用于电机中的永久磁体的导热涂层的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种制造电机的方法，包括：提供限定了狭槽的铁芯；在将磁体本体安装到狭槽中之前涂覆磁体本体；以及将磁体本体安装到狭槽中，其中磁体本体上的涂层具有的热导率为至少大约0.3W·m-1·K-1，有利地为至少大约0.5W·m-1·K-1，更有利地为至少大约2或3W·m-1·K-1，并且其中当磁体本体插入到狭槽中时，该涂层处于部分固化状态。在磁体本体的基本大部分上、在磁体本体和铁芯之间，该涂层形成基本无空隙材料桥接部，并且由此将磁体本体与铁芯热联接。本发明还公开了根据该方法制造的电机。
【专利说明】用于电机中的永久磁体的导热涂层
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机，例如马达和发电机。更具体地，本发明涉及采用永久磁体的电机。
【背景技术】
[0002]电机的两个主要部件是定子和转子。一种通用类型的电机采用具有永久磁体的转子。这样的永久磁体电机可以操作为马达，以将电能转换为机械能，或者可以操作为发电机，以将机械能转换为电能。
[0003]在某些应用中，电机可以专门操作为马达，而在其它应用中，电机可以专门操作为发电机。在其它应用中，电机可以选择性地操作为马达或者操作为发电机。
[0004]具有永久磁体的电机可以用于广泛的各种应用。例如，这样的电机可以用于混合电动车辆，并且可以在车辆制动时操作为发电机而在车辆加速时操作为马达。其它应用可以将这样的电机专门用作马达，例如用作向建造和农业设备的不同部件提供动力的马达。其它的用途可以将这样的电机专门用作发电机，例如家用便携式发电机。本领域普通技术人员将会认识到，具有永久磁体的电机还可以用于超出上述少数几个的大量各种应用。
[0005]这样的电机的转子通常通过压印和堆叠大量的片材金属叠片而制成。在一种通用形式中，这些转子设置有轴向延伸的狭槽，以用于接纳永久磁体。
[0006]虽然许多采用永久磁体的电机以高效率操作，但是不可避免地要损失一些能量。这种能量损失具有各种形式，包括摩擦损失、铁芯损耗和磁滞损耗，并且导致产生废热。当永久磁体经受热和电场时，它们可能会损失它们的磁力。总体上，这样的磁体将在最小电场强度下具有温度上限，在该温度上限处，它们将损失磁力。随着电场强度增加，永久磁体将损失磁力的温度下降。换言之，随着穿过电机的电流增加，永久磁体将损失磁力的温度下降。当然，这种磁力损失对电机的性能具有不利的影响。
[0007]许多已知的电机设计主动地从电机去除热，以便限制操作期间电机的温度。通常，从电机去除热以防止电机的绕组到达不许可的高温。
[0008]已知的从电机去除热的方法包括喷射冷却，其通常包括在端部绕组上喷射油以从电机去除热。还已知的是，电机设有“水套”，该水套采取具有流体通路的壳体的形式，诸如水的冷却流体可以通过该流体通路进行循环，以从电机去除热。还已知的是提供空气流，利用风扇帮助空气流穿过或跨过电机，以促进冷却。
[0009]抑制永久磁体中磁力损失的改进的电机设计是期望的。
【发明内容】
[0010]本发明提供具有永久磁体的电机，其中从永久磁体的热传递被增强，从而抑制永久磁体中的磁力损失。
[0011]在本发明的一种形式中，本发明包括具有定子和转子的电机，其中转子具有限定了多个狭槽的转子铁芯。每个狭槽中都设置有永久磁体。在永久磁体和转子铁芯之间设有涂层材料,该涂层材料在每个永久磁体的基本大部分上在每个永久磁体和转子铁芯之间形成基本无空隙材料桥接部，从而将永久磁体与转子铁芯热联接。涂层材料的热导率为至少
0.3W.πΓ1.Γ1，有利地为至少大约0.5W.πΓ1.Γ1，更有利地为至少大约2或3W.πΓ1.K'
