专利名称：由粉末形成的铁芯和使用该铁芯的车辆用电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁芯，特别是一种由具有高形状自由度(B卩，可形成多种形状)的粉末形成的电机用铁芯，并且涉及一种使用该铁芯的车辆用电机。有益地，该铁芯可替代常规的电工钢板使用。
背景技术：
由于越来越多的车辆被制造成电动操作且更加环境友好，因此常规的液压驱动的车辆系统已发展成电力驱动的系统。这使得用于车辆的电机的类型和数量激增。例如，高档车可具有多达100个以上的电机。
随着对电机的需求以这种方式增加，同样要求电机体积更小且重量更轻。例如，已通过将常规的DC电机在结构上改变为BLDC (无刷直流)电机或使用高性能磁铁的方式，降低了电机的尺寸和重量。此外，车辆使用的高频率和高转速可促进对提高电机输出和进一步减小尺寸的进一步需要。
图1示出了常规的车辆用电机，图2示出了在图1的电机中使用的定子铁芯。常规地,构成电机70的大体积的铁芯30包括层叠的电工钢板32。这种电工钢板32的高磁通密度、高磁导率和高强度提供了优势，因此其被广泛应用于车辆用电机的铁芯30。
然而，电工钢板32存在问题，因为仅形成二维磁回路且形状自由度低。在设计电机70时，电工钢板32的受限的结构很难应用。例如，包括电工钢板的铁芯30被配置为使得转子10位于铁芯30内，并且导线60缠绕在铁芯30的外表面上。如此，缠绕的导线可在增加铁芯尺寸的高度布置于铁芯的外表面上，因此电机的轴向长度会增加。
此外，典型地使用的导线60的类型为铜(Cu)线，其昂贵且密度高。因此使用缠绕的铜线可导致成本和重量的增加。
此外，常规的电工钢板32具有低形状自由度，使得电工钢板32通常形成有不期望的尖角。这些尖角可引起导线60的涂层不期望地发生剥落。为了避免这种剥落，例如绝缘体50的绝缘部件附加地连接于铁芯30的外表面，以防止导线的涂层剥落。
本背景技术仅用于提高对本发明背景的理解，而不应被认为是本领域技术人员公知的常规技术。发明内容
需要理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似术语包括通常的机动车辆，例如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客运车辆，包括各种艇和船在内的水运工具、以及飞行器，等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如同时使用汽油驱动和电力驱动的车辆。
因此，本发明是谨记上述现有技术中遇到的问题而做出的，并且本发明的目的在于提供一种由粉末形成的铁芯和使用该铁芯的车辆用电机。具体地，根据本发明的实施例，铁芯由具有高形状自由度的各向同性粉末形成。各向同性粉末用于形成电机用铁芯以便提供小型轻质的电机，并且减少导线的使用。根据不同的实施例，使用铜(Cu)铝(Al)导线而非纯铜(Cu)导线，因此显著降低了导线的重量(例如，根据铜和铝的相对含量，可达50%以上的量)。为了实现上述目的，本发明提供了一种由粉末形成的铁芯。根据本发明的实施例，该铁芯可以是用于车辆用电机的定子铁芯。在不同的实施例中，该铁芯由金属粉末形成，并且包括设置于电机外侧的外部、设置于电机内侧的内部、以及连接外部与内部的卷绕部，并且导线可缠绕于卷绕部上。有益地，卷绕部可形成为具有圆角且其高度小于内部的高度。在卷绕部与内部之间还可倾斜地形成连接部，使得卷绕部与内部相连接。根据一个示例性实施例，铁芯可由金属粉末形成，该金属粉末包括尺寸约为50 200μπι涂覆有厚度为IOOnm以下(不包括O)的磷酸盐层的纯铁颗粒。根据不同的实施例，铁芯可通过模制工艺形成。根据一个示例性实施例，可通过使金属粉末和润滑剂(例如聚酰胺基润滑剂)在例如约70 100°C的温度和约7 llton/cm2的施加压力的适当条件下进行模压成型，而形成铁芯。