攪拌焊接的轉子及其製造方法

2023-08-11 13:09:11

專利名稱：攪拌焊接的轉子及其製造方法
攪拌焊接的轉子及其製造方法技術領域在此描述的實施例一般地涉及電動馬達，且更特定地涉及用於電動 馬達的攪拌焊接的轉子。
背景技術：
原理上，典型的感應馬達包括至少中心轉子，該中心轉子由定子圍 繞。定子包括繞組，電流流過該繞組以產生^ 茲場。》茲場與轉子相互作用 因此導致轉子旋轉。感應馬達在將電能轉換為機械能上是相對高效的，且其結果是這樣 的馬達在多種應用中的不斷增加的興趣，包括在汽車領域中。例如，感 應馬達可以在混合動力車輛中得到不斷增加的應用，該混合動力車輛使 用內燃機與一個或多個電動馬達的組合來提供原動力。電感應馬達在其 他領域內具有應用，以及^是供了補充的原動力。例如，感應馬達可以向 一定範圍的附件提供動力，該附件否則可以通過由內燃機驅動的液壓或 其他系統帶動。隨著在汽車領域內不斷增加的應用，也存在對於符合希 望的設計參數的感應馬達的需要，所述的參數例如包括車輛總質量，車 輛質量分配，具有空間限制的車輛的整車布置以及批量生產的成本和方 便性。感應馬達轉子可能在建造上是昂貴的，因為它們目前通常通過模鑄且然後機加工模鑄的轉子製成。圖1至圖2圖示了製造典型的轉子10 的三個階段的例子。在圖1中示出的最終的轉子10包括一系列堆疊的 加固的鋼疊片40，如在圖2中以預加固的形式更清晰地可見。圖2圖示 了排列在垂直堆30內的圓形鋼疊片20。這些疊片20每個具有中心圓形 孔24且每個疊片具有外周，該外周包括一系列縫隙22。典型地，這些 疊片20被堆疊且然後通過才莫鑄加固，同時也形成了下端環32和上端環 38,如在圖1中示出。在^^莫鑄過程中，融化的鋁在堆疊的疊片的縫隙22 之間流動，以加固疊片20,且在適當的鑄造後的才幾加工後也形成上端環 38和下端環32，如在圖l中示出。以上所述的過程對製造轉子施加了限制。例如，金屬和材料限制於
適合於使用在模鑄過程中的那些金屬和材料。可能在希望的材料和材料的可鑄造性之間存在折衷。例如，鋁合金6101-T6因為其強度和電特性 可以是用於轉子的希望的製造材料。然而，此合金的對於鐵的親和性導 致加速的模具損失且因此增加了轉子成本。因此，與才莫鑄過程相關的材 料特性可能不利於它的使用，儘管其潛在地更好和/或更差的花費。與才莫 鑄過程相關的特性也可能排除了對可能期望改進感應馬達的性能的材 料的使用，因為該材料不能被模鑄。此外，模鑄可能要求另外的鑄造後 對轉子的機加工步驟，這增加了另外的成本。因此，希望開發用於製造感應馬達轉子的過程，該轉子不具有^t鑄 方法關於材料選擇的限制。另外，希望的是過程將生產後的轉子機加工 要求(如果有)最小化以降低成本。此外，希望的是過程生產了在至少 一些方面上具有^f艮好的特徵的轉子，例如在輕重量、低成本、低多孔性、 更高的電效率方面，和/或例如通過基於更緊湊的轉子和感應馬達的更好 的整車布置允許改進設計。此外，過程和轉子的其他希望的特點和特徵 將從隨後的詳細描述和附帶的權利要求書中結合附圖和前述的技術領 域和背景技術而變得顯見。發明內容攪拌焊接的轉子的典型的實施例可以包括疊片堆，每個疊片具有排 列在外周上的分開的縫隙。縫隙與縫隙棒對齊，縫隙棒每個具有在疊片 堆上方延伸的第一末端和在疊片堆下方延伸的第二末端。