具有方向性微结构的材料的制作方法

本文描述的示例性和非限制性实施例总体上涉及具有带有电绝缘畴的方向性微结构的材料以及包含这种材料的结构，并且更具体地，涉及具有方向相关且位置相关的微结构的材料，方向相关且位置相关的微结构给予这种材料方向相关且位置相关的物理性质。本文所描述的示例性和非限制性实施例还特别涉及用于制造这种材料和利用这种材料的设备的方法。

背景技术：

美国专利no.9,205,488描述了通过喷射成形(spray-forming)工艺生产的软磁材料。美国专利公开no.2013/0000860描述了基于层状颗粒沉积的喷射成形工艺。

技术实现要素：

以下发明内容仅仅旨在是示例性的。发明内容不旨在限制权利要求的范围。

根据一个方面，材料包括：多个畴的至少一个层，每个畴在第一方向上是扁平的，并且在垂直于第一方向的第二方向上是细长的。扁平且细长的畴限定了有助于第二方向上的磁通量流的各向异性微结构。

根据另一方面，径向场电动马达的定子芯包括：轭部，具有被配置为关于轴线旋转的环状结构；以及齿部结构，从轭部的内向表面在径向上向内延伸的。轭部包括由多个畴的层限定的材料，每个层的畴在第一方向上是扁平的，并且在垂直于第一方向的第二方向上是细长的。扁平且细长的畴限定了有助于轭部中第二方向上的磁通量流的各向异性微结构。

根据另一方面，混合场电动马达的定子绕组芯包括：轭部，具有环状结构；以及多个齿部，在轭部的内向表面上。轭部和齿部各自包括由多个畴的层限定的材料，每个层的畴在第一方向上是扁平的，并且在垂直于第一方向的第二方向上是细长的。扁平且细长的畴限定了如下的各向异性微结构，该各向异性微结构有助于轭部和齿部中的一个或多个中在第二方向上的磁通量流。

附图说明

在以下结合附图进行的描述中，说明了前述方面和其他特征，其中：

图1是具有带有电绝缘畴的方向性微结构的材料的一个示例实施例的示意性表示；

图2是图1材料的等距视图；

图3a至图3c是形成图1材料的过程的一个示例实施例的示意性表示；

图4a和图4b是具有带有电绝缘层的方向性微结构的材料的一个示例实施例的示意性表示；

图5是图4a和图4b的材料的等距视图的示意性表示；

图6a至图6c是具有带有方向相关且位置相关图案的方向性微结构的材料的示意性表示；

图7a和图7b是形成图6a至图6c的材料的过程的一个示例实施例的示意性表示；

图8a和图8b是包含具有方向性微结构的材料的径向场电动马达的定子芯的一个示例实施例的示意性表示；

图9a和图9b是径向场电动马达具有方向相关且位置相关的微结构的定子芯的示例实施例的示意性表示；

图10是混合场电动马达具有方向性微结构的定子绕组芯的一部分的一个示例实施例的截面图；

图11a图示了图10的定子绕组芯的示出两个齿部的一部分；

图11b和图11c是图11a中所示的齿部的截面视图；

图12至图14是图10的定子绕组芯的区域中的方向性微结构的示意性表示；以及

图15是定子绕组芯的区域中微结构中的过渡的示意性表示。

具体实施方式

美国专利no.9,205,488描述了通过喷射成形工艺生产的软磁材料，该申请以其整体内容通过引用并入本文。材料的微结构的特征在于由电绝缘边界隔开的紧密堆积的畴(晶粒)。这种材料的应用包括电动机器(例如，电动马达)的绕组芯，其利用具有诸如高磁导率、高饱和通量密度和高电阻率之类的适当磁性质的材料来控制涡电流损耗。

上述材料的微结构在材料的体积内基本相同，并且材料可以包括基本上各向同性的物理性质(即，性质在所有方向上接近相同)。虽然这允许生产用于一般用途的喷雾成形部件和块体喷雾成形材料，但是许多应用可以受益于具有针对特定应用设计(优化)的方向相关且位置相关性质的各向异性材料。

