本繼續(xù)部分(CLP)申請請求享有題為DUAL MAGNETIC PHASE STATOR LAMINATIONS FOR STATOR PERMANENT MAGNET ELECTRIC MACHINES(代理人卷號263233-1)的美國專利申請序列第13/780,773號的2013年2月28日的提交日期的優(yōu)先權(quán)。該C.I.P申請也請求享有題為DUAL MAGNETIC PHASE ROTOR LAMINATIONS FOR INDUCTION MACHINES(代理人卷號264829-2)的美國申請序列第13/853,122號的2013年3月29日的提交日期的優(yōu)先權(quán)，其繼而又請求享有題為DUAL MAGNETIC PHASE ROTOR LAMINATIONS FOR INDUCTION MACHINES(代理人卷號264829-1)的美國臨時申請序列第61/785,020號的2013年3月14日的提交日期的優(yōu)先權(quán)。所有內(nèi)容通過引用以其整體并入本文中。

政府特許權(quán)利

本發(fā)明是在美國能源部授予的合同號DE-EE0005573的政府資助下制作出的。政府對本發(fā)明有一定權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體上涉及電機(jī)構(gòu)件，并且更具體地涉及具有雙相磁性材料的電機(jī)定子疊片。

背景技術(shù)：

在某些電機(jī)應(yīng)用中，機(jī)器的轉(zhuǎn)子在高末梢速度下旋轉(zhuǎn)。在一些應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙填充有氣體或流體，而非空氣。結(jié)果，大量機(jī)械損失可由于轉(zhuǎn)子與定子之間的空隙內(nèi)的流體和/或氣體的風(fēng)阻或攪動而產(chǎn)生。

轉(zhuǎn)子定子間隙中的此攪動可通過提供定子的內(nèi)芯表面和/或轉(zhuǎn)子的外表面上的光滑表面來緩解。在槽口閉合件中的楔的安裝中，仍存在制造挑戰(zhàn)。楔導(dǎo)致非光滑的內(nèi)部定子表面。

取決于材料，槽口楔的使用可加劇槽口漏電抗。疊片可由連續(xù)的材料件制成，其中槽口的頂部處的區(qū)域以磁性疊片材料"閉合"。盡管該設(shè)計提供了更光滑的定子開孔，但這相比于"開放"槽口設(shè)計導(dǎo)致了漏電抗增大。漏電抗可限制電機(jī)的高速動力能力。漏電抗也可導(dǎo)致電機(jī)中的低功率因數(shù)。

在一些電機(jī)中，定子齒由單獨(dú)的構(gòu)件而非連續(xù)的整體件形成。定子繞組以集中方式圍繞單獨(dú)的齒卷繞，且然后安裝到定子中，以形成沒有留在槽口的頂部處的槽口開口的定子芯。該方法由于其限于結(jié)合集中繞組使用而遭受制造復(fù)雜性。

因此，不斷需要改善電機(jī)的構(gòu)件設(shè)計、性能和可制造性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過提供具有雙相磁性材料的電機(jī)定子疊片和制造方法來克服了上述缺陷中的至少一些。更具體而言，本發(fā)明針對提供用于在電機(jī)的定子中使用的定子疊片，這提供了更輕的電機(jī)，其可達(dá)到更高速度、具有高效率，以及改善功率因數(shù)，同時降低體積、質(zhì)量和制造成本和復(fù)雜性。

按照本發(fā)明的一個方面，一種用于電機(jī)的定子疊片包括：具有穿過其間的環(huán)形開口的圓形疊片；穿過其間的多個繞組槽口；以及鄰近于多個繞組槽口設(shè)置的多個槽口閉合件，其中定子疊片由雙磁相材料形成，雙磁相材料具有第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)和第二狀態(tài)中的磁性性質(zhì)，其中第二狀態(tài)中的磁性性質(zhì)不同于第一狀態(tài)，進(jìn)一步其中多個槽口閉合件被處理以便過渡至第二狀態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種制造電機(jī)構(gòu)件的方法，該方法包括：提供具有穿過其間的環(huán)形開孔的定子疊片，其中定子疊片由雙磁相材料形成，定子疊片包括圍繞環(huán)形開孔設(shè)置的多個閉合的繞組槽口，進(jìn)一步其中雙磁相材料具有第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)和第二狀態(tài)中的磁性性質(zhì)，其中第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)不同于第二狀態(tài)；以及將定子疊片上的多個預(yù)定位置從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài)，其中多個預(yù)定位置在閉合繞組槽口的頂部與環(huán)形開孔的開孔邊緣表面之間的區(qū)域中。

