CN115769469A - 用于电机的叠片组的材料层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电机(2)的叠片组(14，22)的材料层(16)。与现有技术相比，为了实现更简单和更经济的制造以及更大的堆叠系数而提出：材料层(16)由铁磁材料制成并且在至少一个层侧(28，32)上具有电绝缘覆层(30，34)，其中，电绝缘覆层(30，34)包括电绝缘材料，其中，通过材料层(16)的铁磁材料的受控氧化来制造电绝缘覆层(30，34)的电绝缘材料。

Description

用于电机的叠片组的材料层
技术领域
本发明涉及一种用于电机的叠片组的材料层。
此外，本发明涉及一种用于电机的具有多个这种材料层的叠片组。
本发明还涉及一种具有至少一个叠片组的旋转电机。
此外，本发明还涉及一种用于制造这种材料层的方法。
背景技术
由堆叠的电工叠片构成的叠片组通常用在电机中，以抑制涡流的传播。这种电机例如是马达、发电机和变换器，例如是变压器和开关设备。例如包含软磁材料、特别是铁的电工叠片通常从轧制的大叠片切割或冲压而成。然后将叠片包装成叠片组。通过这种常规的制造方法，如今无法以工业规模制造最大层厚为100μm的叠片。此外，在从大叠片中切割或冲压时产生废料。
公开文献EP 3 595 148 A1描述一种用于制造层厚度在0.5至500μm之间的材料层的方法，其具有以下步骤：通过模板将具有至少一种粘合剂和固体颗粒的悬浮液施加到基面上以获得坯体，尤其借助于脱脂从坯体中排出粘合剂，通过加热和/或通过压缩，尤其借助于烧结创建固体颗粒的永久内聚。
此外，需要对表面进行处理和功能设置，以便在构建叠片堆时使单个叠片相互电绝缘。根据传统制造方法制造的电工叠片通常借助典型层厚度为1至4μm的绝缘漆覆层，这尤其在最大层厚度为100μm的很薄的电工叠片的情况下有显著的附加时间和成本耗费。此外，在这样薄的电工叠片中，磁性无效的漆层占据按比例显著份额的总叠片厚度，进而显著降低了堆叠系数进而降低了电机的性能。
发明内容
本发明的基本目的是：提供一种用于电机的叠片组的材料层，该材料层与现有技术相比能被更简单、更便宜地制造并且实现更大的堆叠系数。
根据本发明，该目的通过一种用于电机的叠片组的材料层来实现，该材料层由铁磁材料制成并且在至少一个层侧上具有电绝缘覆层，其中，电绝缘覆层包括电绝缘材料，并且其中，通过材料层的铁磁材料的受控氧化来制造电绝缘覆层的电绝缘材料。
此外，根据本发明，该目的通过一种用于电机的叠片组来实现，该叠片组具有多个这种材料层。
此外，根据本发明，该目的通过一种旋转电机来实现，该旋转电机具有至少一个叠片组。
此外，根据本发明，该目的通过一种用于制造用于电机的叠片组的材料层的方法来实现，其中由铁磁材料制成坯体，其中烧结坯体，其中在烧结过程之后立即通过材料层的铁磁材料的受控氧化在至少一个层侧上制造电绝缘覆层。
下面列出的关于材料层的优点和优选设计方案的方面可以转用于叠片组、电机和方法。
本发明基于以下构思：通过减少材料层之间的绝缘部的层厚度来增加用于电机的叠片组中的堆叠系数。这种材料层由铁磁材料制成。铁磁材料例如是铁和铁合金、特别是铁基合金。铁基合金例如是铁-钴和铁-硅。这种绝缘部构造为电绝缘覆层并且设置在至少一个层侧上，其中电绝缘覆层包括电绝缘材料。电绝缘材料例如是氧化铁，特别是一氧化铁(FeO，也称为氧化铁(II))、四氧化三铁(Fe3O4，也称为氧化铁(II，III)或磁铁矿)和三氧化二铁(Fe2O3，也称作氧化铁(III))。电绝缘覆层通过使材料层的铁磁材料受控氧化的方式制成。受控氧化发生在具有受控气氛的封闭区域中。这意味着：针对受控氧化，在限定的持续时间期间对氧分压可用的预设的温度范围中设置限定的氧分压。以这种方式，可以经由限定的氧化还原电势简单且便宜地制造电绝缘覆层的期望的组分和层厚度。此外，可以通过受控氧化制造非常薄的层、例如薄于1μm的层，这增加了叠片组中的堆叠系数。
另一实施方式提出：铁磁材料具有至少8MS/m的电导率。例如，铁磁材料是铁或铁合金。根据经验，这种电导率已被证明是特别有利的。
另一实施方式提出：铁磁材料包含铁，其中电绝缘材料包含氧化铁、特别是一氧化铁和/或四氧化三铁。铁由于其冶金特性而良好地适合于制造薄叠片。此外，铁能以受控的方式简单且便宜地被氧化，其中通过受控氧化可以制造薄的氧化物层，该氧化物层实现大的堆积系数。