参考图1，总体上以10示出了具有带有电绝缘畴的方向性微结构的材料的一个示例实施例的概略性描绘，并且其在下文中被称为“材料10”。尽管将参考附图中所示的示例实施例来描述特征，但是应当理解，可以以实施例的许多替代形式来实施特征。此外，可以使用元件或材料的任何适当的尺寸、形状或类型。

如图所示，材料10可以包括具有方向性偏置的各向异性微结构。如图1所图示，各向异性微结构可以包括畴12(晶粒)，畴12可以被成形为有助于优选方向上的磁通量流14。具体来说，畴12(晶粒)可以沿磁通量流的优选方向(x方向16)是细长的，并且在垂直于磁通量流的优选方向的方向(z方向18)上是扁平的。

作为上述各向异性微结构的结果，材料10可以展示出方向性的磁性质。例如，在磁通量流的优选方向(x方向16)上磁导率可以期望地增加，而同时在垂直于磁通量流的优选方向的方向(z-方向18)上保持期望高的电阻率(或增加电阻率)。

参考图2，材料10的等距视图示出了三个正交平面中的微结构。如图2所示，微结构的畴12(晶粒)可以被成形为有助于如xy平面19所示的优选平面中的磁通量流。具体地，畴12(晶粒)在磁通量流的优选平面(xy平面19)中是加大的，并且在垂直于磁通量流的优选平面的方向(z方向18)上是扁平的。

现在参考图3a至图3c，图1和图2的材料10的方向性微结构可以例如通过喷射成形工艺来产生。可以设置喷射成形工艺的参数，诸如经受沉积的颗粒的速度和温度，以实现期望的飞溅程度，即，个体颗粒20着陆时的扁平化变形。特别地，颗粒20沿沉积方向的尺寸可以减小，并且颗粒20在垂直于沉积方向的平面中的尺寸可以增长，从而在材料10的微结构中创建上述形状的畴12(晶粒)。在图3a中，示出了颗粒20正在沉积方向22上被沉积，其中在沉积时获得期望形状，并且其中颗粒20在沉积方向22上以一速度移动。在图3b中，颗粒20接触先前沉积的材料10。在图3c中，颗粒20在沉积时变形为期望的形状。

喷射成形过程可以基于电弧丝工艺、等离子体工艺、超音速火焰喷涂工艺、空气助燃超音速火焰喷涂工艺、冷喷涂工艺或任何其他适当的沉积工艺。类似地，可以使用适当的技术来产生畴12(晶粒)之间的电绝缘边界。

在喷射成形工艺中可以使用各种化学物质。作为示例，可以在畴的芯中使用铁合金(例如，导电材料)，并且可以形成诸如氧化铝的氧化物，以提供畴之间的电绝缘边界。铁合金上的氧化铝的形成可以通过在飞行期间利用氧化铝来喷涂铁合金颗粒而实现。氧化铝可以展示出期望低的电导率，以用于抑制涡电流，并且其可以在升高的温度下保持稳定，这是绕组芯应用所寻求的性质。可以与铁合金或其他芯材料一起使用的其他材料包括但不限于铝、钴、镍和硅。

现在参考图4a和图4b，可以通过消除磁通量的优选方向(x方向16)上的电绝缘边界来进一步增强材料的方向性偏置(或各向异性)，以提供具有电绝缘层的方向性微结构。所得到的微结构包括芯材料层30，其可以通过基本上连续的电绝缘(非导电)边界32而彼此隔开。

在图4a中，示出了微结构，其中每个芯材料层30由沉积颗粒(畴12)的单个层形成，并且其中后续沉积的层的沉积颗粒(畴12)与下面的层30的沉积颗粒(畴12)部分地重叠。图4b描绘了其中每个芯材料层30由沉积颗粒20的多个层形成的微结构；在这种情况下，沉积在相同的芯材料层30内的颗粒彼此不是电绝缘的。在一些实施例中，消除x方向16上的电绝缘边界并形成电绝缘层30可以包括与沉积具有氧化铝涂层的铁合金颗粒交替进行的铁合金颗粒的沉积(或简单地，与氧化铝沉积交替进行的铁合金颗粒的沉积)。

