專利名稱：導電轉子的壓鑄的制作方法
技術領域：
本發明總體涉 及電動機及其制造，并且更具體地，涉及鑄造電感應電動機的轉子 的方法。
背景技術：
電感應電動機的一種形式包括被纏繞有線圈的恒定場(定子)包圍的旋轉轉子 (轉子)。當電流通過定子繞組時，被稱為“極”(其可由導磁材料制成，如鐵)的一部分定 子因其周圍纏繞有繞組而被磁化，該“極”又向轉子施加電磁力，使轉子旋轉。在起動應用 中，可用連接至轉子的軸通過旋轉一個或多個所連接的車輪，而向車輛提供推進力。這樣的 電動機尤其應用于完全依靠電能的車輛或將電能作為混合動力系統的一部分的車輛中，在 混合動力車輛中，電動機和內燃機(如傳統的汽油機或柴油機)相互協作以產生動力。鼠籠式轉子是電感應電動機的常見示例，其由其鼠籠式樣的圓柱形狀而得名，其 中數個金屬轉子線棒或桿縱向延伸并且圍繞旋轉中心軸線的圓柱形外周間隔設置。通過金 屬端環以相互之間固定的關系保持這些線棒，使得相鄰的線棒和所連接的端環形成數個線 圈狀的電流連續回路。因為轉子靠近定子，所以在定子中產生的磁場的變化在由線棒和端 環形成的高導電回路中感生電流。該電流將轉子變成電磁鐵，該電磁鐵有將自己與定子中 產生的磁場調準的趨勢，因而可旋轉。為了增加轉子的磁場強度，一系列疊壓板(通常由具 有比空氣更低的磁阻(即更加導磁)的材料制成，如鐵)被安裝在軸或相關的主軸上以使 它們幾乎占據位于軸和由線棒和端環形成的鼠籠之間的全部空間。通常，內鎖的沖壓工藝 或松散疊壓(loose laminations)可用于將每個板固定在一起。而且，低導電率材料(例 如，涂層)可用于最小化板與板之間的電接觸。形成疊片組的板和流過鼠籠的各回路的電 流一起加強由轉子的回路產生的磁場，并增加由所連接的軸產生的轉矩至更高水平。為了 將所產生的轉矩保持在相對恒定的水平，構成鼠籠的線棒可以偏斜以限定稍稍螺旋形狀而 非嚴格的縱向形狀。在一種形式中，線棒和端板都是獨立形成的結構，它們通過已知的技術 連結在一起。至于疊片組的板之間的連接，可以用不導電的粘合劑來將線棒固定在疊壓的 板的槽中。在另一常見的形式中，在組裝完疊壓板結構之后，可將縱向金屬線棒直接鑄造到 槽中。鑄造形成鼠籠式轉子相對于用獨立部件組裝形成鼠籠式轉子具有優勢，因其減少 了成本和與組裝部件相關的制造偏差。關于上述所形成的轉子，可以期望用高導電率材料 (如銅或鋁)形成所述鑄造線棒。用鑄造方法制造轉子的鼠籠通常采用高壓壓力鑄造或壓 實鑄造。對于壓力鑄造，熔融金屬在高壓下被驅使流入可再利用的壓型模具，該模具通常由 工具級鋼制成。該過程是非常公知的，且成本相對不高。對于壓實鑄造，將熔融金屬以更高 的壓力在更低的、具有更少湍流的速度壓射入壓型，該壓型也通常由工具級鋼制成。不利的是，上述任一種形式的鼠籠式轉子的鑄造都具有缺點。特別是，因為在疊片 組中形成的通道(這些通道限定了用于縱向線棒的槽)的截面尺寸通常非常小(例如，大 約為2毫米)，所以需要非常大的壓力(通常在2000至5000磅/平方英寸表壓(PSIG))。上述壓力雖然促進了較快(約為十分之一秒)的填注時間，但也在相對狹長的通道中以及 在端環中導致較高的熔融流動湍流和相關的氣體卷入。需要特別留意在構成轉子的鼠籠的 線棒和端環中增多的疏松，尤其是在遠離熔融金屬壓射位置的遠端。因為鼠籠式轉子的性 能與線棒和端環之間的電連續性密切相關，所以這樣的疏松是不期望的。同樣成問題的是 疏松對鑄造轉子機械性質的影響，還是尤其在遠離模具澆口和相關的流體引入的端部。對 直徑高達約8英寸、并以10000至15000轉/分(RPM)旋轉的轉子來說，疏松端環將比全致 密端環更容易故障。如上所述，壓力鑄造和壓實鑄造都使用鋼模具，同時因基本上純的鋁相比于銅來 說具有高導電率和低成本，因此其常被用作轉子的鼠籠的鑄造材料。當上述熔融形式的鋁 與工具級鋼制的壓力鑄造或壓實工具壓型組接觸時，其將強烈地沖擊壓型中的鐵。因此，上 述壓型組(其更換成本高)的使用壽命相當有限。使用半固金屬(SSM)鑄造是近來的替換方式。不使用液態金屬，SSM鑄造工藝使 用半固態半液態的金屬，其中金屬的連續性允許其被以相對較低的壓力壓射入壓型中。SSM 雖然相對于上述方法減小了 最終部件的疏松的可能性，但包括了復雜的混合或振動以利用 材料的觸變性質，因此是昂貴的。而且，SSM對于高純鋁、銅或其合金來說非常難控制，這些 金屬或合金通常具有非常有限的固化范圍。傳統的鑄造技術的另一問題是在任一通道中的熔融金屬都有在穿過形成在疊片 組中的狹窄通道并進入遠端環之前固化(即凝固)的趨勢。這個趨勢在當疊片組的溫度相 對較低時更為明顯，這同樣易起到對流動熔融金屬的熱沉的作用。因此，需要提供一種用于形成感應電動機鼠籠式轉子的鑄造方法，該方法減少了 疏松及其相關的轉子機械和導電性質降低的發生。還需要保持上述鑄造方法的成本較低。

