DE102005021496A1

DE102005021496A1 - Verfahren zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements einer elektrischen Maschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102005021496A1
Application number: DE200510021496
Authority: DE
Inventors: Falko Winter; Klaus Hrastnik; Marion Herwerth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2006-11-16
Also published as: WO2006120093A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements (10) einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol, wobei das Element (10) nach einem Umformprozess einer anschließenden Temperaturbehandlung unterzogen wird. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass die Temperaturbehandlung durch elektromagnetische Induktion erfolgt. Es wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements einer elektrischen Maschine und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Klauenpole bzw. Polräder von Generatoren können in einem Kaltumformprozess hergestellt werden. Die bei der Umformung auftretenden Spannungen in den umgeformten Komponenten werden bei einer anschließenden Temperaturbehandlung, bei der die Komponenten geglüht werden, wieder abgebaut. Die bei der Temperaturbehandlung eintretende Rekristallisation dient in erster Linie der Verbesserung der magnetischen Eigenschaften des Materials und somit zur Leistungssteigerung des Generators. Neben den magnetischen Eigenschaften werden auch die mechanischen Eigenschaften der Komponenten bei der Temperaturbehandlung beeinflusst. Die Klauenpole werden üblicherweise bei 600°C–700°C in gasbeheizten oder strombeheizten Durchlauföfen geglüht. Die Temperaturbehandlung lässt sich schwer überwachen; zudem besteht bei den Durchlauföfen ein erheblicher Energie- und Platzbedarf. Sie lassen sich daher schwer in einen Fertigungsprozess integrieren.
Vorteile der Erfindung
Es wird vorgeschlagen, bei der Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol, wobei das Element nach einem Umformprozess einer anschließenden Temperaturbehandlung unterzogen wird, die Temperaturbehandlung durch elektromagnetische Induktion zu bewerkstelligen. Durch die Wirbelströme im Bauteil aufgrund des induzierten elektromagnetischen Feldes wird das elektrisch leitfähige Element aufgeheizt. Induktoröfen verursachen durch hohen elektrischen Strom und hohe Frequenzen in einem speziell geformten Leiter (Induktor) einen Wärmeeintrag in elektrisch leitenden Stoffen, die dem elektromagnetischen Feld des Induktors ausgesetzt sind. Die Glühung des Elements oder auch einer Mehrzahl von Elementen kann unmittelbar an eine Taktzeit der Fertigung, bei Klauenpolen an die Taktzeit der Klauenpolfertigung, angepasst werden. Das Element wird unmittelbar erhitzt, ohne dass eine Zone mit erhöhter Temperatur außerhalb des Elements geschaffen und aufrechterhalten werden muss, wie dies ein einem strombeheizten oder gasbefeuerten Durchlaufglühofen der Fall ist. Die Glühung kann dynamischer ablaufen als bei einem konventionellen, trägen Durchlaufglühofen. Die Glühung im Induktorofen ist durch Beobachtung der Ofenparameter überwachbar und mit guter Genauigkeit reproduzierbar.
Das Element kann inhomogen mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt und eine gezielte inhomogene Temperaturverteilung im Element erzeugt werden. Durch die Form des Induktors können manche Bereiche jedes Elements mehr und andere weniger geglüht werden. Es ist ein Optimum erzielbar, wenn die inhomogene Temperaturverteilung so eingestellt wird, dass magnetisch weiche Bereiche separat von mechanisch harten Bereichen im Element ausgebildet werden.
Dadurch, dass das Element oder die Elemente geordnet gehandhabt und mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt werden, kann jedes einzelne Element genau überwacht werden.
Bevorzugt werden das Element oder die Elemente bei der Temperaturbehandlung sortiert gehandhabt und weiterverarbeitet, was einen Fertigungsprozess, insbesondere bei einer Serienfertigung mit großen Stückzahlen, erleichtert.
