专利名称：车用电机器的平衡圈的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种车用电机器，且更进一步地涉及一种车用电机器的平衡圈以 及制造该平衡圈的方法。
背景技术：
近年来，技术进步导致了车辆设计的巨大变化。这些变化之一涉及车辆中尤其是 可替代燃料车辆中的各种电气系统的复杂性以及动力使用。例如，有时除了例如内燃发动 机的其他动力源之外，例如混合动力车辆的可替代燃料车辆经常使用例如电池、超级电容 和燃料电池的电化学功率源，从而为驱动车轮的电力牵引机器(包括电动机和马达/发电 机)提供功率。这样的电机器通常包括在固定定子内的轴上轴向旋转的转子组件。因为牵引电 机器的转子组件可以每分钟数千转(rpm)的速度旋转，这些组件平衡中的轻微异常将导致 不希望的振动、轴承和轴的过早磨损以及缩短机器寿命。为了补偿这种缺陷并维持高速下 的平衡，具有不对称的重量分布的环形金属平衡圈通常被安装到与轴同心的转子的一端或 两端。所述圈必须被机加工成用于在沿其周缘上在特定点去除重量，所述圈定制成用于具 体转子的不平衡并且补偿该不平衡。理想地，平衡圈的特征在于高机械强度以耐受在以高 rpm旋转时所产生的力，以及低磁导率(μ)以容纳转子组件内的磁通量从而提高总体机器 效率。由例如不锈钢的金属制造为单一结构形式的平衡圈提供了这两个特征，但是过于昂 贵。例如铝的的材料相对便宜并能提供高的磁屏蔽，但是在很多应用中不具有足够的机械 强度。其他便宜的材料例如碳钢提供高的机械强度但是提供很少或不提供磁屏蔽。由两种不同粉末状金属构成的制造为双层结构的复合平衡圈被用作一种结合了 高磁屏蔽和高机械强度的方式。例如，具有低μ的第一粉末状金属(例如不锈钢)层可与 具有低成本和高强度的第二粉末状金属(例如碳钢)层结合。这两层然后被一起烧结以形 成用于具体转子而被机加工的平衡圈。然而，粉末形态的金属比其他例如轧制板这样的更 常见形态的金属显著地更昂贵。此外，烧结后的不锈钢在机加工过程中趋于加工硬化，从而 使其成为特别难加工的材料。另外，烧结后的平衡圈在这种机加工过程中易于开裂。这种 开裂在制造过程中可能难以识别，并且因此会导致在高速加载时所述圈的故障。于是，希望提供一种用于车用电机器的利用便宜的初始材料的具有低磁导率和高 机械强度的平衡圈而。进一步地，还希望这种平衡圈更易于机加工且更不易于形成开裂。更 进一步地，本发明的其他希望的特征和特性结合附图和前述技术领域、背景技术，将通过随 后的详细描述和随附权利要求变得明显。
发明内容
根据实施例，仅作为例子，提 供一种使用在车辆中的电机器，其中电机器具有壳 体。电机器包括联接到壳体的定子组件，以及布置于定子组件内并构造成用于相对其旋转 的转子组件。平衡圈联接到转子组件的端部并配置成与其一起旋转。平衡圈包括具有第一平坦表面的环形基层，以及具有第二平坦表面的环形磁屏蔽层，其中第二平坦表面包覆第 一平坦表面。提供用于制造车用电机器的平衡圈的方法。根据本发明的示范性实施例，一种方 法包括以下步骤提供具有第一平坦表面的第一金属层、提供具有第二平坦表面的第二金 属层、以及将第二平坦表面包覆到第一平坦表面以形成复合结构。本发明提供一种使用在车辆中的电机器，所述电机器具有壳体，所述电机器包 括联接到所述壳体的定子组件；布置在所述定子组件内并构造成用于相对于所述定子组件旋转的转子组件；以及联接到所述转子组件的端部并构造成用于与其一起旋转的平衡圈，所述平衡圈包 括具有第一平坦表面的环形基层；以及具有第二平坦表面的环形磁屏蔽层，所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表 面。根据本发明的一个方面，所述环形磁屏蔽层进一步包括联接成邻近所述转子组件 的端部的第三平坦表面。