發明內容
本發明滿足上述需要，其中公開了包含下述特征的方法和裝置。根據本發明的第 一方面，公開了鑄造鼠籠式轉子的方法。該方法包括形成圍繞所述電動機的疊片組部分 的模具；加熱所述疊片組；將熔融金屬引入所述模具內，冷卻所述熔融金屬和所述疊片組， 使得所述鼠籠式轉子固化；和從所述模具中取出基本固化的轉子。在本文中，術語“基本” 指的是一系列元件或特征，雖然理論上期望其表現出精確的響應或行為，但其實際表現可 以稍稍不精確。因此，該術語表示數量值、測量結果或其它相關表達可以與規定值不同，但 仍能保持所討論的主題的基本功能。本工藝的重要部分是其使用了更低的給料壓力(低于 30PSIG，相比于傳統的2000至5000PSIG)以避免產生湍流和相關的卷入氣體以及隨之而來 的疏松；以及加熱疊片組以為其提供足夠的熱量以避免過早的鋁凝固，使得熔融金屬基本 注滿疊片組內形成的相應于鼠籠式轉子的鼠籠部分的空間，加熱后的疊片組具有足夠的熱 量以將熔融金屬保持在基本熔融狀態，直到基本形成鼠籠整體。用于形成轉子的模具包括 限定了近端環、遠(或遠距離)端環和數個用于形成轉子線棒的通道的型腔，所述通道在兩 個端環型腔之間建立流體連通。該模具可以圍繞轉子板的疊片組形成。可選擇地，熔融金屬優選為高純鋁、高純銅或它們的合金。而且，圍繞疊片組的鑄 造模具由砂芯組件構成。砂芯粘結劑可以由有機粘結劑和無機粘結劑制成。在更具體的形 式中，砂基混合物可以包括高達約2%重量比的粘結劑材料。將型砂/粘結劑材料引入型芯盒，然后根據粘結劑選擇催化劑或加熱的方式使其硬化。然后將硬化的型砂/粘結劑混合物從型芯盒中取出，得到砂芯。引入型砂/粘結劑混合物的型芯盒型腔具有砂芯所需要的 幾何形狀。組裝具有正確幾何形狀的砂芯以得到鑄造模具。鑄造幾何形狀由用于構成鑄造 模具的砂芯的幾何形狀形成。在其它變形中，圍繞疊片組形成的模具由帶涂層的鋼工具制 造，其中所述涂層能保護鋼工具不與澆注的熔融金屬的直接接觸。這樣的配置被認為是半 永久工具。對于砂型鑄造形狀，可以使用半永久工具的內部砂芯以允許感應加熱。在另外的選擇中，在加熱疊片組和引入熔融金屬到模具內部之間的時間相當短， 并且根據所要形成的轉子的尺寸，優選少于2分鐘(對于更大的轉子可以稍微延長)。而 且，加熱系統可以在裝料過程中保持加熱。加熱是重要步驟，因為在熔融金屬是基本純的鋁 (或具有類似的機械性質和導電性質的鋁)的情況中，優選使熔融金屬將在其內部形成線 棒和兩個端環的疊片組保持在升高的溫度以確保流過形成在疊片組中的狹長的槽的熔融 金屬保持處于熔融狀態，因為否則將可能發生槽阻塞。優選利用約1至3秒將熔融金屬引入 模具，但應當理解，對于更大的鼠籠，該時間可以稍微延長。這比傳統時間要長，傳統時間通 常是幾分之一秒(如約十分之一秒)，并且這允許更少湍流。在一種形式中，在準備接收熔 融金屬時，將疊片組的溫度加熱到800至1200華氏溫度之間。而且，在有分段感應加熱桿 的情況下，本發明的方法可以向沿著疊片組長度的疊片組的不同部位施加不同的溫度。例 如，可以將形成端環的部位加熱到與槽的溫度不同的溫度。同樣，沿著槽的長度的溫度也可 以變化。形成在模具中以限定鼠籠的型腔包括相對彼此軸向設置的一對端環和數個基本 縱向的線棒，線棒從所述一對端環的第一個端環延伸到所述一對端環的第二個端環，使得 所述線棒和所述端環限定多個連續的電流回路。如上所述，線棒可以相對于鼠籠的軸向尺 寸稍微偏斜以促進所產生的轉矩的更光滑的分布。疊片組具有數個圍繞疊片組外周分布的 基本軸向延伸的狹槽。當所述熔融金屬被引入到模具時，金屬流入槽中以形成線棒，線棒在 固化時(如通過冷卻)形成與疊片組協作的圓柱形鼠籠結構。如上所述，加熱疊片組確保 流過狹槽的窄且細長的槽道的熔融金屬不過早凝固。