现在参考图5，在三个正交平面中示出了层30的微结构。如图所示，可以在磁通量的优选平面(与xy平面19基本上平行)中消除电绝缘边界32。再次，所得到的微结构可以包括芯材料层30，其通过基本上连续的电绝缘(非导电)边界32而彼此隔开。

图4a、图4b和图5的示例材料的微结构可以例如通过基于层状颗粒沉积的喷射成形工艺(美国专利公开no.2013/0000860，其通过引用以其整体并入本文)来产生。可以选择该工艺的参数，以创建由基本上连续的电绝缘边界32隔开的导电材料层。

喷射成形的各向异性材料的上述示例可以便利地延伸到平面几何形状之外。通常，材料的微结构可以被设计成有助于沿着优选得非平面表面的磁通量流，从而创建三维层压体的等价物。

此外，根据本实施例的材料的微结构可以以反射所期望的磁通量流路径的图案为特征。下文描述了示例非平面几何形状和图案。

现在参考图6a至图6c，本文描述的示例性实施例可以包括方向相关且位置相关的图案。图6a示出了可以用于在箭头42所示的方向上传导通量的畴12的图案40的一个示例。作为另一示例，图6b示出了弯曲的微结构60，其可以用于在圆周方向62上传导磁通量。作为又一示例，图6c图示了可以用于被分裂成具有第一部分80和第二部分82的通量流的微结构。在前述实施例中的任一实施例中，畴12的层可以被弯曲，以在非线性方向上传导磁通量。

在图6a至图6c的所有示例中，磁导率可以沿着磁通量流的优选表面增加，同时在垂直于磁通量流的优选表面的方向上保持或增加电阻率。

图6a的示例图案可以例如通过在基本上垂直于表面的方向上在平坦表面上沉积(喷射成形)材料来产生，如图1、图4a和图4b所示。类似地，图6b的示例图案可以例如通过在圆柱表面上沿基本上径向方向沉积(喷射成形)材料来形成。

图6c的示例图案可以例如通过图7a和图7b所图示的过程来产生。如图7a所示，可以首先从扁平颗粒形成包括畴12的逐渐倾斜的表面102。如图7b所示，然后可以在改变(调整)沉积方向的同时沉积附加的材料，使得附加的材料在基本上垂直于先前创建的表面的方向104上沉积为畴12'，导致材料微结构的畴12(晶粒)的形状(扁平化和延长)的取向(方向)的期望变化。可以重复图7a和图7b的步骤，以实现材料微结构的畴12(晶粒)的形状(扁平化和延长)的取向(方向)的进一步变化。

如下文示例所图示，图6a至图6c中所示的示例方向性微结构可以共存于相同的喷射成形部件上。

图8a和图8b概略地描绘了径向场电动马达的定子芯140的一个示例实施例，定子芯140包括被配置为环型结构的轭部141以及从环状结构的内向表面悬挂的至少一个齿部143。定子芯140还包括具有方向性微结构的材料。如图8a所示，马达的旋转轴线被示出为轴线z。

图8b还图示了当在轴向上(即，沿着马达的旋转轴线，轴线z)观察马达时定子芯140的一部分中的材料的微结构。图8a图示了当在径向上观察马达时定子芯140的微结构(即，在将也被称为定子芯140的轭部141的圆周体积分成段的圆柱表面上看到的微结构)。

图8a和图8b的示例定子芯140的微结构有助于在垂直于马达的旋转轴线的平面中的磁通量流，并且可以被视为用在电动马达中的层压定子芯的固体等价物。

图8a和图8b的示例性定子芯140可以例如通过轴向地累积定子芯的材料来产生，即，通过在与马达的旋转轴线平行的方向上的材料沉积(喷射成形)来产生。

图9a和图9b概略地描绘了径向场电动马达包含具有方向相关且位置相关的微结构的材料的定子芯180、180'的其他示例。如图9a和图9b所示，定子芯180、180'的周向体积(轭部181、181')中的微结构可以被配置为有助于轭部181、181'中的周向磁通量流，并且定子芯的齿部183、183'中的微结构可以是各向同性的，以适应在马达的转子旋转时磁通量流的方向变化。如图9a和图9b所示的定子芯180、180'的区别在于轭部与齿部微结构之间的过渡边界的位置。