[0012]在本发明的另一种形式中，本发明包括制造具有定子和转子的电机的方法，其中转子具有限定了多个狭槽的转子铁芯。该方法包括:在将永久磁体安装在转子铁芯中之前，将多个永久磁体涂覆有涂层材料，该涂层材料具有的热导率为至少0.3W.πΓ1.K—1，有利地为至少大约0.5W.πΓ1.IT1，更有利地为至少大约2或3W.πΓ1.K'转子铁芯被加热以热膨胀转子铁芯和由此限定的狭槽，涂覆的永久磁体进入转子铁芯狭槽，同时涂层处于部分固化状态，例如B-阶段环氧树脂。然后，允许转子铁芯冷却，并且将永久磁体固定在狭槽中，其中在永久磁体和转子铁芯之间设有涂层材料，该涂层材料在每个永久磁体的基本大部分上在每个永久磁体和转子铁芯之间形成材料桥接部，从而将永久磁体与转子铁芯热联接。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]通过结合附图参考本发明实施例的以下说明，本发明的上述和其他特征及其获取方法将会变得更加明显，并可更好地理解发明本身，其中:
[0014]图1为永久磁体的示意性剖视图。
[0015]图2为转子和永久磁体的分解透视图。
[0016]图3为电机的示意性剖视图。
[0017]图4为安装在转子狭槽中的永久磁体的示意性俯视图。
[0018]对应参考符号表明贯穿若干视图的对应部分。尽管本文所列出的范例以若干形式示出了本发明的实施例，但是以下所公开的实施例并不是详尽的或用来将本发明的范围限制到所公开的精确形式。
【具体实施方式】
[0019]图3中示意性地示出了电机10，该电机包括定子12，该定子具有定子铁芯14和绕组16。定子铁芯14由多个堆叠的片材金属叠片形成，并且具有大致圆柱形形状，该大致圆柱形形状具有用于接纳转子20的中心孔。绕组16延伸定子铁芯14的轴向长度，并且具有沿轴向伸出超过定子铁芯14的端线匝18。
[0020]转子20包括由多个堆叠的片材金属叠片形成的转子铁芯22。转子铁芯22具有中心孔和多个轴向延伸的狭槽24、26。永久磁体28、30安装在狭槽24、26中。从图2中可以看到，所示的定子铁芯22具有多个大狭槽24和多个小狭槽26，大磁体28和小磁体30分别安装在大狭槽和小狭槽中。尽管常规上使用围绕转子的定子，但是电机的可选的实施例可以采用中心定子和围绕定子的转子。此外，当利用本申请的教导时，各种其它已知的设计变型也可以用于采用永久磁体的电机。
[0021]图1示出了一个较大磁体28的示意性剖视图。小磁体30具有与大磁体28通用的设计，差别仅仅在于所示的磁体28、30为两种尺寸不同的磁体。磁体28、30均具有磁性本体32和外部涂层34。要注意的是，为了图示清楚起见，在图1中，外部涂层22的厚度相对于磁体20的尺寸被极大地夸大了。
[0022]磁体28、30中每个的磁性本体32由当安装在转子铁芯22中时能够用作永久磁体的材料制成。磁性本体32可以在安装在转子铁芯22中之前被磁化，或者可以在安装时不被磁化而在安装在转子铁芯22中之后被施以磁性特性。
[0023]磁性本体32可以有利地由钕铁硼形成。当形成磁性本体32时可以包括镝，以提供较大的温度稳定性，并且允许磁性材料更好地抵抗磁力损失。多种其它材料也可以用来形成磁性本体32，包括稀土材料，例如锂、铽和钐。使用这些和其它磁性材料来形成用于电机的永久磁体是本领域普通技术人员众所周知的。
[0024]磁性本体32还可以包括定位在磁性材料和外部涂层34之间的中间材料层，例如通过电镀在磁性材料上形成的镍层或者通过蒸气扩散形成的铝层。这样的中间材料层可以用来增强耐磨性。
[0025]在磁体28、30安装到转子狭槽24、26中之前，磁性本体32设置有外部涂层34。外部涂层34为导热可粘接涂层，其增强了从磁性本体32到转子铁芯22的热传递。通过提供在每个磁体本体32的基本大部分表面区域上在每个磁体本体32和转子铁芯22之间形成基本无空隙材料桥接部的外部涂层34，外部涂层34使得磁体本体32与转子铁芯22热联接，并且增强了从磁体本体32到转子铁芯22的热传递。用来形成外部涂层34的材料具有的热导率为至少0.3W.πΓ1.Γ1，有利地为至少大约0.5W.πΓ1.K'在安装在转子狭槽24、26中之前使磁体本体32涂覆有外部涂层34方便了在磁体本体32和转子铁芯22之间形成基本无空隙材料桥接部。换言之，在安装之前提供外部涂层34有助于利用外部涂层34的材料完全填充磁体本体32和转子铁芯22之间的间隙，其中在磁体本体32和转子铁芯22之间定位有最小的气穴。