根据本发明的另一个方面，所述环形磁屏蔽层包括从包括钛、铝、不锈钢、铜、镁、 铬、锌、锰、钼及其合金的组中所选择的材料。根据本发明的另一个方面，所述环形基层包括碳钢。根据本发明的另一个方面，所述环形磁屏蔽层具有从大约1倍到大约2倍于真空 磁导率的磁导率。根据本发明的另一个方面，所述环形磁屏蔽层具有从大约1倍到大约1. 2倍于真 空磁导率的磁导率。根据本发明的另一个方面，所述环形基层具有从大约Imm到大约20mm的厚度。根据本发明的另一个方面，所述环形磁屏蔽层具有从大约0. Imm到大约IOmm的厚度。本发明还提供一种平衡圈，包括包括高强度材料的第一环形层，所述第一环形层具有第一平坦表面；以及包括低磁导率材料的第二环形层，所述第二环形层具有包覆到所述第一平坦表面 的第二平坦表面。根据本发明的又一个方面，所述第二环形层具有选自从包括钛、铝、不锈钢、铜、 镁、铬、锌、锰、钼及其合金的组中的成分。根据本发明的又一个方面，所述第一环形层包括碳钢。根据本发明的又一个方面，所述第二环形层具有从大约1倍到大约2倍于真空磁 导率的磁导率。根据本发明的又一个方面，所述第二环形层具有从大约1倍到大约1. 2倍于真空 磁导率的磁导率。
本发明还提供一种用于制造车用电机器的平衡圈的方法，所述方法包括如下步 骤
提供具有第一平坦表面的第一金属层；提供具有第二平坦表面的第二金属层；将所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表面以形成复合结构；以及移除所述复合结构的一部分以形成环形圈。根据本发明的再一个方面，提供第二金属层的所述步骤包括提供包括低磁导率材 料的第二金属层。根据本发明的再一个方面，提供包括低磁导率材料的第二金属层的所述步骤包括 提供包括具有磁导率为真空磁导率的大约1倍到大约2倍的材料的第二金属层。根据本发明的再一个方面，所述移除步骤包括通过冲压移除。根据本发明的再一个方面，提供包括具有低磁导率的材料的第二金属层的步骤包 括提供包括铝的第二金属层。根据本发明的再一个方面，所述方法进一步包括机加工所述环形圈以形成所述平 衡圈的步骤。根据本发明的再一个方面，所述车用电机器还包括具有端部的转子，并且所述方 法进一步包括将所述平衡圈安装在所述转子的所述端部的步骤。
结合下列附图，通过参考详细描述和权利要求可得出对本发明的更完整的理解， 其中在所有附图中相同的附图标记表示类似的元件，其中图1是示例性车辆的示意图，示出了实施例集成有各种车辆子部件的方式；图2是示例性车用牵引电机器的示意图，其与图1所示的车辆一起使用，并具有根 据示例性实施例的集成的平衡圈；图3是图2所示平衡圈的立体图； 图4是图2和3中所示类型的示例性平衡圈的剖视示意图；以及图5-7是示出了根据示例性实施例使用覆层材料制造平衡圈的方法的示意图。
具体实施例方式本文所述的本发明的各种实施例提供一种适于装配在车辆上的电机器的转子组 件的平衡圈，以及制造这种平衡圈的方法。所述电机器可包括发电机或电动机、或它们的复 合(马达/发电机)。平衡圈具有通过将磁屏蔽层的板或铸件包覆到金属基层的板或铸件 所制成的复合结构。磁屏蔽层有助于在操作过程中容纳转子组件内的磁通量，并且其特征 在于低磁导率。金属基层由相对便宜的材料制成以降低总成本，并提供适合承受由高转速 旋转所产生的力的高机械强度。板/铸件金属的包覆提供了与前述烧结的粉末状金属设计 相比更易于机加工并在机加工过程中更不易于开裂的平衡圈。板/铸件形式的金属也比相 同组分的粉末状金属明显地更便宜，从而降低了平衡圈的总成本。图1示出根据本发明的一个实施例的车辆例如汽车10。汽车10包括底盘12、车 身14、四个车轮16和电子控制系统(或电子控制部件(E⑶))18。车身14布置在底盘12 上并且大体上包围汽车10的其他部件。车身14和底盘12可以共同地形成车架。车轮16 每个都旋转地联接到车身14的各自拐角附近的底盘12。
