多個導體條的 第一和第二端延伸進所述空腔；以及
給所述空腔填充鋁、鋁合金、鋁復合材料、或這些材料的組合物； 其中所述多個導體條和所述端環由不同材料制成。8.如方案7所述的方法，其中所述空腔使用從下列方法中選擇的鑄造方法來填 充高壓模具鑄造、低壓模具鑄造、沙模、模壓鑄造、離心鑄造、消失模鑄造、熔模鑄造、或這 些方法的組合。9.如方案7所述的方法，還包括在填充所述空腔之前彎曲所述多個導體條的第
一端、或第二端、或二者都彎曲。10.如方案7所述的方法，還包括在填充所述空腔之前將所述多個導體條的第一
端、或第二端、或二者焊接在一起。11.如方案7所述的方法，其中所述多個導體條是預成形的，并且其中所述預成 形的多個導體條被放入所述縱向槽中。12.如方案11所述的方法，其中所述導體條通過鑄造工藝、粉末冶金工藝、鍛造 工藝或擠出工藝而預成形。13.如方案7所述的方法，其中所述多個導體條形成在所述疊層鋼堆疊的縱向槽中。14.如方案13所述的方法，其中所述多個導體條通過鑄造工藝或粉末冶金工藝 形成在所述疊層鋼堆疊中的縱向槽內。15.如方案7所述的方法，還包括給所述多個導體條的第一端、或第二端、或二者 涂覆有鋁、鋁合金、潛在放熱涂層、或這些材料的組合物。16.如方案7所述的方法，其中所述高導材料為銅、銀或其合金；預成形擠出的純 鋁或鋁合金；或者銅，銀，或含有高導顆粒、纖維或管的鋁基復合材料；或者這些材料的組 合物。17.如方案7所述的方法，其中所述多個導體條不垂直于所述端環上連接所述多 個導體條處的平面。18. 一種制造轉子的方法，包括
提供具有多個縱向槽的疊層鋼堆疊；
將由高導材料制成的多個預成形導體條放在所述縱向槽中，所述多個導體條的第一和 第二端延伸出所述縱向槽；
提供由鋁、鋁合金、鋁復合材料或這些材料的組合物制成的一對端環；以及 將所述多個預成形導體條的第一和第二端機械地結合至該對端環； 其中所述多個導體條和所述端環由不同材料制成。19.如方案18所述的方法，其中所述機械地結合是焊接或螺接。20.如方案18所述的方法，其中所述高導材料為銅、銀或其合金；預成形擠出的 純鋁；或者銅，銀，或含有高導顆粒、纖維或管的鋁基復合材料；或者這些材料的組合物。21.如方案18所述的方法，其中所述多個導體條不垂直于所述端環上連接所述 多個導體條處的平面。
圖1為鼠籠轉子的一個實施例的視圖； 圖2為疊層鋼堆疊的一個實施例的視圖； 圖3為導體條和端環的一個實施例的視圖4為鼠籠轉子中條結構的一個實施例的視圖； 圖5A-H為條截面形狀的不同實施例的視圖； 圖6為示出從疊層鋼堆疊末端延伸出的導體條的一個實施例的視圖； 圖7為一次噴射HPDC工藝中制造4個轉子的視圖； 圖8為三相感應電機的等效電路的視圖； 圖9為鎖定轉子條件的近似等效電路的視圖； 圖10為無載條件的近似等效電路的視圖； 圖11為示出電機中估計的轉子電阻和電阻比的曲線圖。
具體實施例方式鼠籠轉子為安裝在于感應電機中旋轉的軸上的圓柱體。它含有放置進鼠槽內并在 兩端通過短環連接在一起形成籠式形狀的縱向導體條。圖1示出了鼠籠轉子的一個實施例 的視圖。轉子芯設有導電的疊層鋼堆疊。圖2示出了疊層鋼堆疊的一個實施例的視圖。感應電機的定子內的勵磁繞阻建立了環繞轉子的旋轉磁場。該磁場與轉子旋轉之 間的相對運動引起導體條中的電流。進而，這些電流縱向地在導體條中與電機的磁場反作 用，產生作用在轉子切向上的力，導致轉動軸和轉子的扭矩。