用于加熱疊片組的一種方式包括感應 加熱。更特別地，所述感應加熱可以通過將加熱元件(如感應線圈)放入沿著疊片組的軸 向中心形成的中心軸孔內而實現。雖然加熱可以在將疊片組放入模具之前進行，但在優選 實施方式中，也可以一將疊片組放入模具后就進行這樣的加熱。在更具體的實施方式中，將熔融金屬引入模具包括使用低壓源。在本文中，術語 “低壓”包括這樣的值，這些值必須確保熔融金屬完全流入形成在模具和疊片組之間的縱向 線棒和端環的所有部分，但又不大到出現不同于熔融金屬靜態時的疏松程度。如上所述，約 為2000PSIG或更多的熔融金屬引入壓力遠遠大于本文中稱為“低壓”的引入壓力。換句話 說，通過低壓源引入熔融金屬意味著熔融金屬處于更少湍流的狀態。用這種方法，金屬在冷 卻和固化時基本是無疏松的。事實上，雖然發明人已經發現約10PSIG的壓力值大致足以實 現期望的熔融金屬流動，但他們認為高達約30PSIG的壓力值也可使用并可認為是“低壓”。 在一種形式中，低壓源可以是低壓爐、泵、重量給料器或它們的組合。例如，如果是泵，該低 壓源可以是傳統的機電裝置、氣動裝置或液壓裝置。根據本發明另一方面，公開了用于鑄造電動機轉子的方法。該方法包括形成圍繞 疊片組的模具；加熱所述疊片組至足夠量以使引入所述疊片組內的熔融金屬保持基本熔融狀態，至少直到基本上形成與所述疊片組協作的鼠籠整體；對所述熔融金屬加壓至足夠量 以使其流過具有與形成在所述疊片組一端的第一端環基本相應的形狀的型腔、形成在所述 疊片組中的多個槽和具有與形成在所述疊片組相對端的第二端環基本相應的形狀的型腔， 使得所述熔融金屬基本上填滿兩個型腔和所述多個槽，以在所述熔融金屬固化時由鼠籠和 所述疊片組一體形成所述轉子；冷卻所述熔融金屬和所述疊片組；和從所述模具中取出所 述轉子。可選擇地，加壓包括加壓熔融金屬至不超過約30PSIG，其中在更具體的選擇中，加 壓量可小于約10PSIG。如上所述，所述加壓可以主動進行(如用泵)，或也可以被動實現 (如通過能提供足夠的凈壓吸頭(NPSH)的重力給料器)。在另一選擇中，熔融金屬包括鋁 基合金或基本純的鋁中的一種。而且，所述加熱所述疊片組至足夠量以維持引入所述疊片 組內的熔融金屬基本 處于熔融狀態還包括對于中級鑄造，在所述熔融金屬流過所述多個 槽時，維持所述疊片組處于約300和800華氏溫度之間的溫度；對于高級鑄造，維持約800 和1200華氏溫度之間的溫度。在本文中，高級鑄造是幾乎完全無疏松的，而中級鑄造可以 在鑄件的中間環或相關厚度部分中有一些小疏松。根據本發明的又一方面，公開了將熔融鋁澆注入形成在電動機轉子的疊片組中的 數個槽的方法。該方法包括形成圍繞疊片組的模具；加熱所述疊片組；至少維持所述疊片 組的靠近所述多個槽的部分處于足夠高的溫度以至少在足夠長的時間內保持所述熔融鋁 處于所述熔融狀態，使所述熔融鋁穿過所述多個槽；向所述熔融鋁施加足夠的壓力以迫使 其通過所述多個槽；使所述熔融鋁流過所述多個槽；冷卻所述熔融鋁和所述疊片組，使得 它們一起協作將所述轉子形成為一體成形的轉子；和從所述模具中取出所述轉子。可選擇地，加熱所述疊片組可以以沿著所述疊片組的均勻溫度實現，或者以沿著 所述疊片組長度的溫度梯度實現。在任一種方式中，都可以使用感應加熱裝置(例如感應 加熱桿)來向疊片組施加熱量。在另一選擇中，對于高級鑄造可以維持溫度在至少約800華 氏溫度。而且，認為足夠的壓力值是至少約10PSIG。而且，這樣的壓力可使用重力給料器、 泵和爐中的一個或多個實現。如前述各方面所述，本發明避免使壓力太高，所以避免了氣體 卷入和疏松形成的其它標記。如前述各方面所述，模具可由砂基材料制成以形成砂基結構。 而且，粘結劑可為模具提供更多的永久、自支撐結構。技術方案1 一種制造用于電動機的鼠籠式轉子的方法，所述方法包括形成圍繞所述電動機的疊片組部分的模具；加熱所述疊片組；將熔融金屬弓I入所述模具內，使得所述熔融金屬基本填滿在所述疊片組內限定的 空間，該空間對應于所述轉子的鼠籠，加熱后的所述疊片組具有足夠的熱量以將所述熔融 金屬保持基本熔融狀態，直到形成大致鼠籠整體；冷卻所述熔融金屬和所述疊片組，使得所述轉子基本固化；和從所述模具中取出基本固化的轉子。技術方案2 如技術方案1所述的方法，其中所述形成圍繞疊片組的模具包括用可 流動的鑄造介質基本包圍所述疊片組。技術方案3 如技術方案2所述的方法，其中所述可流動的鑄造介質包括型砂和粘 結劑的混合物。