第一焊縫在鄰 近的縫隙棒的第 一末端之間延伸，且第二攪拌焊縫在鄰近的縫隙棒的第 二末端之間延伸。攪拌焊接轉子的實施例的另 一 個例子可以具有第 一 端環和第二端 環。疊片堆插入在第一端環和第二端環之間。疊片的每個具有在外周上 排列的分開的縫隙和與分開的縫隙對齊的縫隙棒。縫隙棒具有第 一末端 和第二末端。第一攪拌焊縫在縫隙棒的第一末端之間延伸，且第二攪拌 焊縫在縫隙棒的第二末端之間延伸。下步驟。將每個在其各外周上具有、分開的，逢隙的口疊片堆疊。將分開的縫 隙與縫隙棒陣列的相應的縫隙棒對齊，其中每個縫隙棒具有第 一 末端和 第二末端。另外，限制堆疊的疊片的往復的和旋轉的移動，且將縫隙棒
的第 一末端攪拌焊接以形成大體上連續的圓形攪拌焊縫。


在下文中將結合如下的附圖描述多種實施例，其中類似的數字指示了類似的元件，且各圖為圖l是現有技術的感應馬達轉子的圖示；圖2是現有技術的用於製造感應馬達轉子的疊片堆的圖示；圖3是被組裝的轉子組件的典型實施例的透視圖，且圖示了將疊片 堆在端環上而使垂直縫隙棒到位；圖4是包括外組裝環和內組裝環的轉子組件的典型實施例的透視圖；圖5是圖4的實施例的頂視圖； 圖6是沿圖5的6-6截取的截面視圖； 圖7是圖示了攪拌焊接區的例子的截面視圖的部分； 圖8是攪拌焊接的轉子的例子的截面視圖，該轉子準備好進行沖壓； 圖9是攪拌焊接的轉子的例子的截面視圖，該轉子準備好進行軸向 和徑向才幾力口工；圖10是包括外組裝環和內組裝環的轉子組件的另一個典型實施例 的頂一見圖；圖11是圖10的實施例的部分的放大視圖，以示出細節； 圖12至圖15以截面描繪了在多種生產階段中的典型實施例； 圖16是製造攪拌焊接轉子的方法的實施例的例子；和 圖17是製造攪拌焊接轉子的方法的實施例的另 一個例子。
具體實施方式
如下的詳細描述僅在本質上是典型且不意圖於限制所述的實施例 或其應用和使用。此外，不意圖於由任何在前述技術領域、背景技術、發明內容或如下的具體實施方式
中提出的明白的或隱含的理論來進行 限制。常規地，術語"內側，，在此用於指示相對於參考點(或轉子的部 件)的位置，且指示了與參考點相比更靠近轉子的軸向中心線的位置。 術語"外側"相反地指出了與參考點(或轉子的部件)相比更遠離轉子 的軸向中心線的位置。 典型的實施例提供了使用更廉價替代模鑄的製造過程的可能性，其 使得能使用更大範圍的合金且為轉子提供了緊密的公差。相對於模鑄轉 子，該構造方法可以降低對轉子的隨後的機加工的需要或程度。此外， 典型的實施例可以具有很少或不具有導致強度和電特性下降的多孔性 問題。一般地，疊片可以由鋼製成而縫隙棒可以由任何具有良好的導電性和足夠的強度的材料製成，例如鋁6101-T6或銅。端環可以是與縫隙棒 相同的材料或可以是不同材料，例如鋁6061-T6。在圖3至圖6中圖示的典型實施例示出了對於攪拌焊接的加固過程 轉子部件可以如何組裝。在此特定的例子中，攪拌焊接組件100包括一 系列嵌套的部件。攪拌焊接組件100包括外組裝環110和內組裝環120。 內組裝環120和外組裝環IIO在攪拌焊接過程期間提供了對於轉子部件 的支承。攪拌焊接組件100包括平的盤狀疊片130 (圖6)的堆，帶有 鄰接內組裝環120的中心孔135和靠著外組裝環IIO支承的外側直徑。