[0026]可以通过转子铁芯22与磁体28、30的机械接合而将磁体28、30保持在狭槽24、26中。然而，外部涂层34有利地具有粘合性能，从而磁体28、30通过涂层34提供的粘结而部分地或完全地固定在狭槽24、26中。当外部涂层34由电介质材料形成时，外部涂层34还有助于防止形成转子铁芯22的各个叠片之间的短接。
[0027]图4提供安装在转子狭槽24中的磁体28的放大视图。从图4中可以看到，磁体28没有完全填充狭槽24，狭槽24具有没有被磁体28填充的端部区域36。狭槽26具有类似的敞开端部区域。端 部区域36被构造成影响磁场，这种端部区域的构造影响电机中的磁场是本领域普通技术人员众所周知的。还要注意的是，虽然所示的狭槽24、26具有闭合的端部，但是狭槽也能够具有敞开的端部，端部区域36中的一个与转子铁芯22的外周边交叉，由此在转子铁芯22的外周边上形成轴向延伸的开口。
[0028]从图4中还可以看到，磁体28具有大致直线形形状，其中两个主表面38定位成紧邻转子铁芯22的表面，两个较小的边缘表面40面向端部区域36。外部涂层34在表面38和转子铁芯22之间形成基本无空隙材料桥接部。尽管边缘表面40上的外部涂层34不接合转子铁芯22，但是磁体28的表面区域的基本大部分是由表面38形成，在该表面38处外部涂层34便于从磁体28到转子铁芯22的热传递。
[0029]通常不期望的是，转子狭槽的端部区域36保持敞开。例如，在油冷电机中，如果端部区域36保持敞开，那么油可能收集在某些端部区域36中，并且使得转子不平衡。因此，通常期望的是填充端部区域36。尼龙材料可以有利地用来例如通过注模填充端部区域36。尼龙材料是可获取的，其为电介质，并且将在对于大多数电机而言可以想到的整个温度范围内保持稳定，例如在_40°C到180°C之间。[0030]通过从磁体本体32到转子铁芯22的热传递，方便了将磁体本体32的温度保持在可接受的范围内。转子铁芯22可以用作散热器和热管道，以排除多余的热。许多电机包括冷却转子铁芯的热去除特征。例如，油可以溅射在电机上，以吸收和去除热，电机的外壳可以包括流体通路，以用于循环冷却剂，或者鼓风机可以用来将空气吹过电机。在这样的电机中，转子铁芯22将不仅用作从磁体本体32吸收多余的热的散热器，还将通过电机的热去除特征散发多余的热。
[0031]如上所述，如果磁体本体32经历过多的热，那么她们可能损失其磁力。例如，在缺少外部电磁场的情况下，某些磁性材料将在大约320°C下消磁。当电机10经历电流时，磁体本体32将经历消磁的温度下降。例如，当电机10经历大约600安培-匝数时，发生消磁的温度可能下降到大约180°C。
[0032]现在将描述磁体28、30安装到转子铁芯22中。多种材料可以用来形成外部涂层34。例如，可以使用无机环氧材料。可商购获得的环氧材料的热导率为大约0.3W ^nT1 ^―1，也可商购获得的高热导率环氧材料的热导率为0.5到大约0.6W ?πΓ1.Κ'此外，多种添加剂可以用于这样的环氧材料，以进一步增大环氧材料的热导率。这样的添加剂包括氮化硼(热导率为55W -m^1.IT1 )、铝氧化物(热导率为33W -m^1.IT1 )、铍氧化物(热导率为25W -m^1 -Γ1)和铝氮化物(热导率为117W.πΓ1.K—1)。使用这样的添加剂可以将环氧材料的热导率增大到大约2或3W.πΓ1.K—1。作为另外一种选择，除环氧材料之外的材料可以用来形成外部涂层34，例如硅氧烷弹性体。可选的添加剂也可以用来允许通过紫外线辐射、溶剂或其它手段来固化外部涂层34。
[0033]在磁体本体32安装到转子狭槽中之前，外部涂层34施加到磁体本体32。当使用环氧材料涂层时，外部涂层34可以通过各种手段施加到磁体本体32，例如浸溃、粉末涂覆或膜涂敷。在所示的实施例中，磁体表面38和转子铁芯22之间的间隙为大约0.1mm或4/1000英寸，外部涂层34的厚度等于或稍稍大于该间隙。