图9a和图9b的示例定子芯180、180'可以例如通过径向地累积定子芯的材料来产生，即，通过围绕定子芯来旋转材料沉积(喷射成形)的方向来产生，或者更方便地通过在固定位置径向地沉积材料的同时旋转定子芯来产生。如本文所述，在沉积(喷射成形)工艺中，可以改变(调整)工艺的参数，以实现畴12(晶粒)的期望形状。

例如，为了产生如图9a所示的方向相关且位置相关的微结构，定子芯180可以旋转，材料可以在固定位置被径向沉积，并且可以使用两组工艺参数。首先，当形成定子芯180的与齿部183相对应的内部部分时，工艺参数可以被设置为产生基本上各向同性的微结构。然后，当形成定子芯180的与轭部181相对应的外部部分时，工艺参数被设置为产生期望的各向异性微结构。在这种情况下，可以根据沉积材料的径向累积来切换工艺参数。

作为另一示例，为了产生如图9b所示的方向相关和位置相关的微结构，当定子芯180'旋转时，工艺参数可以在上述两组之间多次交替，并且期望的微结构在各向同性与各向异性配置之间交替。在这种情况下，可以根据定子芯的角度位置来周期性地切换工艺参数。

现在参考图10，图示了混合场电动马达包含具有方向性微结构的材料的示例定子绕组芯220。如图10所示，定子绕组芯220可以包括轭部222和多个齿部224。轭部222可以包括环状结构，其中齿部224位于环状结构的内向表面上，使得转子(或其他部件)可以被容纳在环状结构中。

图11a示出了示例定子绕组芯220的示出两个齿部224的一部分。图11b和图11c示出了沿着定子绕组芯220的齿部224的两个正交中间平面的横截面图。

如图11b所示，齿部的主要部分中的磁通量流(表示为1)可以是双向的、径向上向内的或径向上向外的。类似地，如图11c中的4所示，轭部的主要部分中的通量流也可以是双向的、顺时针或逆时针的、与马达轴线同心的。在标记为2和3的区域(图11b)处，通量流可以是双向的，但是与定子的主轴(例如，定子绕组芯220或轭部222旋转所围绕的轴线)成角度。被标记为1、2、3和4的区域均可以位于定子齿部的两个中间平面上。被标记为5和6(图11c)的区域可以远离中间平面，并且这些区域中的通量流可以是全向的，但是被限制于与定子的主平面成角度的平面。

仍然参考图11b和图11c，为了最佳性能，被标记为1、2、3和4的区域可以使用如下的材料10，该材料10沿着磁通量流的方向(表面)具有高磁导率，并且在垂直于磁通量流的方向(表面)的方向上具有高电阻率。被标记为5和6的区域(其中磁通量流被限制于平面)可以利用在磁通量流平面中具有高磁导率、并且在垂直于平面的方向上具有高电阻率的材料。

可以通过根据本实施例而提供的方向相关且位置相关的微结构来促进上文关于图11a至图11c所描述的方向相关且位置相关的性质。如图12至图15的示例所示，从一个区域到下一区域，方向可以变化。图12至图14呈现了定子绕组芯的区域1、2和3中期望的方向性微结构的示例(图12图示了区域1中的方向性微结构，图13图示了区域2中的方向性微结构，并且图14图示了区域3中的方向性微结构)。图15图示了微结构如何转变通过这些区域以改变磁通量流。

关于图12至图15描述的混合场马达的示例方向相关且位置相关的微结构可以通过本文先前所说明的沉积(喷射成形)技术来产生。

尽管图6a至图15描绘了与图1和图2的示例微结构一致的材料的微结构，但是应当注意，可以使用图4和图5的示例微结构。

根据一个方面，材料包括：多个畴的至少一个层，每个畴在第一方向上是扁平的，并且在垂直于第一方向的第二方向上是细长的。扁平且细长的畴限定了有助于第二方向上的磁通量流的各向异性微结构。

