CN115443595A

CN115443595A - 电动机构件和用于制造轴流式马达的电动机构件的方法以及轴流式马达

Info

Publication number: CN115443595A
Application number: CN202180028889.2A
Authority: CN
Inventors: 彼得·格鲍尔; 格雷戈尔·胡林; 克劳斯·沙伊珀科特; 彼得·梅纳特
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2021-04-14
Publication date: 2022-12-06
Also published as: DE102020113047A1; WO2021228306A1; EP4150737A1

Abstract

为了制造轴流式马达的定子或转子，通过增材生产如下生成层构造：‑增材地产生具有旋转对称的基本形状的交替的层构造(2)，其中不同的层(3，4)、即由包含塑料和软磁性金属材料的长丝构成的第一类型的层(3)和由包含塑料和陶瓷的长丝构成的第二类型的层(4)彼此嵌套，‑将由不同的层(3，4)产生的层构造(2)加热到第一温度(T₁)，在所述第一温度中从层(3，4)中去除塑料，‑继续加热所述层构造(2)，借此烧结第一类型的层(3)的软磁性的金属材料并且从第二类型的层(4)中获取电绝缘的陶瓷层。

Description

电动机构件和用于制造轴流式马达的电动机构件的方法以及轴流式马达

技术领域

本发明涉及一种用于制造轴流式马达的构件、尤其定子的方法。此外，本发明涉及一种设为在轴流式马达中使用的电动机构件以及一种轴流式马达。

背景技术

轴流式电机例如从EP 1 203 436 B2中已知。已知的轴流式电机包括设置在机器轴处的无铁的盘形转子和两个在转子旁边设置的定子。转子具有永磁体，所述永磁体嵌入到纤维增强的塑料中。每个定子包括环形的轭，在所述轭中安置有槽，所述槽在相对于转子的永磁体扭曲的情况下大致径向地从内向外延伸。轭由多层硅钢片组成。通过槽引导多相绕组、例如三相绕组。

另一构成为轴流式马达的电机在DE 10 2015 223 766 A1中描述。在该情况下，定子具有烧结的承载结构。在承载结构上接合有插件，所述插件至少部分地形成极靴并且包括板叠。板叠由冲制的软铁板材构成的各个板构造。

EP 1 081 386 A2描述作为离心泵的部件的轴流式马达。轴流式马达的定子绕组包括多个子绕组，所述子绕组相对于马达的转子不同地定位。转子在该情况下也装配有永磁体。

DE 10 2016 119 650 A1描述一种用于制造用于电机和执行器的软磁性芯材的方法，其中芯材利用增材生产方法由不同材料组分的子层构造。在此，芯材能够具有陶瓷份额。主要金属的材料组分能够具有6.5％或更多的硅份额。增材生产应在利用粉末状初始物质的条件下是可行的。在造型之后，能够部分地吹出增材方法的粉末。借助在DE 10 2016119 650 A1中同样提到的烧结应使工件、即电机的构件的多孔性最小化。

用于制造电机的部件的另一方法在DE 10 2017 220 735 A1中公开。在该情况下，定子的各个板层应能通过三维生成式生产方法制造，使得在板层的弯折的区域中不出现压应力或拉应力。作为生成式生产方法，例如提到激光烧结方法。作为板层之间的绝缘材料，提出绝缘薄膜或绝缘漆。总体上，根据DE 10 2017 220 735 A1的机器为横流式机器。

DE 10 2017 222 635 A1描述一种具有冷却系统的电机的定子。在此，提出通过增材方法制造冷却通道壁部。由此应不再需要冷却通道壁部相对于定子板的附加的密封。

从EP 3 255 758 A1中已知用于磁阻机器的旋转体，所述旋转体至少部分地通过增材生产制造。作为用于增材生产的初始材料，应可使用无形物、如液体或粉末或形状中性材料、如带或线。制成的、利用增材方法制造的旋转体沿轴向方向交替地具有导体层和绝缘层。中间绝缘接片也应可增材制造。