本發(fā)明的第一技術(shù)方案提供了一種用于電機(jī)的定子疊片，包括：具有穿過其間的環(huán)形開孔的圓形疊片；穿過其間的多個繞組槽口；以及鄰近于所述多個繞組槽口設(shè)置的多個槽口閉合件，其中所述定子疊片由雙磁相材料形成，所述雙相磁性材料具有第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)和第二狀態(tài)中的磁性性質(zhì)，其中所述第二狀態(tài)中的磁性性質(zhì)不同于所述第一狀態(tài)，進(jìn)一步其中所述多個槽口閉合件被處理以便過渡至所述第二狀態(tài)。

本發(fā)明的第二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述磁性性質(zhì)包括導(dǎo)磁率，且所述導(dǎo)磁率在所述第二狀態(tài)中低于所述第一狀態(tài)。

本發(fā)明的第三技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述磁性性質(zhì)包括飽和通量密度，以及所述飽和通量密度在所述第二狀態(tài)低于所述第一狀態(tài)。

本發(fā)明的第四技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述第二狀態(tài)為非磁性的。

本發(fā)明的第五技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述環(huán)形開孔的開孔邊緣表面為基本光滑的。

本發(fā)明的第六技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，所述多個槽口閉合件還包括第一組、第二組和第三組。

本發(fā)明的第七技術(shù)方案是在第六技術(shù)方案中，第一槽口閉合件組被處理以便過渡至所述第二狀態(tài)，以及第二槽口閉合件組處于所述第一狀態(tài)。

本發(fā)明的第八技術(shù)方案是在第七技術(shù)方案中，第三槽口閉合件組被處理以便過渡至第三狀態(tài)，其中所述第三狀態(tài)的磁性性質(zhì)不同于所述第二狀態(tài)的磁性性質(zhì)。

本發(fā)明的第九技術(shù)方案提供了一種組件，包括疊層在一起來限定定子的權(quán)利要求1所述的多個定子疊片；以及設(shè)置在多個繞組槽口中的多個繞組。

本發(fā)明的第十技術(shù)方案提供了一種電機(jī)，包括：權(quán)利要求9所述的組件；以及可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子。

本發(fā)明的第十一技術(shù)方案提供了一種制造電機(jī)構(gòu)件的方法，所述方法包括：提供具有穿過其間的環(huán)形開孔的定子疊片，其中所述定子疊片由雙磁相材料形成，所述定子疊片包括圍繞所述環(huán)形開孔設(shè)置的多個閉合的繞組槽口，進(jìn)一步其中所述雙磁相材料具有第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)和第二狀態(tài)中的磁性性質(zhì)，其中所述第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)不同于所述第二狀態(tài)；以及將所述定子疊片上的多個預(yù)定位置從所述第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換成所述第二狀態(tài)，其中所述多個預(yù)定位置在所述閉合繞組槽口的頂部與所述環(huán)形開孔的開孔邊緣表面之間的區(qū)域中。

本發(fā)明的第十二技術(shù)方案是在第十一技術(shù)方案中，所示轉(zhuǎn)換包括滲氮。

本發(fā)明的第十三技術(shù)方案是在第十一技術(shù)方案中，所述轉(zhuǎn)換包括熱處理。

本發(fā)明的第十四技術(shù)方案是在第十一技術(shù)方案中，所述區(qū)域包括槽口閉合件。

本發(fā)明的第十五技術(shù)方案是在第十一技術(shù)方案中，所述磁性性質(zhì)包括導(dǎo)磁率和飽和通量密度中的一者。

本發(fā)明的第十六技術(shù)方案是在第十一技術(shù)方案中，所述轉(zhuǎn)換還包括將所述定子疊片上的多個預(yù)定位置從所述第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換成第三狀態(tài)，其中所述第三狀態(tài)的磁性性質(zhì)不同于所述第一狀態(tài)和所述第二狀態(tài)。