技術方案4:如技術方案3所述的方法，其中所述粘結劑包括有機粘結劑和無機粘 結劑的至少一種。技術方案5 如技術方案1所述的方法，其中所述形成圍繞疊片組的模具包括用帶 涂層的鋼工具基本包圍所述疊片組。技術方案6 如技術方案1所述的方法，其中在所述將熔融金屬引入所述模具內期間，由于所述加熱，所述疊片組的溫度在約800華氏溫度和約1200華氏溫度之間。技術方案7 如技術方案1所述的方法，其中在所述將熔融金屬引入所述模具內期 間所述加熱持續進行。技術方案8 如技術方案1所述的方法，其中所述模具成形為使得在其中形成的限 定所述鼠籠的型腔包括相對彼此軸向設置的一對端環和從所述一對端環的第一個端環延 伸到所述一對端環的第二個端環的多個基本縱向的線棒，使得所述基本縱向的線棒和所述 一對端環限定多個連續的電流回路。技術方案9 如技術方案8所述的方法，其中所述疊片組限定基本沿縱向延伸并圍 繞所述疊片組的外周設置的多個狹槽，以使所述多個基本縱向的線棒的每一個線棒都形成 在所述多個狹槽的相應一個狹槽中。技術方案10 如技術方案1所述的方法，其中所述加熱所述疊片組包括感應加熱。技術方案11 如技術方案10所述的方法，其中所述感應加熱包括將加熱元件放入 限定在所述疊片組的大致中心內的中心軸孔中。技術方案12 如技術方案1所述的方法，其中一旦將所述疊片組放入所述模具內 就進行所述加熱。技術方案13 如技術方案1所述的方法，其中引入所述模具的熔融金屬包括鋁基 金屬、銅基金屬或它們的組合物。技術方案14 如技術方案1所述的方法，其中所述鋁基金屬包括基本上純的鋁。技術方案15 如技術方案1所述的方法，其中所述引入包括使用低壓源以使在將 所述熔融金屬弓I入所述模具時，基本上沒有疏松。技術方案16 如技術方案15所述的方法，其中所述低壓源包括低壓爐、泵和重力 給料器中的至少一個。技術方案17 如技術方案16所述的方法，其中所述低壓源構造成以低于30磅/平 方英寸表壓將所述熔融金屬輸送進入所述模具。技術方案18 —種鑄造用于電動機的轉子的方法，所述方法包括形成圍繞疊片組的模具；加熱所述疊片組至足夠量以使引入所述疊片組內的熔融金屬保持基本熔融狀態， 至少直到基本上形成與所述疊片組協作的鼠籠整體；對所述熔融金屬加壓至足夠量以使其流過具有與形成在所述疊片組一端的第一 端環基本相應的形狀的型腔、形成在所述疊片組中的多個槽和具有與形成在所述疊片組相 對端的第二端環基本相應的形狀的型腔，使得所述熔融金屬基本上填滿兩個型腔和所述多 個槽，以在所述熔融金屬固化時由鼠籠和所述疊片組一體形成所述轉子；冷卻所述熔融金屬和所述疊片組；和從所述模具中取出所述轉子。
技術方案19 如技術方案18所述的方法，其中所述加壓包括對所述熔融金屬加壓 至不超過30磅/平方英寸表壓。技術方案20 如技術方案18所述的方法，其中所述熔融金屬包括鋁基合金或基本 上純的鋁。技術方案21 如技術方案20所述的方法，其中所述加熱所述疊片組至足夠量以使 引入所述疊片組內的熔融金屬保持基本熔融狀態還包括對于中級鑄造，在所述熔融金屬 流過所述多個槽時，維持所述疊片組處于至少約300華氏溫度；對于高級鑄造，維持所述疊 片組處于至少約800華氏溫度。技術方案22 —種將熔融鋁澆鑄到形成在用于電動 機轉子的疊片組中的多個槽 內的方法，所述方法包括形成圍繞疊片組的模具；加熱所述疊片組；使至少所述疊片組的靠近所述多個槽的部分維持足夠的溫度以將所述熔融鋁保 持在所述熔融狀態至少足夠長的時間，以使所述熔融鋁穿過所述多個槽；向所述熔融鋁施加足夠的壓力以迫使其通過所述多個槽；使所述熔融鋁流過所述多個槽；冷卻所述熔融鋁和所述疊片組，使得它們一起協作將所述轉子形成為一體成形的 轉子；和從所述模具中取出所述轉子。技術方案23 如技術方案22所述的方法，其中所述維持的溫度是至少約300華氏溫度。技術方案24 如技術方案23所述的方法，其中所述足夠的壓力包括小于30磅/平 方英寸表壓。技術方案25 如技術方案24所述的方法，其中所述足夠的壓力包括小于10磅/平 方英寸表壓。