WO 2019/022973 A1致力于车辆部件的增材生产。在此，提出使用ADAM方法(Atomic Diffusion Additive Manufacturing，原子扩散增材制造)。对于ADAM方法典型的是使用如下初始材料，所述初始材料包含金属和塑料，其中塑料熔化掉。剩余的金属通过烧结密封。

用于纤维增强的生成式生产的方法和设备例如在文献WO 2017/123726 A1和EP 3444 102 A1中描述。

在US 10,016,942B2中描述的设为用于在增材方法中使用的长丝应实际上不具有孔并且包括聚合物，所述聚合物包围多股芯。

WO 2018/102739 A1阐述借助密封连接平台烧结生成式生产的部分的可行性。

US 2018/0236546 A1结合增材生产提出在两个温度水平上烧结，其中第一温度水平为500至700摄氏度并且第二温度水平为1000至1200摄氏度。

提出将部件嵌入到3D打印材料中的3D打印法在WO 2016/146374 A1中公开。嵌入的部件在此关于其热特性或磁特性不同于包围的3D打印材料。

制造用于基于挤压的3D打印法的覆层的长丝的可行性在WO 2014/0172148 A1中描述。在此提出，长丝在打印机之外以单独方法覆层。

DE 10 2018 003 864 A1公开了一种用于打印和烧结成型体的方法，所述成型体由金属和陶瓷填充的长丝产生。

与增材生产方法无关地，为了制造电机的部件通常使用电工钢带。在DE 10 2018209 553 A1中描述的、漆覆层的电工钢带能够具有等于或大于1％、2％、3％或4％的硅和铝的总合金份额。作为可行的硅份额提到值0.8％、1.5％、2％和3％。

另外的在DE 10 2018 201 622 A1中描述的电工钢带具有2.3至2.7％的硅含量和0.3至0.8％的铝含量，分别以重量百分比给出。

发明内容

本发明基于如下目的，尤其在生产技术方面相对于现有技术改进构成为轴流式马达的电动机。

所述目的根据本发明通过根据权利要求1的用于制造电动机构件、即定子或转子的方法来实现。同样地，所述目的通过具有权利要求9的特征的设为用于在轴流式马达中使用的电动机构件来实现。所述目的此外通过根据权利要求11的轴流式马达来实现。本发明在下面结合电动机构件和轴流式马达阐述的设计方案和优点符合意义地也适用于制造方法并且反之亦然。

本发明基于如下考量，电机的有源组件、即转子或定子在轴流式机器中同样如在径流式机器中那样关于交变场损失应优化，以便达到电动机的尽可能高的效率。

与径流式机器相比，在轴流式机器中得出更复杂的要求，这涉及由导电材料构成的层关于最小化交变场损失优化的设置和分离。所述复杂性在例如提到的DE 10 2015 223766 A1中通过如下方式表达，即多个单个的板叠与定子的承载结构连接。另一原则上已知的方式在于使用SMC材料(软磁性组分)，如其例如在WO 2016/066714 A2中描述的那样。SMC包含金属颗粒，所述金属颗粒彼此电绝缘。

与已知的方法相反地，根据本申请的用于制造轴流式马达的电动机构件、尤其定子的方法包括如下步骤：

-增材地产生具有旋转对称的基本形状的交替的层构造，其中不同的层、即由包含塑料和软磁性金属材料的长丝构成的第一类型的层和由包含塑料和陶瓷的长丝构成的第二类型的层彼此嵌套，