另一实施方式提出：电绝缘覆层的电绝缘材料具有亚铁磁材料和/或具有至少为3的磁导率。亚铁磁材料例如是四氧化三铁。通过这种绝缘增加了叠片组的磁体积量。
另一实施方式提出：电绝缘覆层具有最大1μm的层厚度。通过这样小的层厚度，即使在叠片薄的情况下也达到足够高的堆叠系数。
另一实施方式提出：材料层具有10μm至150μm、特别是10μm至100μm的层厚度。在这种层厚度的情况下，例如在电机中使用时实现充分的涡流抑制。
另一实施方式提出：材料层由坯体制成。坯体例如通过丝网印刷、模版印刷或粘合剂喷射被制造。特别地，坯体具有粘合剂、特别是有机粘合剂以及铁磁固体颗粒，其中铁磁固体颗粒例如作为合金粉末或作为纯元素构成的粉末的混合物存在。可以在强度、磁和/或电特性、热导率和氧化产物的类型方面来调适粉末。
另一实施方式提出：材料层在两个层侧上具有电绝缘覆层。这种两侧绝缘增加可靠性，尤其在薄绝缘覆层的情况下增加可靠性。
另一实施方式提出：在还原性气氛中烧结坯体。还原性气氛例如包含氢-氮混合物或氢-惰性气体混合物，特别包含氢-氩混合物。氮气或惰性气体起冲洗气体的作用。例如，在含有95％氮气和5％氢气的合成气体中烧结坯体。通过还原性气氛防止氧化，从而防止污染。特别地，通过从坯体中移除碳原子，在还原性气氛中基本上无残留地排出有机粘合剂。
另一实施方式提出：通过添加水蒸气来有针对性地设置氧化还原电势，以对铁磁材料进行受控氧化。例如，经由将大气中的水蒸气在限定的温度下集中来进行氧化还原电势的有针对性的设置。通过输送水蒸气进行氧化是简单且便宜的，尤其在还原性气氛中烧结后立即进行是简单且便宜的。
另一实施方式提出：通过设置氧分压、氧分压可用的温度范围和持续时间使至少一个层侧受控氧化。例如，在给定的氧分压和给定的氧分压可用的温度中的层厚度基本上通过持续时间来设置，而构成的氧化物层的组分基本上通过氧分压决定和氧分压可用的温度范围来控制。通过改变参数，可以简单且便宜地制造期望类型和层厚度的氧化物层。
另一实施方式提出：铁磁材料包含铁，其中设置氧分压、氧分压可用的温度范围和持续时间，以使电绝缘材料包含预定份额的一氧化铁和/或四氧化三铁。以该方式能够简单且便宜地制造期望类型和层厚度的氧化铁层。
附图说明
下面，根据附图中所示的实施例更详细地描述和阐述本发明。
附图示出：
图1示出旋转电机的示意横截面图，
图2示出材料层的第一实施方案的示意图，
图3示出材料层的第二实施方案的示意图，
图4示出用于制造材料层的方法的示意图，
图5示出不同的氧化铁的热力学相图，以及
图6示出作为时间和温度的函数的铁等温氧化动力学曲线。
具体实施方式
以下阐述的实施例是本发明的优选的实施方式。在实施例中，实施方式的所描述的部件分别为本发明的各个可彼此独立考虑的特征，这些特征分别也彼此独立地改进本发明，进而也可以单独地或以与所示出组合不同的组合视作为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也可以通过本发明的已经描述的特征中的其他特征来补充。
相同的附图标记在不同的图中具有相同的含义。
图1示出旋转电机2的示意横截面图。可用作马达和/或发电机的旋转电机2具有可绕旋转轴线4旋转的转子6和定子8，其中定子8例如沿径向设置在转子6之外。旋转轴线4限定轴向方向、径向方向和环周方向。在转子6和定子8之间设有流体间隙10，该流体间隙特别构造为气隙。
转子6具有轴12和转子叠片14，其中转子叠片14抗扭地与轴12连接。转子叠片组14包括多个相互电绝缘的堆叠的材料层16，材料层具有在10μm至150μm的范围内、特别是10μm至100μm的第一层厚度d1，并且由铁磁材料、例如铁或铁合金制成。此外，转子6包括与转子叠片组14连接的多个永磁体18以用于同步电机运行。转子6尤其可以具有用于作为异步电机或励磁绕组运行的鼠笼绕组以尤其代替永磁体18。转子6的轴12可转动地设置在轴承20之上。
定子8包括其中容纳有定子绕组24的定子叠片组22。定子叠片组22包括多个相互电绝缘的堆叠的材料层16，材料层具有在从10μm到150μm、特别是10μm到100μm的范围内的第二层厚度d2，并且由铁磁材料、例如铁或铁合金制成。转子6和定子8被容纳在闭合的壳体26中。