在模压成型后，可在例如约500 600°C的适当高温下持续约20 60分钟进行热处理。在一些实施例中，由此形成的铁芯可具有约7 8g/cc的密度，并且部分密度差可小于约0.05g/cc(不包括O)。根据本发明的实施例，卷绕部可形成为具有圆形或椭圆形横截面。然而，也可适当地使用其他几何形状，其中外表面光滑，且优选是倒圆角的。卷绕部的高度优选地大于内部的高度,并且在不同的实施例中，卷绕部的高度可以是内部的高度的至少0.7倍。根据本发明的实施例，外部的高度可等于或大于卷绕部的高度，并可小于内部的高度。此外，本发明提供了一种车辆用电机，其包括由金属粉末形成的定子铁芯。根据不同的实施例，铁芯包括设置于电机外侧的外部、设置于电机内侧的内部、和连接外部与内部的卷绕部，并且导线缠绕在卷绕部上。卷绕部可形成为具有圆角且其高度小于内部的高度，并且在卷绕部与内部之间形成连接部，使得卷绕部与内部相连接。优选地，连接部倾斜地形成于卷绕部与内部之间。根据一些实施例，缠绕在铁芯的卷绕部上的导线包括铝和铜的组合，优选为铝线和围绕铝线形成的铜带。根据不同的实施例，导线可包括基于总导线成分的约15 30体积％的铜。通过围绕铝线设置铜带，并且使用例如焊接的适当方法将铜带的相对两端连接起来，可形成该导线。
通过以下结合附图进行的详细说明，将更加清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中:图1是示出常规的车辆用电机的视图；图2是示出在图1的电机中使用的定子铁芯的视图3是示出根据本发明的实施例的由粉末形成的铁芯的视图4是图3中的铁芯沿线A-A截取的截面图5是图3中的铁芯沿线B-B截取的截面图6是示出根据本发明的实施例的车辆用电机的导线的视图7是示出根据本发明的实施例的车辆用电机的视图；并且
图8和图9是示出根据本发明的实施例的电机和常规电机的性能的曲线图。
具体实施方式
以下，将参照附图详细说明根据本发明的优选实施例的由粉末形成的铁芯和使用该铁芯的车辆用电机。
图3是示出根据本发明的实施例的由粉末形成的铁芯的视图，图4是图3中的铁芯沿线A-A截取的截面图，并且图5是图3中的铁芯沿线B-B截取的截面图。
根据本发明，铁芯100是适用于车辆用电机M的定子铁芯，由金属粉末形成，并且包括位于电机M外侧的外部140、位于电机内侧的内部120、和连接外部140与内部120的卷绕部160，且导线300缠绕于卷绕部160上。如图4中所示，卷绕部160形成为具有圆角162。如图5中所示，卷绕部160进一步具有高度“b”，其小于内部120的高度“a”，并且连接部164倾斜地形成在卷绕部160与内部120之间，使得卷绕部160与内部120自然地连接。
卷绕部160可形成为具有圆形或椭圆形横截面，并且其高度b可为内部120的高度a的至少0.7倍。如图5中所示，外部140可形成为具有高度“C”，其中高度c等于或大于(如图5中所示)卷绕部160的高度b，但是小于内部120的高度a。
可使用高形状自由度的各向同性粉末，如图4中所示设计由粉末形成的铁芯100的横截面。这样的铁芯可被制造为使得角162是圆角或者其横截面是圆形或椭圆形。
相反地，常规的电工钢板因为低形状自由度而可具有尖角，其可不合需要地导致导线的涂层剥落。为了克服这样的问题，铁芯的外表面可覆盖例如绝缘体的材料，以便防止导线的涂层剥落。
根据本发明，由各向同性粉末形成的铁芯具有高形状自由度，因此可设计并制造成具有倒圆角的棱边。这样的倒圆角结构可防止导线的涂层剥落。此外，当导线缠绕相同圈数时，由于倒圆的棱边而使每圈使用的导线减少，因此导线露出铁芯外侧的部分(“导线末端”)可缩短。
在所示的实施例中，用于进行模制的型模的转角被倒角，使得铁芯的转角被倒圆。根据不同的实施例，由具有高形状自由度的粉末形成的铁芯被制造成，使得导线缠绕于其上的铁芯的转角162被倒角成圆形至约0.5R或更大。这样的转角162可防止导线的涂层剥落，并可降低每圈的导线用量。