汽车10可为任何不同类型的汽车中的一种，例如轿车、货车、卡车或运动多用途 车(SUV)，并且可为两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)、或全轮驱 动(AWD)。汽车10也可结合下列多种不同类型的发动机(或致动器)中的任何一种或其组 合，例如汽油发动机或柴油发动机、“灵活燃料车辆”(FFV)发动机(即，使用汽油和乙醇的 混合物)、气体化合物(例如，氢和/或天然气)燃料发动机、或燃料电池、燃烧/电动机/ 发电机混合动力发动机以及电动机。在图1所示的示例性实施例中，汽车10是燃料电池车辆，并且进一步包括致动器 部件(或传动系)20、电池22、电池充电状态(SOC)系统24、功率电子舱(PEB) 26、以及散热 器28。致动器组件20包括内燃(IC)发动机30和电动机/发电机(或牵引马达/发电机) 系统(或组件)32。电池22电联接到PEB 26，并且在一个实施例中包括锂离子(Li-ion) 电池，所述锂电池包括多个原电池，如通常所理解的。牵引马达/发电机组件32通常包括 多个电子部件，其包括定子和转子组件。转子组件包括至少一个平衡圈，其制造为复合金属 包覆，必要时机加工成用于在高转速旋转时提供对转子组件的平衡。在如图1所示的示例 性实施例中，牵引马达/发电机组件32被配置为致动器组件20的部件。尽管该示例，在可 替换实施例中牵引马达/发电机组件32可被使用在车辆10内的其他地方。例如，在某些 实施例中，牵引马达发电机组件可置于变速器内，或作为皮带传动发电机起动机系统(BAS) 的部件，并且由皮带或其他适合方式连接到IC发动机。图2示意性地示出根据示例性实施例具有集成的平衡圈50和52的牵引马达/发 电机组件32。牵引马达/发电机组件32包括定子62，定子62包含在壳体54中并固定联 接至壳体54。转子组件58可旋转地联接到定子62，并且大致与定子62同心地绕轴(未示 出)上的轴线A-A’旋转。根据其设计，组件58也可包括构造成用于与定子62产生的磁通 量相互作用并以已知方式将扭矩提供到转子组件58的多个磁铁60。第一平衡圈50和第二 平衡圈52每个都例如通过压配合，大致与轴线A-A’同轴地安装到转子组件58的相反端。 圈50和52构造成用于补偿转子组件58的质量分布的不对称，这否则可引起组件58在旋 转时的振动。圈50和52每个都被制造为双层复合结构，该结构包括以下面详细描述的方 式包覆在一起的不同成分的两个金属板和/或铸件。在操作期间，转子组件58绕轴线A-A’ 在定子中同轴地旋转从而产生机械能。平衡圈50和52与转子组件58 —起旋转，每个圈都 具有不对称的质量分布，其构造成用于平衡/补充组件58的旋转不平衡。图3是根据示例性实施例的平衡圈50的示意图。平衡圈50具有环形形状，其具 有外直径Dl和内直径D2，并且包括双层复合结构，该双层复合结构包括包覆到第二层84的 第一层80。第一层80和第二层84可具有适合安装到转子组件58 (图2)的任何厚度和形 状。圈50可具有机加工到其表面中的任意形状或尺寸的任意数量的凹部88，以提供在被联 接到组件58并与组件58 —起旋转时补偿组件58内的旋转不平衡的不对称质量分布。凹 部88的机加工可以通过打钻或铣削或通过以精确方式从圈50除去材料的任何其他合适方 法完成。在运行期间，平衡圈50与转子组件58 —起旋转并调节组件58 (其现在包括圈50) 的质心以与轴线A-A’上的点更接近重合(图2)，从而改善组件的旋转平衡。圈50进一步 构造成用于提供对转子组件58的磁屏蔽以将磁通量容纳在其中，从而提高马达/发电机32 的总效率。 