每个畴可以包括导电材料芯，导电材料芯由电绝缘材料涂层至少部分地围绕，以在芯上形成绝缘边界。导电材料芯可以包括铁合金，并且电绝缘材料涂层可以包括氧化铝。扁平且细长的畴可以相对于第一方向的磁导率在第二方向上展示出增加的磁导率。扁平且细长的畴可以相对于第二方向上的电阻率在第一方向上展示出增加的电阻率。材料还可以包括至少两个层，至少两个层中的每个层包括多个畴，其中层中的至少一个层的每个畴包括导电材料，并且其他层中的至少一个层的每个畴包括电绝缘材料，其中其他层中的至少一个层使层中的导电材料的至少一个层绝缘。多个畴的至少一个层可以是弯曲的，以在非线性方向上传导磁通量。材料还可以包括多个畴的至少两个层，其中第二层的畴被沉积在第一层的畴上，以便与第一层的畴重叠。

根据另一方面，径向场电动马达的定子芯包括：轭部，具有被配置为关于轴线旋转的环状结构；以及齿部结构，从轭部的内向表面在径向上向内延伸。轭部包括由多个畴的层限定的材料，每个层的畴在第一方向上是扁平的，并且在垂直于第一方向的第二方向上是细长的。扁平且细长的畴限定了有助于轭部中第二方向上的磁通量流的各向异性微结构。

可以沉积畴，以将各向异性微结构限定为方向相关且位置相关的微结构。齿部结构可以包括各向同性微结构。轭部中的各向异性微结构可以被配置为有助于轭部中的周向磁通量流。

根据另一方面，混合场电动马达的定子绕组芯包括：轭部，具有环状结构；以及多个齿部，在轭部的内向表面上。轭部和齿部各自包括由多个畴的层限定的材料，每个层的畴在第一方向上是扁平的，并且在垂直于第一方向的第二方向上是细长的。扁平且细长的畴限定了有助于轭部和齿部中的一个或多个中在第二方向上的磁通量流的各向异性微结构。

齿部中的磁通量流可以是双向的、径向上向内的或径向上向外的。齿部中的磁通量流可以相对于轭部的主轴线成角度。轭部和齿部中的一个或多个中的磁通量流可以是全向的。磁通量流的方向可以在每个齿部的不同区域之间变化。每个畴可以包括导电材料芯，导电材料芯由电绝缘材料涂层至少部分地围绕，以在芯上形成绝缘边界。导电材料芯可以包括铁合金，并且电绝缘材料涂层可以包括氧化铝。扁平且细长的畴可以相对于第一方向上的磁导率在第二方向上展示出增加的磁导率，并且扁平且细长的畴可以相对于第二方向上的电阻率在第一方向上展示出增加的电阻率。

根据另一方面，方法包括：在第一方向上喷射第一多个颗粒，以用于沉积在表面上；使得被喷射的第一多个颗粒沉积在表面上、并且在第一方向上扁平化、并且在基本上垂直于第一方向的第二方向上延长，其中扁平且细长的颗粒形成第一层的畴；随后在第一方向上喷射第二多个颗粒，以用于沉积在第一层的至少一部分上；使得被喷射的第二多个颗粒沉积在第一层的至少一部分上、并且在第一方向上扁平化、并且在第二方向上延长，其中扁平且细长的颗粒形成在第一层上的第二层的畴。所形成的第一层的畴和所形成的第二层的畴限定了有助于第二方向上的磁通量流的各向异性微结构。

第一多个颗粒中的每个颗粒可以包括导电材料芯，导电材料芯由电绝缘材料涂层至少部分地围绕，以在芯上形成绝缘边界。包括导电材料芯的第一多个颗粒可以包括铁合金，并且电绝缘材料涂层可以包括氧化铝。被喷射的第二多个颗粒中的至少一部分可以不被沉积在第一层上，从而引起在第二方向上的磁通量流的分裂。

应当理解，前文描述仅仅是说明性的。本领域技术人员可以设计出各种替代方案和修改。例如，各个从属权利要求中记载的特征可以以任何合适的(一个或多个)组合而彼此组合。此外，可以将来自上述不同实施例的特征选择性地组合成新的实施例。因此，说明书旨在包括落入所附权利要求的范围内的所有这样的替代方案、修改和变化。