为减少导线末端的长度和导线的用量，铁芯的结构可被设计为具有图5中所示的结构。根据一些实施例，铁芯可被整体制造以简化制造工序并降低制造成本，此外可实现铁芯的高模制密度，并可最小化不同铁芯部分之间的密度差异。
在图5中所示的截面图中，卷绕部160的高度b形成为小于内部120的高度a。根据一个示例性实施例，卷绕部160的高度b可以是内部120的高度a的至少0.7倍。如果高度比小于0.7，则不同铁芯部分之间的密度差异加大，从而不合需要地使磁性恶化。如附图中所示，连接部164倾斜地形成在卷绕部160与内部120之间使其自然地连接。另一方面，如果连接是正交的，则在模制面上会轻易地形成毛刺，必须通过进一步的铁芯处理去除。此外，当磁路向电机内移动时，由于磁路狭窄因而难以有效地移动磁路。通过形成倾斜的连接部164，可以最小化毛刺的产生，因此降低制造成本。而且在磁路的形成过程中，其中在导线上产生的磁场沿着铁芯朝向铁芯端部(向电机内部)移动，由于较宽的内部120，通路可变得更加有效，从而提高了电机的性能。在铁芯的各部分当中，外部不影响铁芯的磁场分布(通过形成磁路)和电机的性能。因此，如果需要，可减小或去除外部140以减少铁芯的重量和电机的轴向长度。特别地，磁场分布表现为朝向内部120的部分相对增大，因此提高了由线芯形成的电磁强度，从而提高了电机扭矩。这样的铁芯无法使用常规的层叠的电工钢板成形。然而，由于软磁粉末的形状自由度，形成根据本发明的这种形状是可能的。因此，例如，不协助形成磁回路的外部140可形成为具有高度C，高度c等于或大于卷绕部160的高度，但是小于内部120的闻度。根据本发明的实施例，由粉末形成的铁芯100可使用金属粉末制成，该金属粉末包括尺寸为50 200 μ m的纯铁颗粒和其上的厚度为IOOnm或更小(不包括O)的磷酸盐涂层。通过使金属粉末和聚酰胺基润滑剂在例如70 100°C的温度和7 llton/cm2的压力的适当条件下进行模压成型，随后例如在500 600°C下进行20 60分钟的适当的热处理，可获得该铁芯100。由此形成的铁芯具有7 8g/cc的密度，和小于0.05g/cc (不包括O)的部分密度差，因此显示出高性能。图6是示出根据本发明的实施例的车辆用电机的导线的视图，且图7是示出根据本发明的实施例的车辆用电机的视图。根据本发明的实施例的使用上述铁芯的车辆用电机包括:定子铁芯100，其由金属粉末形成，并且包括位于电机M外侧的外部140、位于电机内侧的内部120、和连接外部140与内部120的卷绕部160，其中卷绕部160形成为具有圆角162和高度b，高度b小于内部120的高度a，并且连接部164倾斜地形成在卷绕部160与内部120之间，使得两者自然地连接；以及导线300，其缠绕在铁芯100的卷绕部160上，并且包括铝线320和围绕铝线320形成的铜带340。在电机内还设置有转子500。导线300可包括基于总成分的15 30体积％的铜，并可通过围绕铝线320设置铜带340且使用焊接或其他适当的连接机制将铜带340的相对两端342连接起来而形成导线 300。因此制造出具有15 30体积％铜的CCA(铜包铝)线。如果铜的量小于15%，则导电性会大幅下降，从而可不合期望地恶化电机性能。相反地，如果铜的量超过30%，则铜的重量增加，进而不合期望地提高线圈的价格。因此，铜的量大于30%被认为过多。可使用纯度为99.7%以上的铝线和纯度为99.9%以上的铜带形成用于提高导电性的CCA结构。而且，通过最小化铝线的热效应以及使用产生具有一致焊接质量的薄铜板的焊接工序，可获得具有高铜含量的CCA线。例如，制备平的铜带340和铝线320，将铝线320放在平的铜带340上，并且通过滚动使平的铜带围绕铝线成形。然后进行TIG焊接或任何其他适当的工序连接铜带的两端342。根据一个示例性实施例，焊接在800 1000°C下以约5mm/s的速率进行。于是，由此形成的CCA取代铜被用作电机导线。CCA具有常规铜的70%的电导率，并且例如，导线的圈数和直径可从Φ 1.5*16圈变为Φ 1.38*18.5圈。因此，导线的重量最终可减少50%甚至更多。