在这里，术语“包覆”表示一组特殊的工艺，用来把两种样品金属层接合到一起。包覆工艺通常涉及两种不同组分的金属层，其中金属层可包括以任何方式形成的任何类型的 连续金属结构，例如通过滚轧形成金属板样品或通过铸造形成铸件金属样品的方式。包覆 涉及将两种样品的表面形成互相密切接触，并使用例如冷轧接合、热轧接合、热压、爆破接 合、挤压接合等技术形成金属与金属的接触并增强分界面的接合。适当的表面预处理可在 例如前驱体的金属样品上进行以包覆从而移除污染物和/或金属氧化物。包覆不包括将金 属的微小颗粒与例如粉末状金属通过使用例如烧结方法接合在一起，或将板或铸件样品通 过使至少一个样品达到其熔融温度的焊接、铜焊等接合。另外，包覆不包括用于例如通过粘 结或焊接将样品界面地接合的任何中间粘结材料。图4示意性地以剖面形式示出根据示例性实施例的平衡圈50。圈50包括环形基 层84和环形磁屏蔽层80。以如下文所述的方式在界面92处将屏蔽层80包覆到基层84。 环形基层84具有通过任何适合的方法例如打钻或铣削形成到其表面中的凹部88。凹部88 在圈50上的尺寸和位置将取决于上文所述的宿主转子的平衡特性。因此，尽管圈50被示 出为具有特定尺寸和形状的单个凹部88，但是应当理解可使用具有任何适当尺寸、形状和 /或深度的任何数量的这种凹部。此外，对于具体转子或设计而言，在需要时，将金属从环形 磁屏蔽层80移除的机加工也可类似地实施。图5-7示意性地示出根据本发明的各种示例性实施例形成具有环形磁屏蔽层包 覆到环形高强度基层的平衡圈100的方法。参考图5，根据示例性实施例，该方法从提供基 层110和磁屏蔽层114开始。层110和114的尺寸适于待被制造的平衡圈的直径，并可具 有任何适合的厚度。在一个实施例中，基层110具有大约从1毫米(mm)到约20mm的厚度， 并且优选从约Imm到约IOmm厚。磁屏蔽层114具有从约0. Imm到约IOmm的厚度，并且优 选从约Imm到约5mm厚。基层110具有第一表面112，并可包含适于包覆的任何高强度金 属，例如碳钢。磁屏蔽层114具有第二表面116，并可包含具有低μ的任何金属，例如钛、 铝、不锈钢、铜、镁、铬、锌、锰、钼及其合金。在一个实施例中，磁屏蔽层114具有从约1倍到 约2倍于真空磁导率的μ。在优选实施例中，磁屏蔽层114具有从约1倍到约1. 2倍于真 空磁导率的μ。然后，适于所选材料的表面预处理在表面112和116上实施以移除在其上 可能出现的金属氧化物或例如碳氢化合物的污染物。该预处理可包括用以移除这些氧化物 和污染物的化学处理、或例如砂磨或喷砂的研磨处理、或上述两者结合的处理。喷砂也可以 用于增加表面粗糙度以利于在随后的包覆处理期间的机械粘合。随后如双箭头118所示使 表面112和116接近。在表面准备之后，如图6所示使层110和114开始互相接触。例如通过任何适合 的滚轧工艺将压力(如箭头120所示)施加在层110和114上，使得表面112和116彼此 形成紧密的金属到金属的接触从而形成复合结构122。根据使用的总体工艺，也可以连同压 力一起应用加热(如箭头124所示)以增强所产生包覆的粘合接合强度。然后，如图7所示，环形圈130由复合结构1 22形成。环形圈130可以通过使用任 何适当工艺例如冲压工艺移除一部分复合结构122来形成。环形圈130分别具有外直径Dl 和内直径D2，其尺寸取决于宿主转子组件的尺寸。成型之后，环形圈130可以以任何适合方 式例如打钻、铣削来机加工从而按照形成最终平衡圈的需要从基层110和磁屏蔽层114中 的一个或两个上移除材料。恰如将平衡圈50安装到转子组件58 (图2)，然后安装平衡圈 100，使得磁屏蔽层114布置成邻近转子组件的端部，以在旋转时提供对其增强的平衡。