技術方案26 如技術方案22所述的方法，還包括使用重力給料器、泵和爐中的至 少一個來獲得施加到所述熔融鋁的所述足夠壓力。技術方案27 如技術方案22所述的方法，其中所述模具包括砂基結構。技術方案28 如技術方案22所述的方法，其中所述模具包括帶涂層的鋼工具結 構。技術方案29 如技術方案22所述的方法，其中所述加熱所述疊片組包括沿著所述 疊片組的軸向尺寸以均勻溫度加熱所述疊片組。技術方案30 如技術方案22所述的方法，其中所述加熱所述疊片組包括沿著所述 疊片組的軸向尺寸以溫度梯度加熱所述疊片組。技術方案31 如技術方案30所述的方法，其中通過感應加熱設備將所述溫度梯度 施加至所述疊片組。


在結合下列附圖閱讀時可以最充分地理解本發明的下列具體描述，其中相同的參考數字表示相同的結構。其中圖1是電動機的示意剖視圖，具體地示出了定子和鼠籠式轉子之間的關系，其中該轉子可根據本發明制造；圖2示出了圖1的電動機的轉子，突出了鼠籠的端環與縱向線棒之間的連接，以及疊片組在鼠籠中的布置；圖3示出了鼠籠的基本結構，其中構成疊片組的大多數板被去除以突出由線棒和 端環形成的線圈回路；圖4A示出了用于生產圖1的鑄造轉子的工具的配置；圖4B示出了沿圖4A的線B-B截取的澆口型芯的俯視圖；圖5示出了使用采用了本發明的鑄造鼠籠式轉子的電動機以滿足至少部分車輛 推進需求的車輛；以及圖6示出了電力可變汽車變速器結構，其可包括根據本發明制造的電動機并可用 于圖5的車輛中。
具體實施例方式先參照圖1，示出了電動機1，其中轉子10響應于來自定子30的磁場的變化而旋 轉。轉子10安裝在軸或心軸20上使得轉子10的旋轉運動能被轉化成有用功。例如，在軸 20的一端形成的齒24可以用于與互補表面相互作用以旋轉車輪、滑輪、風扇或類似物。電 動機1被稱為感應電機，在示出的構造中轉子10與定子30彼此不接觸，其中在適當構造的 結構中電流和磁通的互感原理是公知的。外殼40用于容納轉子10和定子30，同時可旋轉 的軸20可通過一個或多個軸承22固定至外殼40，軸承22可與端板42相互作用，端板42 與外殼40 —起形成或以其它方式固定在外殼40上。如所看到的，定子30包括由數個磁場 線圈34包圍的透磁磁極32。磁極32可組裝成單個板的疊層板(將在下面結合轉子10具 體討論)，該疊層板在電流通過磁場線圈34的繞組時起電磁鐵的作用。與線圈34的初始連 接可以來自外部電源，如輸電線、發電機、電池或其它常規電源。接著參照圖2和3，轉子10經常被稱為鼠籠式轉子，并包括第一端環11、第二端環 12和多個轉子線棒13，第二端環12相對于第一端環11軸向隔開設置以限定大致圓柱形形 狀，多個轉子線棒13圍繞圓柱形形狀的外周在端環11和12之間大致縱向地延伸。由于使 用電力，線棒13和端環11與12中的每一個都由導電材料制成，以使轉子線棒13與端環11 和12的連接形成數個大致矩形形狀的電流回路14。在轉子10內的線棒13與端環11和 12之間的空間中放置透磁材料(例如鐵)，使得通過回路14的電流在轉子10中感應更強 的磁通。優選地，放置在線棒13與端環11和12之間的材料由數個疊壓的板構成，該數個 疊壓的板通過互鎖或鑄造保持在一起并被安裝在軸20上。該構造被稱為疊片組15、疊片 組件或其它變化的名稱。因為線棒13與端環11和12的導電性都遠大于疊片組15的導電 性，所以絕大多數的電流流過由線棒13與端環11和12形成的連續回路14。因此，根據來 自裝配在定子30內的鄰近(但不接觸的)電磁鐵的磁場的周期變化，回路14中電流的往 復通過使得疊片組15起電磁鐵的作用以迫使轉子10旋轉，從而帶動每個部分16根據其與 鄰近磁極32的極性相反或相同而朝向或遠離定子30上的相應的鄰近磁極32。如圖1和2 中所示，部分16的外表面限定了基本光滑的輪廓，因為該輪廓沿著與線棒13與端環11和12相同的徑向路徑設置，所以該輪廓有助于限定轉子10的大致圓柱形形狀。具體參照圖3，示出了用于形成鼠籠式轉子10的鼠籠的部件，其中為了清楚起見， 移除了構成疊片組15的大多數板。事實上，僅示出了三個板15A、15B和15C，每個板都具有 形成在板外周的槽17，所述槽17相對于彼此以一定距離間隔設置以使所述槽17能容納將 形成在其中的縱向線棒13。如上所述，端環11、12和轉子線棒13通過向將其鑄造到形成在 疊片組15的板中的槽17內的方式形成。