本發(fā)明的各種其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下詳細(xì)描述和附圖中變得顯而易見。

附圖說明

附圖示出了當(dāng)前構(gòu)想成用于執(zhí)行本發(fā)明的一個實(shí)施例。

圖1為用于示例性雙相磁性材料的比較磁場強(qiáng)度(x軸線)與通量密度(y軸線)的x-y圖表。

圖2為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的定子疊片的頂視圖。

圖3為圖2的定子疊片的一部分的近視頂部圖。

圖4為圖3的定子疊片的一部分的近視頂部圖。

零件列表

10 定子疊片

12 疊片面

14 開孔

16 開孔邊緣表面

20 繞組槽口

22 繞組

24 定子齒

30 槽口閉合件

32 預(yù)定位置

100 x-y圖表

110 更大的磁性曲線

120 較小的磁性曲線。

具體實(shí)施方式

除非另外限定，否則本文中使用的技術(shù)和科學(xué)用語具有與本領(lǐng)域的技術(shù)人員參照當(dāng)前公開的主題一般理解到的相同意義。如本文中所使用的用語"第一"、"第二"等不表示任何順序、質(zhì)量或重要性，而是用于將一個元件與另一個區(qū)分開。用語"一個"、"一種"和"該"不表示數(shù)量限制，而是表示至少一個提到的項(xiàng)目的存在，且用語"前"、"后"、"底部"和/或"頂部"除非另外指出，否則僅用于方便描述，且不限于任何一個位置或空間定向。

如果公開的是范圍，則針對相同構(gòu)件或性質(zhì)的所有范圍的端點(diǎn)是包括性的，且可獨(dú)立組合(例如，"達(dá)到大約25wt%"的范圍包括"大約5wt%到大約25wt%"的范圍的端點(diǎn)和所有中間值，等)。結(jié)合數(shù)量使用的修飾的"大約"包括指定值，且具有由上下文指出的意義(例如，包括與特定數(shù)量的測量相關(guān)聯(lián)的誤差程度)。因此，由用語"大約"修飾的值不必僅限于指定的精確值。

本發(fā)明的方面通過示出減少漏電抗的性能利益而示為提供優(yōu)于先前電機(jī)定子構(gòu)件設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)。各方面提供了控制由槽口開口或電機(jī)定子的鐵齒之間的空間產(chǎn)生的漏電抗和磁動勢(MMF)槽口諧波的方法。最終，展示了電機(jī)的動力能力和功率因數(shù)的改善。

參看圖1，將x軸線上的磁場強(qiáng)度(H，以安培/米計)與y軸線上的通量密度(B，以特斯拉計)相比較的x-y圖表繪制為100。如圖所示，示出了一些示例性材料的磁性性質(zhì)。如圖表的左手側(cè)所示，初始磁導(dǎo)率為曲線的曲率，且可取決于材料的屬性變化。材料的曲線漸近地接近飽和通量密度(即，接近水平)。如圖所示，取決于材料的性質(zhì)，飽和通量密度可在不同水平下發(fā)生。另外，具有更陡的豎直斜率(即，更高的導(dǎo)磁率)和更高的水平部分(即，更高的飽和通量密度)的材料大體上磁性更大。