實際上，轉子隨著磁場旋繞，但 是旋轉速率稍慢。其速度稱稱為轉差，這隨著負載增加。導體條常常沿著轉子的長度稍微傾斜(S卩，在端環連接至導體條的地方，導體條并 不垂直于端環的平面)，以減少噪聲和消除扭矩波動，所述噪聲和扭矩波動可能由于與定子 極靴的交互作用產生的一些速度偏差所致，如圖3所示。鼠籠上的導體條數目確定了將感 應電流反饋回定子線圈程度，從而確定了通過其的電流。提供最小反饋的結構使用主要數 量的導體條。鐵芯(疊層鋼堆疊)用于承接穿過電機的磁場。鐵芯的結構和材料被專門設計，以 最小化磁損耗。由清漆絕緣層分隔的薄迭片(鋼片)減少了會導致渦流損耗的雜散循環電 流。迭片的材料為具有純鐵幾倍電阻率的低炭高硅鋼，進一步降低了渦流損耗。低炭成分 使得它具有低磁滯損失的軟磁材料。單相和三相電機在廣泛的尺寸范圍上都使用相同的基本設計。三相電機的轉子在 條的濃度和形狀上會具有變化，以適應設計分類。圖4示出了鼠籠轉子中的導體條結構的實例。導體條的橫截面在縱向方向上通常 是一致的，但是其形狀和尺寸隨著導體條材料，特別是具體的電機設計而變化。圖5示出了 不同導體條形狀的實例。通過將由高導且耐用的材料制成的導體條與由廉價輕質的鋁、鋁合金或鋁復合端 環機械地或現場澆鑄地連接在一起，可制造鼠籠轉子。導體條通常由與端環不同的材料制 成(端環通常都由相同的材料制成)。如這里所使用的，鋁為與鋁合金和/或鋁復合材料不 同的材料。
用于導體條的適當的高導且耐用的材料包括，但不限于，銅，銀或它們的合金；純 鋁或鋁合金壓制品，含有導電顆粒、纖維或管的高導材料基質復合材料。如這里所使用的， 金屬基質復合材料含有超過50 vol%的金屬和低于約50 vol%的導電顆粒、纖維或管。用 于導體條的高導且耐用的材料應當具有超過鑄造純鋁的導電性，且具有優于熱處理鑄鋁合 金的機械性能。例如，由于鑄造條中不可避免的鑄造缺陷，壓制純鋁導體條具有比鑄造純鋁 更高的導電性。如果期望，導體條可形成在疊層鋼堆疊中的縱向槽內。適當的制造工藝包括，但不 限于，鑄造和粉末冶金(PM)。如果使用鑄造工藝，并打開疊層鋼堆疊中的槽，如圖2所示，那 么可通過具有一個澆口的模具使用模壓鑄造方法從導體條縱向開口引入導體條材料的液 態金屬或半固態漿或半液態漿，所述澆口類似于導體條槽開口的幾何形狀。導體條可一次 制造一個，然后可在模具內旋轉疊層鋼堆疊以制造下一個。如果疊層鋼堆疊為封閉的，那么 可從槽的末端引入導體條材料的液態金屬。所有導體條可通過一個導體條一個澆口同時填 充，或所有的導體條都連接至一個共同的小端環澆口。環澆呂的寬度優選至少等于導體條 橫截面的最大尺寸。通過PM技術或工藝，槽被填充導體條材料粉末，包括但不限于，銅、銀或其它材 料，然后壓入純鋁、鋁合金、高導金屬基質復合材料等以減少空隙。在燒結之后，通過熱靜壓 (HIPing)進一步壓制導體條，以減少氣孔，并打斷導體條與疊層鋼堆疊之間的連接。熱靜壓 工藝有助于確保導體條沒有缺陷。與在疊層鋼槽中制造導體條相關的一個難題在于，要制造的導體條的長度受疊層 鋼堆疊的長度(高度)的限制。導體條兩端都延伸出疊層鋼堆疊在鑄模/模具設計和制造工 藝復雜性方面是困難的和昂貴的。一種可能的解決方案是，在每個槽中都設置導電且耐用 的金屬絲，然后使用液態金屬或粉末填充所述槽。然后金屬絲會成為導體條的一部分，并會 延伸出端環。可選地，可不使用疊層鋼堆疊來預成形導體條。