[发明专利]导电转子的压铸

说明书

技术领域

本发明总体涉及电动机及其制造，并且更具体地，涉及铸造电感应电动机的转子的方法。

背景技术

电感应电动机的一种形式包括被缠绕有线圈的恒定场(定子)包围的旋转转子(转子)。当电流通过定子绕组时，被称为“极”(其可由导磁材料制成，如铁)的一部分定子因其周围缠绕有绕组而被磁化，该“极”又向转子施加电磁力，使转子旋转。在起动应用中，可用连接至转子的轴通过旋转一个或多个所连接的车轮，而向车辆提供推进力。这样的电动机尤其应用于完全依靠电能的车辆或将电能作为混合动力系统的一部分的车辆中，在混合动力车辆中，电动机和内燃机(如传统的汽油机或柴油机)相互协作以产生动力。

鼠笼式转子是电感应电动机的常见示例，其由其鼠笼式样的圆柱形状而得名，其中数个金属转子线棒或杆纵向延伸并且围绕旋转中心轴线的圆柱形外周间隔设置。通过金属端环以相互之间固定的关系保持这些线棒，使得相邻的线棒和所连接的端环形成数个线圈状的电流连续回路。因为转子靠近定子，所以在定子中产生的磁场的变化在由线棒和端环形成的高导电回路中感生电流。该电流将转子变成电磁铁，该电磁铁有将自己与定子中产生的磁场调准的趋势，因而可旋转。为了增加转子的磁场强度，一系列叠压板(通常由具有比空气更低的磁阻(即更加导磁)的材料制成，如铁)被安装在轴或相关的主轴上以使它们几乎占据位于轴和由线棒和端环形成的鼠笼之间的全部空间。通常，内锁的冲压工艺或松散叠压(loose laminations)可用于将每个板固定在一起。而且，低导电率材料(例如，涂层)可用于最小化板与板之间的电接触。形成叠片组的板和流过鼠笼的各回路的电流一起加强由转子的回路产生的磁场，并增加由所连接的轴产生的转矩至更高水平。为了将所产生的转矩保持在相对恒定的水平，构成鼠笼的线棒可以偏斜以限定稍稍螺旋形状而非严格的纵向形状。在一种形式中，线棒和端板都是独立形成的结构，它们通过已知的技术连结在一起。至于叠片组的板之间的连接，可以用不导电的粘合剂来将线棒固定在叠压的板的槽中。

在另一常见的形式中，在组装完叠压板结构之后，可将纵向金属线棒直接铸造到槽中。铸造形成鼠笼式转子相对于用独立部件组装形成鼠笼式转子具有优势，因其减少了成本和与组装部件相关的制造偏差。关于上述所形成的转子，可以期望用高导电率材料(如铜或铝)形成所述铸造线棒。用铸造方法制造转子的鼠笼通常采用高压压力铸造或压实铸造。对于压力铸造，熔融金属在高压下被驱使流入可再利用的压型模具，该模具通常由工具级钢制成。该过程是非常公知的，且成本相对不高。对于压实铸造，将熔融金属以更高的压力在更低的、具有更少湍流的速度压射入压型，该压型也通常由工具级钢制成。

不利的是，上述任一种形式的鼠笼式转子的铸造都具有缺点。特别是，因为在叠片组中形成的通道(这些通道限定了用于纵向线棒的槽)的截面尺寸通常非常小(例如，大约为2毫米)，所以需要非常大的压力(通常在2000至5000磅/平方英寸表压(PSIG))。上述压力虽然促进了较快(约为十分之一秒)的填注时间，但也在相对狭长的通道中以及在端环中导致较高的熔融流动湍流和相关的气体卷入。需要特别留意在构成转子的鼠笼的线棒和端环中增多的疏松，尤其是在远离熔融金属压射位置的远端。因为鼠笼式转子的性能与线棒和端环之间的电连续性密切相关，所以这样的疏松是不期望的。同样成问题的是疏松对铸造转子机械性质的影响，还是尤其在远离模具浇口和相关的流体引入的端部。对直径高达约8英寸、并以10000至15000转/分(RPM)旋转的转子来说，疏松端环将比全致密端环更容易故障。

如上所述，压力铸造和压实铸造都使用钢模具，同时因基本上纯的铝相比于铜来说具有高导电率和低成本，因此其常被用作转子的鼠笼的铸造材料。当上述熔融形式的铝与工具级钢制的压力铸造或压实工具压型组接触时，其将强烈地冲击压型中的铁。因此，上述压型组(其更换成本高)的使用寿命相当有限。

使用半固金属(SSM)铸造是近来的替换方式。不使用液态金属，SSM铸造工艺使用半固态半液态的金属，其中金属的连续性允许其被以相对较低的压力压射入压型中。SSM虽然相对于上述方法减小了最终部件的疏松的可能性，但包括了复杂的混合或振动以利用材料的触变性质，因此是昂贵的。而且，SSM对于高纯铝、铜或其合金来说非常难控制，这些金属或合金通常具有非常有限的固化范围。

传统的铸造技术的另一问题是在任一通道中的熔融金属都有在穿过形成在叠片组中的狭窄通道并进入远端环之前固化(即凝固)的趋势。这个趋势在当叠片组的温度相对较低时更为明显，这同样易起到对流动熔融金属的热沉的作用。