本發(fā)明的方面使用具有雙磁相性質(zhì)的材料。雙磁相(或雙相)材料包括通過高溫下滲氮經(jīng)歷相變的材料，以及通過局部熱處理(例如，經(jīng)由激光)經(jīng)歷相變的材料。這些材料可能經(jīng)歷磁性性質(zhì)從第一狀態(tài)至第二狀態(tài)的變化，其中兩個狀態(tài)具有不同磁性性質(zhì)。這是導(dǎo)磁率、飽和通量密度和/或從第一狀態(tài)到第二狀態(tài)的磁力水平變化。這些雙磁相材料有能力以具有同一構(gòu)件中共同存在的兩個(或更多個)狀態(tài)。此外，圖案或磁性和非磁性(或不同磁化水平的區(qū)域)可由機(jī)器設(shè)計者指定，且在制造期間"寫入"構(gòu)件中。盡管雙磁相材料可從基本磁性過渡至基本非磁性，但材料在磁力狀態(tài)之間的其過渡行為中不只是'二進(jìn)制的'。即，取決于過渡方式，材料可使其磁性性質(zhì)較大、略微或以任何其它量改變。

例如，回頭參看圖1，雙磁相性質(zhì)可過渡，以便移動至圖表上的實(shí)際任何曲率(例如，初始磁導(dǎo)率斜率、飽和通量密度等)。類似地，取決于由雙磁相材料制成的構(gòu)件的形狀和構(gòu)造，以及材料經(jīng)歷的過渡，構(gòu)件上的不同位置可具有不同的磁性性質(zhì)。舉例來說，兩種示例性材料的磁性性質(zhì)在110和120處示出，其中110處的材料比120處的材料磁性更大。在雙磁相材料的情況下，舉例且不限制來說，一個(或更多個)區(qū)域中的磁性性質(zhì)可通過使雙磁相材料過渡來例如從110處的切換至120處的。

現(xiàn)在參看圖2，繪出了用于電機(jī)的定子疊片的頂視圖。以10標(biāo)記的定子疊片至少部分地由具有雙磁相性質(zhì)的材料構(gòu)成。如所討論的，雙磁相材料包括具有第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)和使其磁性性質(zhì)過渡至不同于第一狀態(tài)的第二狀態(tài)的能力。材料可過渡至第三狀態(tài)或其它狀態(tài)，這些狀態(tài)在材料的磁性性質(zhì)方面與第一狀態(tài)和第二狀態(tài)很不同。材料可經(jīng)由任何適合的方法(包括滲氮、熱處理等)過渡或轉(zhuǎn)換。

定子疊片10構(gòu)造成具有穿過其間的環(huán)帶開孔14，以便限定鄰近環(huán)帶開孔14的開孔邊緣表面16。疊片面12包括圍繞開孔14設(shè)置的多個繞組槽口20。定子疊片10為由雙磁相材料的單件制成的整件。

共同參看圖2和圖3中的近視圖兩者，繞組槽口20閉合，其中槽口閉合件30設(shè)置在繞組槽口20與開孔邊緣表面16之間。槽口閉合件30由與疊片面12的其余部分相同的材料制成。由于槽口閉合件30和疊片面12是整體的，故開孔邊緣表面16中的曲率沒有邊緣或變化。不需要楔。因此，疊片面12的開孔邊緣表面16具有基本光滑的表面。定子齒24設(shè)置在繞組槽口之間。多個繞組22設(shè)置在多個繞組槽口20中。繞組22可為任何適合類型的繞組，包括分布式繞組、齒集中繞組等。

繞組槽口20和/或槽口閉合件30的頂部的區(qū)域中的預(yù)定位置32被處理以便將材料從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài)，其中第二狀態(tài)不同于第一狀態(tài)。在第二狀態(tài)中，預(yù)定位置32可為非磁性和/或磁性較小的、比第一狀態(tài)低的導(dǎo)磁率和/或飽和通量密度。即，預(yù)定位置32的相對導(dǎo)磁率比第一疊片12的其余部分(即，第一狀態(tài)中)低。