图2示出材料层16的第一实施方案的示意图，材料层具有在10μm至150μm范围内、特别是10μm至100μm的层厚度d，并且例如通过丝网印刷、模板印刷或粘合剂喷射和随后的烧结制成。图2中的材料层16可配置用于转子叠片组14或定子叠片组22，并且由铁磁材料、例如铁或铁基合金制成，铁磁材料具有至少8MS/m的电导率。材料层16的层侧28具有电绝缘覆层30，该覆层适合于使堆叠的材料层16例如在叠片组14、22中使用时彼此电绝缘。电绝缘覆层30由电绝缘材料制成，其中电绝缘材料的电导率至少小于铁磁材料的电导率1000倍。此外，电绝缘覆层30具有最大1μm的覆层厚度s1。
电绝缘覆层30通过材料层16的铁磁材料的受控氧化来制造。在受控氧化时，电绝缘覆层30的组分以及覆层厚度s经由限定的氧化还原电势来设置。在此，材料层16的表面在限定的氧分压下、在氧分压可用的预设的温度范围内、在限定的持续时间期间被氧化。形成的氧化物层的组分和覆层厚度s因此可以通过气氛的组分、温度和持续时间来控制。
在由铁制成的材料层16中，材料层16的表面借助于水蒸气被氧化，其中经由水蒸气在气氛中的份额可以设置氧化层的类型和厚度。在此，一氧化铁(FeO)和/或四氧化三铁(Fe3O4)形成电绝缘材料，其中氧化铁的份额可经由气氛的组分、温度和持续时间来控制。
特别地，电绝缘覆层30的电绝缘材料具有至少为3的磁导率，其中电绝缘材料的磁导率可经由其组分来控制。图2中的材料层16的其他的设计方案对应于图1中的设计方案。
图3示出材料层16的第二实施方案的示意图，材料层在两个层侧28、32上具有电绝缘覆层30、34。第一覆层厚度s1设在第一层侧28上，而第二覆层厚度s2设在第二层侧32上。例如，第一覆层厚度s1对应于第二覆层厚度s2。图3中的材料层16的其他的设计方案对应于图2中的设计方案。
图4示出用于制造材料层16的方法的示意图。在一个方法步骤中，通过模板将悬浮液36施加到基面40上以获得坯体42，悬浮液包括至少一种特别是有机的粘合剂以及铁磁固体颗粒、特别是铁颗粒。例如，悬浮液36借助于刮刀经由模板38施加在基面40上，该模板可以具有筛。可替代地，坯体42借助于粘合剂喷射来制造。
在随后的方法步骤中，粘合剂从坯体42中排出，尤其借助于脱脂排出，并且烧结坯体42，其中通过烧结工艺创建铁磁固体颗粒的永久结合。烧结和脱脂在具有受控气氛的封闭区域中发生。坯体42在还原性气氛下被脱脂和烧结。还原性气氛例如包含氢-氮混合物或氢-惰性气体混合物、特别是氢-氩混合物。氮气或惰性气体起冲洗气体作用。例如，坯体42在包含95％氮和5％氢的合成气体下被烧结。通过还原性气氛防止氧化，从而防止污染。特别地，通过从坯体中移除碳原子在还原性气氛中基本上无残留地排出有机粘合剂。在脱脂时并且在烧结时，坯体42的尺寸根据所使用的材料而减小，使得通过烧结工艺形成的材料层16具有10μm至150μm、特别是10μm至100μm的层厚度d。
在随后的方法步骤中，通过材料层16的铁磁材料的受控氧化制造电绝缘覆层30。通过氧化制造电绝缘覆层30发生在具有受控气氛的封闭的区域中。特别地，电绝缘覆层30的制造发生在与烧结过程相同的封闭的区域中。在限定的氧压下，在氧分压可用的预设的温度范围中，在限定的持续时间期间，将与包围材料层16的气氛处于在流体方面连接的、材料层16的表面44的至少一部分氧化。在气氛的给定的组分和温度的情况下，覆层厚度s基本上通过持续时间来设置。构成的氧化物层的组分基本上可以通过氧分压和氧分压可用的温度范围来控制。特别地，材料层16由铁制成，其中材料层16的表面44借助于气氛中的水蒸气被氧化。例如通过翻转材料层16实现在两侧氧化。图4中材料层16的其他的实施方案对应于图3中的实施方案。
图5示出用于不同的氧化铁的热力学状态图。热力学相图示出作为温度T倒数和H2与H2O的气氛中的水蒸气份额的函数的相应的氧分压pO2，其中气氛包含氮气、氢气和水蒸气。此外，不同的铁氧化物(FeO、Fe3O4、Fe2O3)的分解压力作为温度T倒数的函数来表示。分解压力、也称为离解压力或形成压力表示如下氧分压，在该氧分压下刚好存在将金属氧化成金属氧化物和将金属氧化物还原成金属之间的平衡。如果在气氛中氧分压pO2大于相应金属的分解压力，则发生氧化。如果例如氧分压pO2大于Fe3O4的分解压力，则Fe3O4是稳定的；相反如果低于，则形成贫氧化合物FeO。如果在特定温度下氧分压pO2与分解压力相同，则两个固相、例如FeO和Fe3O4相互共存。因此，借助图4中所示的方法，可以经由氧分压和氧分压可用的温度范围设置：在电绝缘覆层30中形成何种氧化物。