-将由不同的层产生的层构造加热到第一温度，在第一温度中从层中去除塑料，

-继续加热层构造，借此烧结第一类型的层的软磁性金属材料并且从第二类型的层中获取电绝缘的陶瓷层。

根据一个可能的设计方案，层螺旋形地构造。

借此可生成多层的构造，所述构造仅具有唯一的、螺旋形缠绕的连续的体积区域，所述体积区域由第一类型的材料、即软磁性的和导电的金属材料填充。所述螺旋形的体积区域的各个绕组通过整体上同样螺旋形的在其中存在第二类型的材料的体积区域彼此绝缘。螺旋形的层构造可借助于增材生产设施产生，在其中工件、即产生的层构造相对于由多个打印头构成的装置旋转。在此，通过第一打印头构造第一类型的层，而另一打印头构造第二类型的层。不同的打印头能够完整地或大部分同时地运行。整体上，层构造能够从内向外或从外向内进行。

根据一个替选的设计方案，层作为彼此同心的环彼此嵌套。整体上，在此例如存在至少四个、尤其至少八个分别环形的、即柱形的层。明显更高数量的层、例如30个或更多层也可借助所述构造产生。

与层描述螺旋形的结构或各个环无关地，第一类型的层在制成的电动机构件中用作为传导磁通量的层，其通过第二类型的层、即绝缘层彼此分离。用于构造层的不同的长丝通常称作为塑料/金属长丝或塑料/陶瓷长丝，其中长丝的简化地称作为“塑料”的组成部分可选地包含其他组成部分。在任意情况下，用于构造层装置的长丝具有线形构型，其中塑料/金属长丝的直径能够不同于塑料/陶瓷长丝的直径。

在完全构造由不同的层形成的装置之后进行的对整个层装置的热处理在维持限定的温度曲线的条件下进行，其中不同的方法变型形式是可行的。在任意情况下，从全部层——不一定同时——至少大部分地去除塑料份额，之后直接跟随地或在任意随后的时刻提高温度，使得开始第一类型的层的金属的烧结并且从第二层中同样在烧结工艺中产生陶瓷。

整体上，电动机构件、尤其定子或转子的基于长丝的生成式生产引起层结构，在所述层结构中导电的以及软磁性传导的层、即第一类型的层通过陶瓷层彼此电绝缘以及机械地固定地彼此连接。通过使用长丝作为前驱产品，与粉末状的初始材料相比，可实现明显更高的几何精度。多级加热层装置此外确保，工件、即应制造的电动机构件在烧结之前已经稳定并且不期望的效应、例如通过扩散造成的不期望的效应最小化。成品的、即适合于装入轴流式马达中的构件的每个层的厚度能够根据需要设定并且例如为不大于0.35mm。证实为合适的是软磁性金属层在0.2至0.35mm中的层厚度和陶瓷层在0.01至0.2mm的范围中的层厚度。

根据一个可行的方法控制，工件在达到第一温度水平之后置于温度中间水平上，所述温度中间水平与第二温度水平、即为了烧结而选择的温度水平相比更靠近第一温度水平。换言之：第一温度水平分成两个水平，其能够彼此靠近，然而可明显彼此区分，并且依次设定。在烧结之前使用的分开的温度水平具有如下效果，首先仅层类型中的一个层类型改变并且随后另一层类型改变。例如，首先去除第一类型的所有层的塑料份额，其中第二类型的层的在该时刻尚未损坏的塑料份额同时确保，第一类型的所有层的金属组成部分保持完全彼此分离。在随后适度地将温度提高至中间水平时，实际上在第一类型的层中不再出现变化。更确切地说，在所述加工阶段中，将塑料从第二类型的层中去除，其中并非不利的是，在此塑料部分地到达第一类型的层中。

在之前的处理、即去除塑料在恒定的温度水平或分开的水平上进行之后，可以进行随后的烧结。烧结也能够为在一致的温度水平上或利用不同的、依次设定的温度执行的工艺。例如，首先选择如下温度水平，在所述温度水平上，结束基本上金属的层、即第一类型的层的烧结。在此，能够出现整个构件的体积减小。因为在陶瓷组成部分中、即在第二类型的层之内在所述处理阶段中尚未发生烧结，所以陶瓷材料匹配于金属层的尺寸变化。随后，设定称作为过高水平的温度水平，在该温度水平上结束在第二类型的层中的烧结工艺，即从所述层产生最终的陶瓷层。在金属层和陶瓷层之间的边界面最终结构化成，使得一方面在层之间得出固定的啮合并且另一方面不出现层厚度的过大的波动。