預成形的導體條可通過各種制造 工藝來制造，包括但不限于，鍛造、壓制、鑄造、粉末冶金等。一種優選的方法是壓制。液態 導體條材料被鑄入具有不同可能形狀和尺寸的鋼錠或大型條中。然后鋼錠/大型條以一個 或多個階段擠出成具有比疊層鋼堆疊中的槽的截面稍小(約10至約50 μ m)的截面的最終 形狀和尺寸。另一優選方法是鑄造，特別是連續澆鑄。液態金屬使用連續澆鑄工藝被直接 鑄入具有與疊層鋼堆疊中槽截面相同形狀和尺寸的條中。長鑄條在切割成適當導體條長度 之前，優選經歷熱靜壓工藝，以消除所有可能的鑄造氣孔。使用預成形導體條不僅能夠使用高導且耐用的材料，還能制造無缺陷的條。通常， 鍛煉和擠出方法可容易地去除導體條中的所有氣孔。使用由高導且耐用的材料制成的預成形導體條連同輕輕質廉價的鋁端環不僅提 高了電機性能，還降低了制造成本。為了獲得與銅轉子相同的電機性能，由于鋁較低的導電 性能(約62% IACS)，鋁端環需要比銅端環至少大55%的橫截面積。但是，因為銅的密度是鋁 的3. 倍，所以較大的鋁端環的問題僅為銅環的47%。通常，銅的價格比鋁高至少20%。因 此，鋁端環的成本估計比等效的銅端環低約60%。在與端環現場澆鑄之前，導體條的延伸部分可以是直的(如圖6中所示)、彎的、甚 至焊接在一起的。彎曲或焊接條端可用于鎖定疊層鋼堆疊。為了減小薄疊層鋼片(約0.3mm厚)之間的氣隙和鐵損，期望保持疊層鋼堆疊盡可能緊密。實踐中，疊層鋼堆疊通常使用 點焊或內鎖機構保持在一起。無論哪種情況，由于電絕緣的疊層鋼片之間的局部電流連接， 都會增加鐵損。期望使冶金連接減小導體條與鑄鋁端環之間的電阻。這可通過給延伸出疊層鋼堆 疊的條端進行鋁或鋁合金涂層來實現，例如A1-12. 6% Si。優選的選擇是含有Al和導體條 化學元素(例如Cu、Al或其它)的潛在放熱涂層(latent exoergic coating)。該潛在放熱 涂層期望含有導體條中含有的化學元素中的至少一種。美國專利No. 5，429，173中Wang等 人描述了 一種潛在放熱涂層，其通過參考包含于本文。如果在與端環現場澆鑄之前預成形導體條，那么變得非常容易鑄造簡單形狀的端 環，具有獲得良好質量的端環的高度可能性。因此，具有預成形導體條的兩個端環的鑄造可 通過多種鑄造工藝來制造，包括，但不限于，高壓模具鑄造、沙模、低壓模具鑄造、離心鑄造、 消失模、模壓鑄造、半固體鑄造、熔模鑄造等。在這些工藝中，半固態漿的模壓鑄造特別優選 于制造具有最少氣孔和氧化物的高質量端環。因為端環的形狀比較簡單，所以要鑄造的鋁材料可為任意類型的鋁合金，包括導 電級鋁可鍛合金、鑄鋁合金、鋁基復合材料、甚至因為已經預先制造了細長導體條而未考慮 熱處理和收縮的純鋁。圖7為垂直高壓模具鑄造中制造的鑄鋁轉子的示意圖。實例中，可在一個模具和 HPDC噴射中鑄造多個轉子。與每個模具制造一個鼠籠轉子的傳統方法相比，這不僅提高了 產量，還顯著地提高了鑄造質量。表格1示出了本發明公開的方法的一個實施例的質量改 進。通過預成形的導體條，通過高壓模具鑄造(HPDC)，顯著消除了導體條中與鑄造工藝和鋁 合金相關的缺陷，還顯著減少了鑄造端環中的缺陷，而通過半固態鋁漿的模壓鑄造工藝完 成消除了鑄造端環中的缺陷。表格1.由不同制造方法制造的感應轉子的鑄造質量的比較。
權利要求