这里所述的本发明的各个实施例提供一种用于车用电动机/发电机的转子组件 的并具有磁屏蔽层包覆到高强度金属基层的平衡圈及所述平衡圈的制造方法。这些示例性 实施例也可应用到例如配备在任何类型车辆中的电动机或发电机的任何适合电机器。磁屏 蔽层可以包括具有低磁导率的板或铸件金属层，并且配置成邻近转子安装。基层还可包括 板或铸件层，其特征在于高机械强度。这两层使用常规包覆工艺接合在一起，并且通过由此 产生的复合结构制造平衡圈。由此最终平衡圈在不使用昂贵的粉末状金属的情况下使低磁 导率和高机械强度结合进单一复合结构中。用来制造由此产生的平衡圈的板或铸件材料更 易于机加工且更不易开裂。尽管在上文的详细描述中体现了至少一个实施例，应当明确的是还存在各种变 换。也应当明确的是此处描述的示例性实施例或多个示例性实施例不试图以任何方式对本 发明的范围、适用或构造进行限制。相反，上文详细描述将给本领域技术人员提供实现所述 实施例或多个实施例的方便途径。应当理解，在不脱离本发明及其法律等同方案的范围的 情况下， 可在元件的功能和配置上做出多种变换。
权利要求
一种使用在车辆中的电机器，所述电机器具有壳体，所述电机器包括联接到所述壳体的定子组件；布置在所述定子组件内并构造成用于相对于所述定子组件旋转的转子组件；以及联接到所述转子组件的端部并构造成用于与其一起旋转的平衡圈，所述平衡圈包括具有第一平坦表面的环形基层；以及具有第二平坦表面的环形磁屏蔽层，所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表面。
2.如权利要求1所述的电机器，其特征在于，所述环形磁屏蔽层进一步包括联接成邻 近所述转子组件的端部的第三平坦表面。
3.如权利要求1所述的电机器，其特征在于，所述环形磁屏蔽层包括从包括钛、铝、不 锈钢、铜、镁、铬、锌、锰、钼及其合金的组中所选择的材料。
4.如权利要求1所述的电机器，其特征在于，所述环形基层包括碳钢。
5.如权利要求1所述的电机器，其特征在于，所述环形磁屏蔽层具有从大约1倍到大约 2倍于真空磁导率的磁导率。
6.如权利要求5所述的电机器，其特征在于，所述环形磁屏蔽层具有从大约1倍到大约 1.2倍于真空磁导率的磁导率。
7.如权利要求1所述的电机器，其特征在于，所述环形基层具有从大约Imm到大约 20mm的厚度。
8.如权利要求1所述的电机器，其特征在于，所述环形磁屏蔽层具有从大约0.Imm到大 约IOmm的厚度。
9.一种平衡圈，包括包括高强度材料的第一环形层，所述第一环形层具有第一平坦表面；以及包括低磁导率材料的第二环形层，所述第二环形层具有包覆到所述第一平坦表面的第 二平坦表面。
10.一种用于制造车用电机器的平衡圈的方法，所述方法包括如下步骤提供具有第一平坦表面的第一金属层；提供具有第二平坦表面的第二金属层；将所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表面以形成复合结构；以及移除所述复合结构的一部分以形成环形圈。
全文摘要
本发明涉及一种车用电机器的平衡圈。具体地，提供使用在车辆中的电机器，其中所述电机器具有壳体。电机器包括联接到壳体的定子组件，以及布置于定子组件中并配置成用于相对定子组件旋转的转子组件。平衡圈联接到转子组件的端部并配置成用于与其一起旋转。平衡圈包括具有第一平坦表面的环形基层，和具有第二平坦表面的环形磁屏蔽层，所述第二平坦表面包覆到所述第一平坦表面。
文档编号H02K7/04GK101841202SQ20101013687
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者M·汤普森, R·M·利奇曼 申请人:通用汽车环球科技运作公司