与由电工板制造电动机构件相比，轴流式马达的根据本申请的构件尤其具有如下优点：存在关于层的组成的明显更大的自由度。在优选的设计方案中，在金属层中，硅和铝的质量含量的总和为大于5重量％。软磁性金属材料尤其通过铁合金形成，所述铁合金包含大于6.5重量％的硅以及在1至5重量％的范围中的铝。尤其优选地，软磁性金属材料通过铁合金形成，所述铁合金包含6.5至10重量％的硅以及在1至5重量％的范围中的铝。

根据本发明的轴流式马达包括至少一个根据本发明的呈转子或定子的形式的电动机构件。尤其地，轴流式马达为异步电动机。

在生成式生产期间在构造层时已经能够将轮廓、如孔引入到层构造中。可选地，紧接着生成式生产是最后的加工步骤，最后的加工步骤能够包括热处理和/或机械处理，例如磨削。

附图说明

下面根据附图详细阐述本发明的多个实施例。其中示出：

图1示出轴流式马达的定子的第一实施例的简化的剖面图，

图2示出用于制造根据图1的定子的设备的符号化视图，

图3示出轴流式马达的定子的第二实施例的类似于图1的视图，

图4示出用于制造轴流式马达的定子的方法的基本特征的流程图，

图5至7示出在制造轴流式马达的定子时的温度控制的不同的变型形式。

具体实施方式

随后的阐述只要没有另作说明就涉及全部实施例。彼此对应的或原则上起相同作用的部分或参数在全部图中用相同的附图标记表示。

整体上用1表示的电动机构件为未进一步示出的轴流式马达的定子。电动机构件1具有层构造2，所述层构造由至少一个第一类型的层3和至少一个第二类型的层4形成。在制成的电动机构件1之内，第一类型的层3为由软磁性金属材料构成的金属层，并且第二类型的层4为陶瓷层。在图1至3中可见的管形的或盘形的承载构件5由层构造2包围并且作为定子1的一部分在安装电动机时一起装入到其中。在替选的方法控制中，承载构件5仅在产生层构造2时具有功能并且在制造层构件2之后再次从其去除。

在制造层装置2时，利用本身已知的ADAM方法的原理。在根据图1的实施例中，层3、4螺旋形地构造，而其在根据图2的实施例中具有同心地彼此嵌套的环的形式。

为了阐述可用于产生根据图1的定子1的层构造2的方法，参照图2。据此，金属的承载构件5在包括增材生产设施的两个打印头8、9的装置中定位。增材生产能够通过如下方式进行，即承载构件5围绕其中轴线MA旋转或者由两个打印头8、9构成的装置围绕承载构件5旋转，即沿着承载构件5的环周引导。根据打印头8、9的设计方案和承载构件5的尺寸设计，也能够提出——关于中轴线MA——在一方面打印头8、9和另一方面承载构件5之间的轴向相对运动。在图1中表明的孔7直接在增材生产层构造2时产生。

根据图4的流程图阐述制造根据图1的电动机构件1以及制造根据图3的电动机构件1。在两种情况中，在第一方法步骤S1中首先经由3D打印产生螺旋形的或柱形的层构造2，即制造坯件。

随后，在步骤S2中进行对层构造2的热处理，对此更详细地讨论。炉在图4中用6表示。在热处理结束之后，在步骤S3中进行层构造2的再处理，所述再处理能够包括表面处理。步骤S4标记方法的结束。

在图5至7中草绘方法步骤S2中的温度控制的不同的变型形式。全部三个变型形式的共同点是，工件、即层构造2的温度T首先提升到第一温度水平T₁，在第一温度水平上去除塑料组成部分。在全部变型形式中达到的明显更高的温度水平T₂引起烧结工艺。