更特定地，在此例子中，疊片130在其外周上具有規則地分開的縫 隙132,縫隙132的每個與垂直縫隙棒134對齊，如在圖3中示出。每 個縫隙棒134在垂直取向上支承在下分離器盤142上。縫隙棒可以至少 部分地包繞在薄的電絕緣材料中，例如NOMEX ( DuPont of Wilmington, Delaware的商標)，以提供縫隙棒134和疊片130之間的 屏障，以改進轉子的電性能。內組裝環120在堆疊時鄰靠疊片130的中 心孔135,例如在圖6中示出。帶有與縫隙棒134的下端138對齊的垂 直溝槽(未示出)的下部外端環144圍繞縫隙棒134的陣列的外側延伸。 如在圖6中示出，帶有與縫隙棒134的下端138對齊的垂直溝槽(未示 出)的下部內端環165插入在縫隙棒134的下端138和內組裝環120之 間。因此，下部外端環144和下部內端環165—起圍繞^l隙才奉134的垂 直下端138的部分。一旦疊片130組裝到堆，則帶有與縫隙棒134的上端136 (見圖5) 對齊的垂直溝槽的上部內端環160插入在縫隙棒134的上端136和內組 裝環120之間。此外，帶有與縫隙棒134的上端136 (見圖5)對齊的 垂直溝槽的上部外端環150圍繞縫隙棒134的陣列的外側延伸。因此， 上部外端環150和上部內端環160 —起圍繞了縫隙棒134的垂直上端 136的部分。因此，限制了縫隙棒134的旋轉和往復運動。作為結果，
通過縫隙棒134限制疊片130相對彼此的旋轉運動，縫隙棒134又通過 端環144、 165、 150、 160限制。下部焊接環170圍繞下部外端環144延伸且放在下部分離器盤142 上。下部焊接環170位於外端環180下方，外端環180向上延伸到上部 焊接環175的下側。上部焊接環175在外端環180和圍繞的外組裝環110 之間保持到位。在攪拌焊接組件的實施例的一些例子中，外端環180可以提供有通 道182以用於供給合適的冷卻劑，以在攪拌焊接期間最小化潛在的熱效 果。在攪拌焊接期間，外組裝環IIO的半體夾緊或栓接在一起，使得約 束以上所述的攪拌焊接組件100的部件的相對彼此移動。攪拌焊接工具 然後將攪拌焊接組件100的上端102和下端104焊接。由攪拌焊接工具 ^^蓋的區的例子在圖5中示出，如圓200、 202。當然，單次通過的焊接 或其他技術也可以使用。進一步地，圖7示意性地圖示了攪拌焊接工具 300和在工具下方的焊接區310。焊接區310包含了上部焊接環175,縫 隙棒134的上端136和上部內端環160。這些部件對於攪拌焊接組件100 的整個上端102和下端104被攪拌焊接，以產生大體上連續的攪拌焊縫。 攪拌焊接的轉子組件可以然後受到機加工以去除無關的材料。圖8圖示了攪拌焊接的轉子250的例子。為生產攪拌焊接的轉子 250,內組裝環120和外組裝環110 ^^皮移除。攪拌焊接的轉子然後^f皮衝 壓以從攪拌焊接組件100的上端102和下端104去除下部焊接環170和 上部焊接環175,而不影響縫隙棒134。圖9圖示了攪拌焊接的轉子250的另一個例子。為生產攪拌焊接的 轉子250,內組裝環120和外組裝環110 ^皮移除。攪拌焊接的轉子250 然後一皮軸向地^幾加工而不影響縫隙棒134,同時保持上部外端環150和 下部外端環144至少部分地不一皮影響。