如圖2和3(以及圖1)所示，縱向線棒13相對于 轉子10的縱向軸線(其基本與軸20重合)稍微偏斜，以使施加到疊片組15和軸20的轉 矩分布更加均勻。突出顯示了一個回路14，以示出在交替的電磁周期的一部分期間電流可 能流過的理論路徑(notional path)(由箭頭示出)。接著結合圖3參照圖4A和4B，示出了包含用于垂直鑄造鼠籠式轉子10的模具100 的工具配置。如在砂鑄領域所公知的，與橫澆道型芯/關閉型芯(shut off core) 160相應 的下模和與疊片組型芯150相應的上模限定了模具100 (也稱為模具組件)內的型腔的下 部和上部，其中框架或相關外殼限定了相應的疊片組型芯150半邊和澆口型芯140半邊，疊 片組型芯150半邊和澆口型芯140半邊在將熔融金屬注入模具100時容納型砂并向型砂提 供支撐。橫澆道型芯/關閉型芯160豎直地位于澆口型芯140和疊片組型芯150的下方， 并用于將熔融金屬引入模具100。型腔形成在位于疊片組15正上方和正下方的型芯150和 140內，而砂芯都用獨立的型芯盒(未示出)制成。型砂和樹脂的混合物被吹入型芯盒，同 時加入催化 劑以硬化該混合物。從型芯盒中取出硬化的樹脂型砂混合物，現在該樹脂型砂 混合物可用作砂芯以與其它砂芯一起構成用于鑄造的模具100。在優選的形式中，疊片組型 芯150和澆口型芯140都是砂型，但也可以由工具鋼制成。疊片組15形成被放入模具100 內并由型砂包圍的模型的一部分。與一些犧牲模型的鑄造技術(例如殼鑄造、熔模鑄造和 其它形式的砂型鑄造)不同，疊片組15成為最終產品的一部分。在上述示例中，用傳統的 型芯制造過程生產橫澆道型芯/關閉型芯160和澆口型芯140 (以及疊片組型芯150)，其 中將橫澆道型芯/關閉型芯160和澆口型芯140組裝在一起。可以在疊片組座170中放置 和使用對準銷(未示出)以幫助疊片組在澆口型芯140上的設置。一旦疊片組15被放置 在澆口型芯140上后，將疊片組型芯150放置在疊片組15上并且去除對準銷(如果需要)。 如上所述，砂芯是剛性的且在模具組件前形成，以使疊片組15可被放置在硬化的模具結構 中。用于冒口柱110、橫澆道120和關閉板135的通道形成在砂芯內以允許金屬流入模具 100，其中關閉板135位于作為橫澆道型芯/關閉型芯160的一部分的狹槽130內。關閉板 135可插入在狹槽130內以在模具100注滿后選擇地切斷熔融金屬流。如圖所示，冒口柱110是低壓爐或泵系統180的一部分，低壓爐或泵系統180從供 應源190獲取熔融的原料。可用爐或相關的熱源195使金屬原料的溫度升高到足以將金屬 轉化成熔融狀態或將金屬維持在熔融狀態。橫澆道型芯/關閉型芯160將供應源190流體 地連接到澆口 165，澆口 165通常均設計具有特定位置和尺寸并與該部分連接。一旦準備好 模具100以后，來自供應源190的熔融金屬通過冒口柱110至橫澆道120且通過位于澆口 型芯140內的澆口 165被注入到模具100。在一種結構中，疊片組15和用于形成端環11、 12和線棒13的型腔位于澆口型芯140和疊片組型芯150之間。例如，其設置在中間；但是， 上述設置不是本發明的必要部分，因為模具100可以在其它適合的位置分開。當熔融金屬 通過位于狹槽130內的關閉板135被注入時，它首先被引向低(即第一)端環型腔11，并且在該型腔被注滿后，熔融金屬開始向上被注入轉子狹槽17以形成轉子線棒13。因為狹槽 17都同時被注滿，所以熔融金屬同時上升并進入上(即第二)端環型腔12。在該型腔注滿 后，關閉板135 (型砂的或金屬的)被插入關閉狹槽130內。這允許從爐的冒口柱110取下 模具100。在泵系統的情況中，爐的冒口柱110可由電加熱流槽管代替。在注入的金屬冷卻到足以固化后，可以沿著澆口型芯140、疊片組型芯150和橫澆 道型芯/關閉型芯160將模具100分離，并且在去除型砂以露出鑄造部件，可以用傳統的分 離技術(如鋸或折斷相對較薄的部位)將該鑄造部件與橫澆道120分離。如上所述，本領 域技術人員應當理解，可以用本發明形成其它可替代的鼠籠式轉子10的設計，例如具有與 軸20的軸線嚴格對齊的線棒的轉子、以及線棒具有未特別說明或描述的其它形狀的轉子。 