图6示出作为时间t和温度T的函数的铁等温氧化动力学曲线。铁氧化物的重量增加Δm作为限定气氛中的时间t和温度T的函数示出。因此，在给定气氛下，通过改变时间t和温度T，可以借助图4中所示的方法形成限定的覆层厚度s。
总之，本发明涉及一种用于电机2的叠片组14、22的材料层16。与现有技术相比，为了实现更简单和更经济的制造以及更大的堆叠系数而提出：材料层16由铁磁材料制成并且在至少一个层侧28、32上具有电绝缘覆层30、34，其中，电绝缘覆层30、34包括电绝缘材料，其中，通过材料层16的铁磁材料的受控氧化来制造电绝缘覆层30、34的电绝缘材料。

Claims (15)

1.一种用于电机(2)的叠片组(14，22)的材料层(16)，
所述材料层由铁磁材料制成，并且
所述材料层在至少一个层侧(28，32)上具有电绝缘覆层(30，34)，
其中，所述电绝缘覆层(30，34)包括电绝缘材料，
其中，通过所述材料层(16)的所述铁磁材料的受控氧化来制造所述电绝缘覆层(30，34)的所述电绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的材料层(16)，其中，所述铁磁材料具有至少8MS/m的电导率。
3.根据权利要求1或2所述的材料层(16)，其中，所述铁磁材料包含铁，并且其中，所述电绝缘材料包含氧化铁、特别是一氧化铁和/或四氧化三铁。
4.根据前述权利要求中任一项所述的材料层(16)，其中，所述电绝缘覆层(30，34)的所述电绝缘材料具有亚铁磁材料和/或具有至少为3的磁导率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的材料层(16)，其中，所述电绝缘覆层(30，34)具有最大1μm的覆层厚度(s，s1，s2)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的材料层(16)，所述材料层具有10μm至150μm、特别是10μm至100μm的层厚度(d，d1，d2)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的材料层(16)，所述材料层由坯体(42)制成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的材料层(16)，所述材料层在两个层侧(28，32)上具有所述电绝缘覆层(30，34)。
9.一种用于电机(2)的叠片组(14，22)，所述叠片组具有多个根据权利要求1至8中任一项所述的材料层(16)。
10.一种旋转电机(2)，具有至少一个根据权利要求9所述的叠片组(14，22)。
11.一种用于制造用于电机(2)的叠片组(14，22)的材料层(16)的方法，
其中，由铁磁材料制成坯体(42)，
其中，烧结所述坯体(42)，
其中，在烧结过程之后立即通过所述材料层(16)的所述铁磁材料的受控氧化在至少一个层侧(28，32)上制造电绝缘覆层(30，34)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在还原性气氛下烧结所述坯体(42)。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，通过添加水蒸气有针对性地设置用于所述铁磁材料的所述受控氧化的氧化还原电势。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，通过设置氧分压、氧分压可用的温度范围和持续时间，使所述至少一个层侧(28，32)受控地氧化。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述铁磁材料包含铁，并且其中，设置所述氧分压、所述氧分压可用的温度范围和所述持续时间，以使电绝缘材料包含预定份额的一氧化铁和/或四氧化三铁。
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