[发明专利]具有磁性相和非磁性相的整体式结构

说明书

公开了一种具有整体式结构的磁性构件、具有该磁性构件的横向磁通电机，以及制造该磁性构件的方法。磁性构件的整体式结构包括磁性区域和非磁性区域。磁性区域包括磁性相和电绝缘相。非磁性区域包括非磁性相。磁性相包括金属材料，并且非磁性相包括由金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

关于联邦政府资助的研究和开发的声明

本发明是在美国能源部授予的编号为DE-EE0007755的合同下利用政府支持进行的。政府在本发明中享有某些权利。

技术领域

本说明书的实施例大体上涉及具有整体式结构的磁性构件及形成其的方法。更具体而言，实施例涉及具有磁性区域和非磁性区域的整体式结构的磁性构件，以及形成该磁性构件的方法。

背景技术

对于高功率密度和高效电机(即，电动机和发电机)的需求长期以来普遍用于各种应用，特别是用于混合动力和/或电动交通工具牵引应用。目前，在混合动力/电动交通工具牵引马达应用中，增加转子的旋转速度，以增加电机的功率密度。功率密度的增加导致质量和成本的降低。然而，认识到，在电机用于混合动力/电动交通工具中的牵引应用时，在功率密度、效率以及机器的恒定功率速度范围之间存在明确的权衡考虑。这种权衡考虑带来了许多设计挑战。

双相软磁性材料为能够从铁磁性相局部转变成具有接近一个单位(unity)的磁导率的非铁磁性(顺磁性)相的材料。该功能性使得机器设计者能够改进对电机中的转子和定子的磁极之间的磁通链接的控制。与利用常规软磁性材料(如硅钢)制造的机器相比，这在机器的功率输出和效率方面为有益的。

常规上，双相软磁性材料制造为轧制板，其形成为用于随后组装到电机中的薄层压板。因此，层压板中的磁通路径为二维的，并且局限于层压板的平面。不局限于层压板的平面的磁通路径的部分将导致层压板中的不可接受的大的涡流损耗。此外，不局限于层压板的平面的磁通路径的部分可被引导通过层压板之间存在的气隙，对于越过由层压板限定的气隙的磁通的需要将增加驱动机器的磁路的磁阻。因此，在定子绕组中将需要更大的电流，这也将导致定子绕组中的不可接受的大的电阻损耗。本说明书的实施例解决了这些及其它需求。

发明内容

根据本说明书的一个方面，公开了一种具有整体式结构的磁性构件。磁性构件的整体式结构包括磁性区域和非磁性区域。磁性区域包括磁性相和电绝缘相。非磁性区域包括非磁性相。磁性相包括金属材料，并且非磁性相包括由金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

根据本说明书的另一方面，公开了一种横向磁通电机。横向磁通电机包括定子极，其构造成围绕定子线圈沿轴向偏斜的方向传输磁通。定子极具有整体式结构。磁性构件的整体式结构包括磁性区域和非磁性区域。磁性区域包括磁性相和电绝缘相。非磁性区域包括非磁性相。磁性相包括金属材料，并且非磁性相包括由金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

根据本说明书的另一方面，公开了一种制造磁性构件的方法。方法包括使用金属材料执行增材制造技术以形成具有整体式结构的磁性构件，该整体式结构具有处于磁性状态的金属材料。执行整体式结构的选定区域的受控氮化，以将选定区域中的金属材料转变成氮化金属材料，使得整体式结构包括磁性区域和非磁性区域。磁性区域包括磁性相和电绝缘相。非磁性区域包括非磁性相。磁性相包括金属材料，并且非磁性相包括氮化金属材料。

技术方案1. 一种磁性构件，包括：

整体式结构，其包括磁性区域和非磁性区域，其中

所述磁性区域包括磁性相和电绝缘相；并且

所述非磁性区域包括非磁性相，并且其中所述磁性相包括金属材料，并且所述非磁性相包括由所述金属材料的受控氮化形成的氮化金属材料。

技术方案2. 根据技术方案1所述的磁性构件，其特征在于，所述非磁性相包括大于所述氮化金属材料的0.1重量百分比的氮含量。