而且，雖然所示出和描述的方法是在垂直鑄造的情況下實施的，應當理解，熔融金屬可以以 其它取向被注入模具100，而不脫離本發明的范圍。例如，可以在第二端環型腔12的頂面向 上添加的小孔形式的傳統排氣口(未示出)。使用少量壓力(象征性地示為通過由泵180提供)以促進熔融金屬注入模具，但 該壓力要遠小于傳統鑄造中所使用的壓力。通過保持壓力處于低水平，熔融金屬被充分注 入，同時維持基本無湍流的靜流動的熔融金屬流。該更低的壓力可將注入時間從幾分之一 秒(例如，約十分之一秒)變為不超過二或三秒。一旦金屬冷卻以后，就形成了如圖1所示 的鼠籠式轉子10。它可從模具100中取出。如上所述，在模具100被打開并取出鑄造轉子 10時，各種犧牲熔融金屬流動路徑(如澆口 165和橫澆道120)可被機械地破壞，或者也可 以通過鋸或其它方式來取出鑄造轉子10。在另一實施方式中，必要的低壓可由適當構造的 底部注入提供。例如，當通過橫澆道120和相關的熔融金屬輸送管道建立了足夠的壓頭時， 就可以不需要諸如泵180的附加的加壓設備。如上所述，將疊片組15組裝入模具100。在從供應源190向模具內引入熔融金屬 之前，可將具有感應器把手50的感應加熱桿55插入在疊片組15的各板中形成的用于最后 固定軸20的中心空腔中。通過加熱疊片組15，會產生足夠的熱量，以最小化熔融金屬在通 道中過早凝固的幾率，這些通道在注入金屬后將構成轉子10的鼠籠部分。可將感應器桿55 分成三部分55A、55B和55C，以沿著疊片組軸向提供變化的熱量。上述該分段加熱和溫度梯 度的情況下，能產生獨立可控的三部分55A、55B和55C，從而調節熱處理是可能的，這樣做 能幫助鑄件定向凝固以改進堅固度。而且，可以操作感應加熱桿55以在向模具100填注熔 融金屬的過程中保持加熱。本領域技術人員應當理解，雖然象征地示出了三個獨立的感應 加熱部分55A、55B和55C，但根據加熱需要，也可以包括更多或更少的上述加熱部分。除了圖4A中所示的砂基模具100以外，還可使用半永久的工具鋼模具。在這種情 況下，模具可以采用帶涂層的工具鋼結構，其中該涂層(其可以承受數次重復轉子成型)用 于隔離工具鋼與熔融金屬的直接接觸。如上所述，當熔融金屬基本上是純鋁時，它將有力地 沖擊其所接觸的鋼工具的部分。對于復雜的鑄造幾何形狀和澆口 /橫澆道幾何形狀，可以 在工具鋼模具中弓丨入砂芯以完成模具組件。最后參照圖5和6，示出了根據本發明制造的電動機1的車輛應用的示例和變速傳 動結構。汽車200可以采用混合推進源或相關的增程推進源，其中可以使用電動機1或傳 統的內燃機250。在一種方式中，內燃 機250作為后備系統以延長電動機1的里程，而非機 械地與車輛相連(如在傳統汽車中常見的那樣)，借此起到增程(而非真正的混合)動力源的功能。在上述情況下，當來自主電源(例如，成排的車載鋰離子電池210，也稱為電池組) 的電流開始減少時，可用內燃機250通過發電機(未示出)產生電能，以根據電池210的需 要和車輪的動力需要對電池210充電或直接運行電動機1。也可以在汽車200靜止時通過 將電池組插入普通的居用或商用的電源插座進行鋰離子電池210的充電。在另一方式中，可以使用兩模式混合推進系統。在這種情況下，電動機1可與內燃 機250協作，使得電動機1用于低速運行(例如，達到約10英里/小時)和再生制動，而內 燃機250可被用于高速運行。如圖6中所示，電力可變變速器300可以裝配由本發明制造 的電動機1。電力可變變速器300的一個主要優點是其能無級變化車輛發動機的速度，以此 通過匹配最佳的速度和負載點來提高整個運行效率。變速器300也適于連續的再生制動， 即另一效率提高的設計。通過使用輸入分流式和混合分流式無級可變電力變速傳動比范圍 和多個(例如，四個)固定的傳動比，以及并行的電動機加速和再生制動，電力可變變速器 300可以實現最大化應用。與圖1的電動機1 一樣，電力可變變速器300包括轉子310，其 安裝在軸320上并相對于固定的定子330旋轉。如圖所示，電力可變變速器300包括兩個 電動機30IA和301B。軸320可以被可操作地與連接于內燃機250的驅動軸一起或可分離 地連接于汽車200的驅動軸(未示出)。雖然出于說明本發明的目的示出了某些代表性的示例和細節，但本領域技術人員應當明了在不脫離本發明范圍的情況下可以進行各種變形，本發明的范圍由權利要求限定。