1.一種轉子，包括由鋁、鋁合金、鋁基復合材料或這些材料的組合物制成的一對端環； 位于該對端環之間的圓筒形疊層鋼堆疊，所述疊層鋼堆疊具有在其中的多個縱向槽； 在所述疊層鋼堆疊的縱向槽中的多個導體條，所述多個導體條具有第一和第二端，所 述第一和第二端連接到該對端環，其中所述多個導體條由高導材料制成，并且其中所述多 個導體條和所述端環由不同材料制成。
2.如權利要求1所述的轉子，其中所述高導材料為銅，銀或其合金；預成形擠出的純鋁 或鋁合金；或者銅，銀，或含有高導顆粒、纖維或管的鋁基復合材料；或者這些材料的組合 物。
3.如權利要求1所述的轉子，其中所述多個導體條不垂直于所述端環上連接所述多個 導體條處的平面。
4.如權利要求1所述的轉子，其中所述多個預成形導體條的第一和第二端涂覆有鋁、 鋁合金、或潛在放熱涂層、或這些材料的組合物。
5.如權利要求4所述的轉子，其中所述潛在放熱涂層包括鋁和至少一種導體條化學元素。
6.如權利要求5所述的轉子，其中所述導體條化學元素為銅或鋁或銀。
7.—種制造轉子的方法，包括 提供具有多個縱向槽的疊層鋼堆疊；提供由高導材料制成的多個導體條，所述多個導體條的第一和第二端延伸出所述疊層 鋼堆疊的縱向槽；將所述疊層鋼堆疊放在鑄模中，所述疊層鋼堆疊具有在所述縱向槽中的多個導體條， 所述鑄模具有用于在所述疊層鋼堆疊相對端上的一對端環的空腔，其中所述多個導體條的 第一和第二端延伸進所述空腔；以及給所述空腔填充鋁、鋁合金、鋁復合材料、或這些材料的組合物； 其中所述多個導體條和所述端環由不同材料制成。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述空腔使用從下列方法中選擇的鑄造方法來填 充高壓模具鑄造、低壓模具鑄造、沙模、模壓鑄造、離心鑄造、消失模鑄造、熔模鑄造、或這 些方法的組合。
9.如權利要求7所述的方法，還包括在填充所述空腔之前彎曲所述多個導體條的第一 端、或第二端、或二者都彎曲。
10.一種制造轉子的方法，包括 提供具有多個縱向槽的疊層鋼堆疊；將由高導材料制成的多個預成形導體條放在所述縱向槽中，所述多個導體條的第一和 第二端延伸出所述縱向槽；提供由鋁、鋁合金、鋁復合材料或這些材料的組合物制成的一對端環；以及 將所述多個預成形導體條的第一和第二端機械地結合至該對端環； 其中所述多個導體條和所述端環由不同材料制成。
全文摘要
本發明涉及制造帶有高導電率導體條的感應轉子的方法以及由此制成的轉子。具體地，描述了用在電機中鋁基材料端環與高導耐用材料(例如銅)導體條的鼠籠轉子及制造它們的方法。所述方法包括通過鑄造或其它金屬形成方法在疊層鋼堆疊的槽中形成導體條，或者將預成形或預制造的固體導體條放入疊層鋼堆疊的縱向槽中，使導體條端部延伸出疊層鋼堆疊，可選地，給導體條的延伸部分涂覆含有Al和一種或多種導體條化學元素的潛在放熱涂層，將具有導電(條)的疊層鋼堆疊放在形成轉子兩個端環的空腔的鑄造模具中，給端環空腔填充鋁液，并允許端環在壓力下固化。可選地，導體條和端環可分離地和機械地結合在一起。
文檔編號H02K1/02GK102136783SQ20111002406
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月21日 優先權日2010年1月21日
發明者E·C·圖伊, M·A·奧斯博恩, Q·王 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司