上部焊接環175和下部焊一妻環170 的剩餘部分如果需要或希望可以通過徑向機加工過程來移除。圖IO至圖ll分別圖示了用於製成攪拌焊接的轉子的攪拌焊接組件 400的另一個實施例的頂視圖和頂部的部分的放大視圖。在此攪拌焊接 組件400中，多個平的楔形可攪拌焊接的金屬鍵410用於形成上端環和 下端環。鍵410每個具有切口 414，切口 414定尺寸為接收縫隙一奉的截 面的分配，圖中僅示出了縫隙棒上端136。因此，當切口在攪拌焊接組
件400上排列時，它們覆蓋了除縫隙棒的上端136外的表面(和在攪拌 焊接完成後移除的內組裝環120和外組裝環110)。圖12至圖15圖示了在包括鍵410的實施例的製造中的階段。在圖 12中，平的圓形下部分離器盤142支承了帶齒的分離器盤143,分離器 盤143具有一系列圍繞其外周的齒145，這些齒的尺寸為與疊片130和 棒134內的縫隙對齊。下部分離器盤142構造為接合疊片的中心孔135 和縫隙棒134。當疊片130被堆疊到希望的高度時，縫隙棒134如在圖 12中示出插入。在圖13中，鍵410沿組件的上端圍繞縫隙棒134的上 端排列，如在圖10至圖11中示出。在圖14中應用了內部組裝環120, 且外部組裝環110圍繞組件被夾緊。組件現在處於將鍵410攪拌焊接到 縫隙棒134的狀態下。在攪拌焊接後，組件^皮顛倒，如在圖15中示出。 下部分離器盤142被移除且放置在組件下方，鄰近焊接的鍵410,以在 組件的另一端的焊接期間用作支承。另外，鍵410在組件的上端處圍繞 縫隙棒134排列以形成對縫隙棒134和所應用的內組裝環120之間的表 面區的完全覆蓋。鍵410然後攪拌焊接到縫隙棒134的上端以形成大體 上連續的圓形攪拌焊縫。圖16是用於製造攪拌焊接的轉子的過程500的典型實施例。當然， 其他實施例可以使用更少或更多的步驟，或不同的步驟，或可以以不同 的次序執行步驟。在圖16的典型的實施例中，轉子組裝以在過程510 中選擇且放下分離器盤和下端環開始。在過程515中，分開的垂直縫隙 棒的陣列豎立在下端環上。在過程520中，疊片堆疊在內組裝環和下端 環的頂部上，使得每個疊片的每個縫隙與相應的縫隙棒對齊。 一旦疊片 堆疊完成，則在過程530中通過將上端環添加到堆的頂部上而準備焊接 組件。另外，典型地為略微漸縮的鋼的圓柱的內組裝環配合在端環的內 部圓周內。位，或為攪拌焊接工具提供更多的空間。在過程550中，外組裝環圍繞 組件被夾緊。在過程560中，組件被攪拌焊接以將縫隙棒焊接到端環以 形成大體上連續的圓形攪拌焊縫。在過程570中將組件顛倒，且分離器盤被移除且施加到焊接的端部 以提供在過程580中在工作表面上的支承。在過程590中，頂端現在被 攪拌焊接以將端環焊接到縫隙棒以形成大體上連續的圓形攪拌焊縫。　在攪拌焊接後，內組裝環和外組裝環可以在過程600中淨皮移除。已 製造的轉子現在處於在過程610進行焊接後機加工的狀態，攪拌焊接後 機加工例如可以包括軸向機加工，徑向才幾加工和衝壓，以去除任何無關 的材料，以生產最終的攪拌焊接的轉子。最後，已機加工和攪拌焊接的 轉子產品在過程620中可以接受質量檢驗和性能標準檢驗。在方法700的實施例的另一個例子中，圖17圖示了一系列與具有 攪拌焊接的鍵的轉子相關的過程。