图8和图9是示出根据本发明的实施例的电机的性能与常规电机对比的曲线图，其中实例I使用普通铜导线，而实例2使用根据本发明的导线。在电机需要的典型的0.2Nm的扭矩下，根据本发明的实施例的电机的性能与常规电机的性能相同甚至更优。
如前文所述，本发明提供了一种由粉末形成的铁芯和使用该铁芯的车辆用电机。根据本发明，由具有高形状自由度的各向同性粉末形成的铁芯被用于电机铁芯，因而减少了电机的尺寸和重量，进而减少了缠绕导线量。
而且，电机用铁芯被设计成具有提供高密度的形状，并可通过高密度成型工艺由高密度软磁粉末形成。如此，该铁芯可有效提高电机性能。
此外，提供了一种铜铝导线的制造工序，其中铜铝导线可取代常规的铜导线在电机中使用。这样的铜铝导线的重量可减少50%及更多。
尽管已为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，然而本领域技术人员将会理解，可进行各种修改、添加和替代，而不背离所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种用于车辆用电机的定子铁芯，所述铁芯由金属粉末形成，并且包括设置于电机外侧的外部、设置于电机内侧的内部、和连接所述外部与所述内部的卷绕部，其中所述卷绕部具有圆角和小于所述内部的高度的高度，以及连接所述卷绕部与所述内部的连接部，所述连接部在所述卷绕部与所述内部之间倾斜地延伸。
2.如权利要求1所述的铁芯，其中所述铁芯由金属粉末形成，所述金属粉末包括尺寸约为50 200 μ m的纯铁颗粒，和纯铁颗粒上的厚度大于O且直至IOOnm的磷酸盐涂层。
3.如权利要求2所述的铁芯，其中通过使所述金属粉末和聚酰胺基润滑剂在约70 100°C的温度和约7 llton/cm2的压力下进行模压成型，随后在约500 600°C下热处理约20 60分钟，形成所述铁芯。
4.如权利要求2所述的铁芯，其中所述铁芯具有约7 8g/cc的密度，并且部分密度差大于Og/cc且小于约0.05g/cc。
5.如权利要求1所述的铁芯，其中所述卷绕部具有圆形或椭圆形横截面。
6.如权利要求1所述的铁芯,其中所述卷绕部的高度为所述内部的高度的至少约0.7倍。
7.如权利要求1所述的铁芯，其中所述外部的高度等于或大于所述卷绕部的高度，但是小于所述内部的高度。
8.如权利要求1所述的铁芯，还包括缠绕在所述卷绕部上的导线。
9.一种车辆用电机,包括: 定子铁芯，其由金属粉末形成，并且包括设置于电机外侧的外部、设置于电机内侧的内部、和连接所述外部与所述内部的卷绕部，其中所述卷绕部具有圆角和小于所述内部的高度的高度，以及连接所述卷绕部与所述内部的连接部，所述连接部在所述卷绕部与所述内部之间倾斜地延伸；和 导线，其缠绕于所述铁芯的所述卷绕部上，所述导线包括铝和铜的组合。
10.如权利要求9所述的电机，其中所述导线包括铝线和围绕所述铝线形成的铜带。
11.如权利要求9所述的电机，其中所述导线包括基于总成分的15 30体积％的铜。
12.如权利要求10所述的电机，其中通过围绕所述铝线设置所述铜带并且焊接所述铜带的相对两端，形成所述导线。
全文摘要
一种由粉末形成的铁芯和使用该铁芯的车辆用电机，该铁芯例如用于车辆用电机的定子铁芯，其中铁芯由金属粉末形成，并且包括设置于电机外侧的外部、设置于电机内侧的内部、和连接外部与内部的卷绕部，并且导线缠绕于卷绕部上。卷绕部形成为具有圆角，且高度小于内部的高度，并且连接部倾斜地形成于卷绕部与内部之间，使得卷绕部与内部自然地连接。
文档编号B22F5/00GK103166335SQ20121026888
公开日2013年6月19日 申请日期2012年6月27日 优先权日2011年12月8日
发明者李在领, 金成进, 金信圭, 朴建慜 申请人:现代自动车株式会社