[0034]为了将磁体28、30安装在狭槽24、26中，转子铁芯22被加热，以将狭槽24、26的尺寸膨胀到例如大约300°C。作为另外一种选择或除此之外，磁体28、30可以被冷冻以减小它们的尺寸，从而方便将 磁体28、30插入到狭槽24、26中。当转子铁芯22和磁体28、30的温度已经均等时，磁体28、30将稳固地固定在狭槽24、26中。就这一点而言，要注意的是，通常是转子铁芯被加热，以将转子毂42安装到定子铁芯的中心孔44中。转子毂42也可以被冷冻，以进一步方便毂42的安装。通过在转子铁芯22被加热以用于安装转子毂42时将磁体28、30安装在狭槽24、26中，可以有效地实现磁体28、30的安装。
[0035]如上所述，添加剂可以用于环氧材料，以增大外部涂层34的热导率。这样的添加剂将通常允许外部涂层34保持其电介质特性，但是往往会增大外部涂层34的粘度。增大的粘度降低了再加热的外部涂层34的流动性，这是不期望的，原因是这使得外部涂层难以完全填充磁体本体32和转子铁芯22之间的间隙。然而，磁体本体32预先涂覆有外部涂层34降低了这种粘度增加所遇到的困难。比较之下，如果磁体本体32首先被插入到转子狭槽中，然后涂层34被注射到磁体本体32和转子铁芯22之间的间隙中，那么粘度的增大将对在磁体本体32和转子铁芯22之间提供无空隙材料桥接部形成更加显著的障碍。此外，小尺寸的间隙可能会妨碍添加剂颗粒引入到磁性本体32和转子铁芯22之间的间隙中，如果外部涂层在磁体本体32插入之后注射到狭槽中，那么颗粒添加剂的均匀分散将难以实现。[0036]当将具有环氧材料外部涂层34的磁体28、30安装在加热的转子铁芯22中时，夕卜部涂层34可以有利地为B-阶段环氧树脂。要注意的是，通常是指A-阶段、B-阶段和C-阶段热固性树脂，其中A-阶段指的是热固性树脂反应中的早期阶段，在该阶段中树脂是易熔化的，且能够溶解在某些液体中；B-阶段指的是反应中的中间阶段，在该阶段中树脂在加热时软化且在与某些液体接触时膨胀，但是可以不完全熔化或溶解；C-阶段指的是反应的最终阶段，在该阶段中树脂完全固化且相对而言是不可熔化和不可溶解的。在插入到转子狭槽中之后，转子铁芯22的热有利地软化了外部涂层34，并且允许外部涂层流动和完全填充主表面38和叠片边缘之间的间隙，该叠片边缘在转子铁芯22中形成狭槽且面向表面38。或者，可以引入另外的热以软化外部涂层34。换沿着，无论是来自外部源还是来自转子铁芯22的热，都有利地用于使外部涂层34再次流动。然后，允许外部涂层完全固化，即进入C-阶段，从而将磁体本体32粘接到转子铁芯22，并且提供用于将热能从磁体本体32传递到转子铁芯22的手段。
[0037]虽然已经描述了示例性实施例，但是这些教导可以在本发明的精神和范围内进一步修改。因此本申请旨在涵盖采用本发明一般原理的任何变型型式、用途或适应型式。
【权利要求】
1.一种制造电机的方法，其包括: 提供限定了狭槽的铁芯； 在将磁体本体安装到狭槽中之前涂覆磁体本体；以及 将磁体本体安装到狭槽中，其中磁体本体上的涂层具有的热导率为至少大约0.3W.πΓ1.Γ1，有利地为至少大约0.5W.πΓ1.Γ1，更有利地为至少大约2或3W.πΓ1.Γ1，并且其中当磁体本体插入到狭槽中时，该涂层处于部分固化状态。
2.根据权利要求1所述的方法,其中在磁体本体的基本大部分上、在磁体本体和铁芯之间，该涂层形成基本无空隙材料桥接部，并且由此将磁体本体与铁芯热联接。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该铁芯为具有中心孔的转子铁芯，所述方法还包括:加热该转子铁芯，在允许转子铁芯冷却之前，将磁体本体安装在狭槽中且将转子毂安装在中心孔中。
4.根据前述权利要求中任 一项所述的方法制造的电机。
【文档编号】H02K15/03GK103427559SQ201310181991
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年5月16日 优先权日:2012年5月23日
【发明者】C·哈默, B·D·钱伯林 申请人:瑞美技术有限责任公司