在過程710中，將平的、圓的下部分 離器盤放在工作表面上且支承了帶齒的分離器盤，該分離器盤圍繞其外 周帶有齒，且齒定尺寸為與疊片內的縫隙和縫隙棒對齊。在過程720中， 疊片在分離器盤上堆疊。在過程730中，縫隙棒被豎立130。在過程740 中準備攪拌焊接的組件。這可以包括數個過程，例如在過程745中將鍵 進行布置以圍繞縫隙棒的上端焊接。在過程750內可以安裝內組裝環且 在過程760中外組裝環圍繞組件夾緊。已夾緊的組件現在處於將鍵攪拌 焊接到縫隙棒的端部的狀態下，以在過程770中形成大體上連續的圓形 的攪拌焊縫。 一旦焊接則在過程780中將組件顛倒。分離器盤在過程785 中被移除且施加到組件的底側，在過程790中鄰近攪拌焊接的鍵而作為 支承件。在過程795中鍵可以布置在組件頂上圍繞縫隙棒的暴露的上端。 外組裝環必須是鬆開的以實現此目的。在鍵到位且如果外組裝環被移除 時將其夾緊後，在過程800中施加內組裝環。在過程810中將鍵攪拌焊 接到縫隙棒，以形成大體上連續的圓形的攪拌焊縫。內組裝環和外組裝 環在過程820中淨皮移除。然後可以在過程830中進行對攪拌焊接的轉子 的攪拌焊接後機加工。過程830例如可以包括軸向機加工，徑向機加工 和衝壓，以去除任何無關的材料以產生最終的攪拌焊接的轉子。最後， 已機加工和攪拌焊接的轉子產品可以在過程840中接受質量檢驗和性能 標準4企一瞼。雖然已在前述詳細描述中提出了至少一個典型的實施例，但應認識 到的是存在大量的變化。也應認識到的是典型的實施例或多個典型的實 施例僅是例子，且不意圖於以任何方式限制所述的實施例的範圍、適用 性或構造。而是，前述的詳細描述將為本領域一般技術人員提供用於實 施典型的實施例或多個典型的實施例方便的指導方針。應理解的是可以 在元件的功能和布置上進行多種改變而不偏離在附帶的權利要求書及 其法律等價物內闡明的範圍。
權利要求
1. 一種攪拌焊接的轉子，包括疊片堆，疊片的每個包括在外周上排列的分開的縫隙；與疊片的每個的分開的縫隙對齊的縫隙棒，縫隙棒每個具有延伸在疊片堆上方的第一末端和延伸在疊片堆下方的第二末端；和在鄰近的縫隙棒的第一末端之間延伸的第一攪拌焊縫，和在鄰近的縫隙棒的第二末端之間延伸的第二攪拌焊縫。
2. 根據權利要求1所述的轉子，其中第一攪拌焊縫包括第一系列的 攪拌焊接的加固鍵，第一系列的攪拌焊接的加固鍵焊接到縫隙棒的至少 第 一末端。
3. 根據權利要求2所述的轉子，其中第二攪拌焊縫包括第二系列的 攪拌焊接的加固鍵，第二系列的攪拌焊接的加固鍵焊接到縫隙棒的至少第二末端0
4. 根據權利要求1所述的轉子，其中第一攪拌焊縫是大體上連續的 且大體上圓形的。
5. 根據權利要求1所述的轉子，其中疊片包括帶有圓形中心孔和分 開的外周縫隙的圓形的平盤，且其中第 一攪拌焊縫靠近其圓形外周圍繞 轉子延伸。
6. 根據權利要求1所述的轉子，進一步包括覆蓋了縫隙棒的至少部 分的薄的電絕緣材料，以在縫隙棒和疊片之間形成屏障。
7. —種攪拌焊接的轉子，包括 第一端環和第二端環；疊片堆，疊片的每個包括在其外周上排列的分開的縫隙，疊片堆插 入在第一端環和第二端環之間；和具有第 一末端和第二末端的縫隙棒，縫隙棒與疊片的每個的分開的 縫隙對齊，在縫隙棒的第一末端之間延伸的第一攪拌焊縫，和在縫隙棒 的第二末端之間延伸的第二攪拌焊縫。