在實(shí)施例中，多個預(yù)定位置32可分成組。即，所有預(yù)定位置32不必以相似方式轉(zhuǎn)換(即，所有都從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài))。例如，預(yù)定位置32可分成兩個(或更多個)組：第一組和第二組。然后，第一組預(yù)定位置32可轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài)，且第二組預(yù)定位置32可轉(zhuǎn)換成第三組，其中第二狀態(tài)和第三狀態(tài)具有不同于彼此和第一狀態(tài)的磁性性質(zhì)。作為這些實(shí)施例中的一個實(shí)例，圍繞開孔邊緣表面16的交替的槽口閉合件30可具有第三狀態(tài)性質(zhì)，與具有第二狀態(tài)性質(zhì)的槽口閉合件30并排。

參看圖4中的近視圖，兩個繞組槽口20示為帶有在其中的繞組22。如該特定實(shí)施例所示，槽口閉合件30區(qū)域轉(zhuǎn)變成第二(或第三)磁力狀態(tài)而無磁性或磁性低于在第一磁力狀態(tài)中的疊片12的其它部分。一個槽口閉合件30的第一預(yù)定區(qū)域32A的寬度比繞組槽口20的寬度更寬。相反，一個槽口閉合件30的第二預(yù)定區(qū)域32B的寬度比繞組槽口20的寬度更窄。類似地，第一預(yù)定區(qū)域32A的磁性性質(zhì)可具有與第二預(yù)定區(qū)域32B相同的磁性性質(zhì)(即，都是第二狀態(tài))。作為備選，第一預(yù)定區(qū)域32A的磁性性質(zhì)可不同于第二預(yù)定區(qū)域32B的磁性性質(zhì)，使得它們的磁性性質(zhì)分別為第二狀態(tài)和第三狀態(tài)。在又一個實(shí)施例中，第一預(yù)定區(qū)域32A的磁性性質(zhì)可保持不從疊片12的其余部分的磁性性質(zhì)(即，第一狀態(tài))變化，同時僅第二預(yù)定區(qū)域32B的磁性性質(zhì)變?yōu)榈诙顟B(tài)。明顯地，包括狀態(tài)、位置、分布、尺寸等的各種磁性性質(zhì)變化可按照本發(fā)明來布置。

多個定子疊片10可層疊在一起，以便限定定子(未示出)。類似地，轉(zhuǎn)子(未示出)可以可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在定子的定子開孔14內(nèi)，由此限定電機(jī)(未示出)。

盡管圖2-4中所示的實(shí)施例繪出了某些槽口20和齒構(gòu)造，但其它構(gòu)造也是可能的。例如，槽口可為平行或非平行的。類似地，轉(zhuǎn)子齒可為平行或非平行的。

本文所示和所述的實(shí)施例可用于多種電機(jī)類型。例如，可受益的電機(jī)包括永磁(PM)、開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)、同步磁阻電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)(IM)、卷繞場同步電機(jī)等。

因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，一種用于電機(jī)的定子疊片包括：具有穿過其間的環(huán)形開口的圓形疊片；穿過其間的多個繞組槽口；以及鄰近于多個繞組槽口設(shè)置的多個槽口閉合件，其中定子疊片由雙磁相材料形成，雙磁相材料具有第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)和第二狀態(tài)中的磁性性質(zhì)，其中第二狀態(tài)中的磁性性質(zhì)不同于第一狀態(tài)，進(jìn)一步其中多個槽口閉合件被處理以便過渡至第二狀態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，一種制造電機(jī)構(gòu)件的方法，該方法包括：提供具有穿過其間的環(huán)形開孔的定子疊片，其中定子疊片由雙磁相材料形成，定子疊片包括圍繞環(huán)形開孔設(shè)置的多個閉合的繞組槽口，進(jìn)一步其中雙磁相材料具有第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)和第二狀態(tài)中的磁性性質(zhì)，其中第一狀態(tài)中的磁性性質(zhì)不同于第二狀態(tài)；以及將定子疊片上的多個預(yù)定位置從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài)，其中多個預(yù)定位置在閉合繞組槽口的頂部與環(huán)形開孔的開孔邊緣表面之間的區(qū)域中。

已經(jīng)依據(jù)優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，且認(rèn)識到除明確所述的那些的，等同方案、備選方案和改型是可能的，且在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。