在最简单的、在图5中图解说明的变型形式在时间段t₁至t₄中保持温度水平T₁。在该情况下在时间段t₅至t₈中保持恒定的温度水平T₂。

在根据图6的方法变型形式中，下部的温度水平被分开：仅在时间段t₁至t₂中保持第一温度水平T₁。与第二温度水平T₂相比明显更靠近第一温度水平T₁的温度中间水平T₁₁在时间段t₃至t₄中设定。整体上，在时间段t₁至t₄中，将塑料组成部分从两个层类型3、4中去除，其中温度水平T₁、T₁₁设定成，使得依次将塑料组成部分从不同的层类型3、4中去除。这涉及在第二温度水平T₂的热处理，在根据图5的变型形式和根据图6的变型形式之间不存在区别。

根据图7的方法变型形式关于在温度水平T₁、T₁₁上的处理与根据图6的变型形式一致。区别仅在较高的温度下得出：在第二温度水平T₂从t₅至t₆保持恒定之后，在时间段t₇至t₈中将温度T设定于过高的温度水平T₂₂。更高的温度水平的所述分开确保，烧结过程在层类型3、4中以限定的方式依次进行。

借助任意根据图5至7阐述的方法变型形式，可实现层3、4的尤其小于0.35mm的厚度。

附图标记说明

1 电动机构件，定子

2 层构造

3 第一类型的层，金属层

4 第二类型的层，陶瓷层

5 承载构件

6 炉

7 孔

8 用于制造第一类型的层的打印头

9 用于制造第二类型的层的打印头

MA 中轴线

S1……S4 方法步骤

t 时间

t₀……t₉ 时刻

T 温度

T₁ 第一温度水平

T₁₁ 温度中间水平

T₂ 第二温度水平

T₂₂ 过高的温度水平

Claims

1.一种用于制造轴流式马达的电动机构件(1)的方法，具有如下步骤：

-增材地产生具有旋转对称的基本形状的交替的层构造(2)，其中不同的层(3，4)、即由包含塑料和软磁性金属材料的长丝构成的第一类型的层(3)和由包含塑料和陶瓷的长丝构成的第二类型的层(4)彼此嵌套，

-将由不同的层(3，4)产生的层构造(2)加热到第一温度(T₁)，在所述第一温度中从层(3，4)中去除塑料，

-继续加热所述层构造(2)，借此烧结第一类型的层(3)的软磁性的金属材料并且从第二类型的层(4)中获取电绝缘的陶瓷层。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在两个依次设定的温度水平(T₂，T₂₂)进行所述层(3，4)的烧结。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

所述层(3，4)螺旋形地构造。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，

所述层(3，4)在工件、即产生的层构造(2)和由多个打印头(7，8)构成的装置之间的相对旋转时构造。

5.根据权利要求3或4所述的方法，

其特征在于，

所述层(3，4)从内向外构造。

6.根据权利要求3或4所述的方法，

其特征在于，

所述层(3，4)从外向内构造。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，

其特征在于，

软磁性金属材料通过铁合金形成，所述铁合金包含多于6.5重量％的硅以及在1至5重量％的范围中的铝。

8.根据权利要求7所述的方法，

其特征在于，

软磁性金属材料通过铁合金形成，所述铁合金包含6.5至10重量％的硅以及在1至5重量％的范围中的铝。

9.一种轴流式马达的电动机构件，具有根据权利要求1至8中任一项增材地产生的层构造(2)，所述层构造由软磁性金属层和陶瓷层(3，4)构成。

10.根据权利要求9所述的电动机构件，

其特征在于，

每个层(3，4)的厚度不大于0.35mm。

11.一种轴流式马达，其包括至少一个呈转子或定子的形式的根据权利要求9和10中任一项所述的电动机构件(1)。

12.根据权利要求11所述的轴流式马达，

其特征在于，

其为异步电动机。