8. 根據權利要求7所述的轉子，包括第一攪拌焊接部分，第一攪拌 焊接部分包括第 一端環的至少部分和縫隙棒的至少 一些第 一末端。
9. 根據權利要求8所述的轉子，進一步包括第二攪拌焊接部分，第二 攪拌焊接部分包括第二端環的至少部分和縫隙棒的至少一些第二末端。
10. 根據權利要求7所述的轉子，進一步包括第一內環和第二內 環，第一內環在縫隙棒內側且鄰近縫隙棒的第一末端，且第二內環在縫 隙棒的內側且鄰近縫隙棒的第二末端。
11. 根據權利要求IO所述的轉子，其中第一攪拌焊縫位於縫隙棒 的外側且鄰近縫隙棒的第 一末端，且第二攪拌焊縫位於縫隙棒的外側且 鄰近縫隙棒的第二末端。
12. 根據權利要求11所述的轉子，其中第一攪拌焊縫包括第一端環的至少部分、縫隙棒的第一末端、第一攪拌焊接的焊接環和第一內環 的部分。
13. 根據權利要求7所述的轉子，進一步包括覆蓋了縫隙棒的至少 部分的薄的電絕緣材料，以在縫隙棒和疊片之間形成屏障。
14. 一種製造攪拌焊接的轉子的方法，包括如下步驟 將每個在外周上包括分開的縫隙的疊片堆疊；將分開的縫隙的每個與縫隙棒陣列內的相應的縫隙棒對齊，每個縫 隙棒包括第一末端和第二末端；限制堆疊的疊片的往復和旋轉移動；和將縫隙棒的第 一 末端攪拌焊接到鄰近的金屬以形成大體上連續的 第一攪拌焊縫。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中限制步驟包括在內組裝環 和外組裝環之間的限制。
16. 根據權利要求14所述的方法，其中攪拌焊接到鄰近的金屬的 步驟進一步包括將鍵的第一陣列攪拌焊接到縫隙棒的第一末端，且將鍵 的第二陣列攪拌焊接到縫隙棒的第二末端。
17. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括將縫隙棒的第二末 端攪拌焊接以形成大體上連續的第二攪拌焊縫，因此將堆疊的疊片包含 在大體上連續的第 一攪拌焊縫和大體上連續的第二攪拌焊縫之間。
18. 根據權利要求17所述的方法，進一步包括在攪拌焊接第二末 端的步驟之前的顛倒。
19. 根據權利要求14所述的方法，其中攪拌焊接步驟進一步包括 將第 一焊接環攪拌焊接到縫隙棒的第 一末端，且將第二焊接環攪拌焊接 到縫隙棒的第二末端。
20. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括在攪拌焊接步驟後 的機加工以去除過多的金屬。
全文摘要
提供了攪拌焊接的轉子及其製造方法。典型的攪拌焊接的轉子可以包括疊片堆，每個疊片包括在外周上排列的分開的縫隙。縫隙與縫隙棒對齊，每個縫隙棒具有延伸在疊片堆上方的第一末端和延伸在疊片堆下方的第二末端。第一攪拌焊縫在鄰近的縫隙棒的第一末端之間延伸，且第二攪拌焊縫在鄰近的縫隙棒的第二末端之間延伸。
文檔編號H02K1/22GK101399473SQ20081014434
公開日2009年4月1日 申請日期2008年7月25日 優先權日2007年7月27日
發明者A·L·小麥格魯, A·M·埃爾-安塔布利, C·B·盧卡斯, M·L·安德森, T·J·阿爾費曼 申請人:通用汽車公司