[发明专利]用于感应转子的铝基复合材料鼠笼式装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明大体上涉及感应电动机，更具体地说涉及用于感应电动机的铝复合材料转子。

背景技术

在燃油效率方面上不断增长的要求已经制造出在汽车业中更有吸引力的混合动力系统。除了普通燃烧发动机之外，用作电动机和发电机的电力机器(通常被称为电机)为混合动力系统中的重要部分。为了降低制造成本，在混合动力系统中所用的许多电机为感应电动机。交流(AC)感应电动机由于能够提供简单牢固的结构、方便维护以及成本低廉等原因所以普遍用在混合动力汽车中。名称“感应电动机”来自通过在定子中产生出的旋转磁通量而感应到“转子”中的AC。铝鼠笼承载电流，并且需要高导电率。在转子中的层状钢片承载着磁通量。旋转磁场在鼠笼中感应出电流。在转子中感应出的磁场与在定子中的偏置磁场相互作用，并且导致旋转和生成力矩。在操作中，转子速度总是慢于磁场速度，从而使得转子棒能够切割磁力线并且产生出有用力矩。该速度差被称为转差速度。转差随着负载而增大，并且对于力矩产生而言是必不可少的。

定子结构通常由成形为形成磁极的钢片层状结构构成。铜导线形成并且插入作为定子组件的一部分。它们与电压源连接以产生出旋转磁场。

转子通常由在钢轴上的层状结构制成。铁芯(层状钢堆叠)用来承载穿过电机的磁场。对该铁芯的结构和材料进行专门设计以减小磁性损失。由清漆绝缘层分开的这些薄堆叠(钢片)降低了会导致涡流损失的杂散环流。用于这些堆叠的材料为专门定制用来产生特定磁性的低碳高硅钢，例如抑制涡流并且使得材料的滞后回线变窄(每个循环的能耗较小或者较低的铁芯损耗)以及高渗透性(电磁)。低碳含量使之成为滞后损失较低的软磁性材料。为了减小在这些薄层状钢片之间的气隙和铁芯损失，最好将这些层状钢堆叠尽可能保持紧密。实际上，通常采用电焊或者互锁机构将该层状钢堆叠保持在一起。

在该层状结构的周边 周围的径向狭槽装有转子棒，它们通常由铝或铜制成。这些转子棒通常沿着转子的长度稍微歪斜以降低噪声，并且消除了扭矩波动，否则这会由于与定子的磁极片的相互作用而导致一些速度变化。转子棒的布置类似于鼠笼。

由于其高密度和熔点，铜在转子用途中尤其对于混合动力系统而言存在层状结构和/或独特问题。在混合动力应用中，由于在机动车中的空间限制，所以通常需要高速(例如超过10000rpm)电机。高密度铜能够在高rpm下产生出非常高的离心力和惯性，并且会产生出性能和耐久性问题。另外，转子优选通过高压模铸(HPDC)制造出。铜的高熔点(1083℃)使得铸造过程非常困难，而且明显降低了模具使用寿命并且增加了铜转子的制造成本。

对于感应电动机而言，铝基鼠笼使用非常普遍，因为铝比铜轻得多并且便宜得多。图1显示出鼠笼式转子。虽然铸铝电机克服了铜材料所带来的高转动惯量和低模具使用寿命的不足，但是为了其成功用在电机中，机械性能存在巨大挑战。与铜的59.6×10⁶S.M^-1相比，铝的导电率为37.8×10⁶S.M^-1(在20℃下)。纯铝(99.7%纯度)具有高导电率(纯铜的导电率的61%)，但是机械性能较低。A6101-T61(0.6Mg-0.5Si)具有相对较高的导电率(57%)和更好的强度。这两种材料都普遍用于制作感应电动机的鼠笼。该材料的成分、孔隙率、应力/应变曲线、耐疲劳和蠕变性和导电率对于电机的性能和耐久性而言非常重要。在铸铝中通常可见的孔隙率会影响导电率。用于转子用途的铝合金通常为可锻合金，该合金由于其低流动性、高收缩率(从液态到固态的密度改变)、高熔融温度和大凝固范围(在液态和固态之间的温度差异)所以难以铸造。该铝可锻合金的这些特征尤其对于在导电棒和端环之间的位置而言增大了孔隙率和热撕裂趋势，这会导致端环断裂。另外，许多铸铝转子是通过高压模铸制成的。由于模具填充中流速非常高(大约60m/s)而导致的在高压模铸过程期间夹杂的空气和大量铝氧化物也会明显降低转子尤其在转子棒中的导热性和导电性。

因此，需要改进的感应电动机的转子及其制造方法。

发明内容

本发明通过提供改进的转子及其制造方法来满足这个要求。