權利要求
一種制造用于電動機的鼠籠式轉子的方法，所述方法包括形成圍繞所述電動機的疊片組部分的模具；加熱所述疊片組；將熔融金屬引入所述模具內，使得所述熔融金屬基本填滿在所述疊片組內限定的空間，該空間對應于所述轉子的鼠籠，加熱后的所述疊片組具有足夠的熱量以將所述熔融金屬保持基本熔融狀態，直到形成大致鼠籠整體；冷卻所述熔融金屬和所述疊片組，使得所述轉子基本固化；和從所述模具中取出基本固化的轉子。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述形成圍繞疊片組的模具包括用可流動的鑄造介 質基本包圍所述疊片組。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述可流動的鑄造介質包括型砂和粘結劑的混合物。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述粘結劑包括有機粘結劑和無機粘結劑的至少一種。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述形成圍繞疊片組的模具包括用帶涂層的鋼工具 基本包圍所述疊片組。
6.如權利要求1所述的方法，其中在所述將熔融金屬引入所述模具內期間，由于所述 加熱，所述疊片組的溫度在約800華氏溫度和約1200華氏溫度之間。
7.如權利要求1所述的方法，其中在所述將熔融金屬引入所述模具內期間所述加熱持 續進行。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述模具成形為使得在其中形成的限定所述鼠籠的 型腔包括相對彼此軸向設置的一對端環和從所述一對端環的第一個端環延伸到所述一對 端環的第二個端環的多個基本縱向的線棒，使得所述基本縱向的線棒和所述一對端環限定 多個連續的電流回路。
9.一種鑄造用于電動機的轉子的方法，所述方法包括 形成圍繞疊片組的模具；加熱所述疊片組至足夠量以使引入所述疊片組內的熔融金屬保持基本熔融狀態，至少 直到基本上形成與所述疊片組協作的鼠籠整體；對所述熔融金屬加壓至足夠量以使其流過具有與形成在所述疊片組一端的第一端環 基本相應的形狀的型腔、形成在所述疊片組中的多個槽和具有與形成在所述疊片組相對端 的第二端環基本相應的形狀的型腔，使得所述熔融金屬基本上填滿兩個型腔和所述多個 槽，以在所述熔融金屬固化時由鼠籠和所述疊片組一體形成所述轉子； 冷卻所述熔融金屬和所述疊片組；和 從所述模具中取出所述轉子。
10.一種將熔融鋁澆鑄到形成在用于電動機轉子的疊片組中的多個槽內的方法，所述 方法包括形成圍繞疊片組的模具； 加熱所述疊片組；使至少所述疊片組的靠近所述多個槽的部分維持足夠的溫度以將所述熔融鋁保持在所述熔融狀態至少足夠長的時間，以使所述熔融鋁穿過所述多個槽； 向所述熔融鋁施加足夠的壓力以迫使其通過所述多個槽； 使所述熔融鋁流過所述多個槽；冷卻所述熔融鋁和所述疊片組，使得它們一 起協作將所述轉子形成為一體成形的轉 子；和從所述模具中取出所述轉子。
全文摘要
本發明公開了導電轉子的壓鑄，具體公開了用于感應電動機的轉子和制造轉子的方法。該方法制造由鼠籠和疊片組構成的鼠籠式轉子，該方法包括形成圍繞疊片組的模具；加熱所述疊片組；將熔融金屬引入模具，使得熔融金屬基本填滿在疊片組中形成的相應于鼠籠的空間。在一種形式中，該空間包括形成在疊片組中的狹槽或相關槽道，其在澆注熔融金屬時變成縱向線棒，該縱向線棒與鼠籠的端環形成電流回路。通過加熱疊片組并維持其溫度足夠高以保持熔融金屬處于基本熔融狀態至少足夠時間，以使熔融金屬流過疊片組的狹槽，從而避免熔融金屬的過早凝固。而且，通過向熔融金屬提供低壓并結合疊片組的升高的溫度，來促進流動以確保轉子鼠籠基本無疏松、全致密。
文檔編號H02K15/02GK101847913SQ20101014417
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月24日 優先權日2009年3月24日
發明者B·L·普里姆, D·A·格拉德, M·A·奧斯博恩 申請人:通用汽車環球科技運作公司