In einer günstigen Ausgestaltung erfolgt die Temperaturbehandlung bei einer Haltetemperatur zwischen 600°C und 850°, bevorzugt zwischen 650°C und 800°C. Zweckmäßigerweise wird unter Schutzgasatmosphäre geglüht. Eine Aufheizzeit wird günstigerweise zwischen 5 s und 35 s eingestellt, bevorzugt zwischen 10 s und 30 s. Weiterhin ist günstig, das Element oder die Elemente während 5 s bis 35 s bei einer vorgegebenen Temperatur zu halten, bevorzugt während 10 s bis 30 s. Die Aufheizzeit und/oder die Haltezeit bei einer bestimmten Temperatur können individuell eingestellt und leicht überwacht werden. Beim Abkühlen kann ab einer geeigneten Temperatur, z.B. ab 500°C, bevorzugt ab 400°C, eine oxidierende Atmosphäre, z.B. Luft, eingestellt werden. Die Elemente überziehen sich dann mit einer leichten, gleichmäßigen Oxidschicht, die als Korrosionsschutz dienen kann. Aufheizzeit und/oder Haltedauer bei einer vorgegebenen elektrischen Leistung des Induktors, bzw. entsprechend einer gegebenen Temperatur, können abhängig von Bauteilgeometrie des oder der Elemente und/oder der Größe und/oder der Form und/oder der Applikation des oder der Elemente leicht und unkompliziert eingestellt werden.
In einer günstigen Weiterbildung wird während der Temperaturbehandlung das Element oder werden die Elemente unterschiedlichen elektromagnetischen Feldverteilungen ausgesetzt, indem z.B. verschiedene Induktoren aufeinander folgen und während ein Element durch die Induktoren geführt wird oer die Leistung der Induktoren variiert. Durch die Übergabe des Elements oder der Elemente z.B. während der Glühung von einem Induktor zum nächsten kann die Größe der zum Induktor gehörenden Generatoren geeignet angepasst werden.
Es wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol, vorgeschlagen, wobei das Element nach einem Umformprozess einer Temperaturbehandlung unterzogen wird, bei der ein Induktorofen mit wenigstens einem Induktor vorgesehen ist, um das Element oder eine Mehrzahl von Elementen mit einer elektromagnetischen Induktionsspannung zu beaufschlagen. Ein Induktorofen kann leicht abgeschaltet und schnell wieder hochgefahren werden. Prozessparameter lassen sich leicht reproduzieren, so dass aufeinander folgende Chargen von Elementen definierten Parametern ausgesetzt werden können. Ein Induktorofen hat einen geringeren Platzbedarf als ein befeuerter oder strombeheizter Durchlaufglühofen und kann flexibler als dieser in einem Fertigungsprozess eingesetzt werden.
In einer günstigen Ausgestaltung weist der Induktorofen einen Durchlaufinduktor auf. Elemente können zur Temperaturbehandlung während der gewünschten Glühzeit durch den Durchlaufinduktor durchgeschoben werden. Die Handhabung ist besonders einfach. Die Form des Induktors kann auch an die gewünschte Energieeinbringung angepasst sein, z.B. für die Aufheizphase, in der viel Energie benötigt wird und für die Haltezeit, in der weniger Energie benötigt wird.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung kann für einzelne Elemente jeweils ein einzelner Induktor vorgesehen sein. Es ist auch möglich, für ein oder mehrere Elemente, z.B. zwei bis zehn Stück, jeweils eine Induktorbaugruppe vorzusehen. Hie kann der Induktor ganz speziell an die Form des Elements angepasst sein. Hierdurch ist es möglich, in den mechanisch wichtigen, insbesondere mechanisch belasteten Bereichen die Elemente, insbesondere Klauenpole, hart auszubilden, während in den für die magnetische Funktion des Elements magnetisch wichtigen Bereichen die Elemente ausreichend zu rekristallisieren und magnetisch weich auszubilden.
Durch eine Übergabe des Elements oder der Elemente z.B. während der Glühung von einem Induktor zum nächsten kann eine Größe der zum Induktor gehörenden Generatoren geeignet angepasst werden. Zum Halten der Temperatur benötigt der Induktor weniger Energie als zum Aufheizen. Ein kleinerer Induktor ist günstig und hat einen geringeren Stromverbrauch als ein größerer Induktor.
Bevorzugt ist eine Klauenpolmaschine mit wenigstens einem Klauenpol, wobei der Klauenpol gemäß wenigstens einem der beschriebenen Verfahrensschritte hergestellt ist.
Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in Ansprüchen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus nachfolgend anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Im Folgenden zeigen:
1 eine bevorzugte Vorrichtung mit einem Durchlaufinduktor; und
2a, b eine bevorzugte Vorrichtung mit einem Einzelinduktor (b) und mit einer Induktorbaugruppe (a).
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 illustriert eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements 10 einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol. Eine Mehrzahl von als Klauenpole für eine Klauenpolmaschine ausgebildeten Elementen 10 werden in einer Transportrichtung 16 auf einem Transportband 11 durch einen als Durchlaufinduktor 12 ausgebildeten Induktorofen geschoben und verlassen den Durchlaufinduktor 12 in rekristallisiertem Zustand.
Die Elemente 10 werden, sobald sie in das elektromagnetische Feld des Durchlaufinduktors 12 gelangen, innerhalb weniger Sekunden, bevorzugt 10 s bis 30 s, auf ihre Glühtemperatur aufgeheizt. Dann folgt eine Temperaturbehandlung bei einer Haltetemperatur zwischen 600°C und 850°, bevorzugt zwischen 650°C und 800°C. Zweckmäßigerweise wird unter Schutzgasatmosphäre geglüht. Eine typische Haltezeit bevorzugt zwischen 10 s und 30 s. Beim Abkühlen kann ab einer geeigneten Temperatur, z.B. ab 500°C, bevorzugt ab 400°C, eine oxidierende Atmosphäre, z.B. Luft, eingestellt werden. Der Durchlaufinduktor 12 weist eine entsprechende Länge auf, so dass die Elemente 10 mit im Wesentlichen gleich bleibender Geschwindigkeit beim Durchlaufen in den vorher genannten Zeiten erhitzt und geglüht werden und den Durchlaufinduktor 12 ausreichend abgekühlt, z.B. mit einer Temperatur von 400°C, verlassen.
Die Aufheizzeit und/oder die Haltezeit bei einer bestimmten Temperatur können individuell eingestellt und leicht überwacht werden.
Die Form des Durchlaufinduktors 12 kann passend zu den beim Aufheizen bzw. beim Glühen notwendigen elektromagnetischen Feldstärken ausgebildet sein. Ebenso können zwei oder mehrere Induktoren aufeinander folgend angeordnet sein und von den Elementen 10 während er Temperaturbehandlung durchlaufen werden.
2a und 2b zeigen bevorzugte Ausgestaltungen, bei denen jeweils ein Induktor 14 oder 15 so gestaltet sein kann, dass das Element 10 inhomogen mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt und eine gezielte inhomogene Temperaturverteilung im Element 10 erzeugt werden kann. Dabei wird die inhomogene Temperaturvertei lung so eingestellt, dass magnetisch weiche Bereiche separat von mechanisch harten Bereichen im Element 10 ausgebildet werden.
Dies kann mittels einer Induktorbaugruppe 13 erfolgen, die aus einzelnen Induktoren 14 aufgebaut ist, wobei einzelne Elemente 10 zwischen den Induktoren 14 angeordnet sind (2a). Alternativ kann für jedes einzelne Element 10 ein Einzelinduktor 15 vorgesehen sein (2b). Die Form des Induktors 15 bzw. die Anordnung der einzelnen Induktoren 14 der Induktorbaugruppe 13 kann genau auf die Form jedes Elements 10 abgestimmt sein, so dass gezielt eine inhomogene Temperaturverteilung in dem Elementen 10 hervorgerufen werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements (10) einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol, wobei das Element (10) nach einem Umformprozess einer anschließenden Temperaturbehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung durch elektromagnetische Induktion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) inhomogen mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt und eine gezielte inhomogene Temperaturverteilung im Element (10) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Temperaturverteilung so eingestellt wird, dass magnetisch weiche Bereiche separat von mechanisch harten Bereichen im Element (10) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Elementen (10) in geordneter Lage mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) oder die Ele mente (10) bei der Temperaturbehandlung sortiert gehandhabt und weiterverarbeitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung bei einer Haltetemperatur zwischen 600°C und 850°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufheizzeit zwischen 5 s und 35 s eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) oder die Elemente (10) während 5 s bis 35 s bei einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird oder werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) oder die Elemente (10) beim Abkühlen ab etwa 400°C einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt wird oder werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Temperaturbehandlung das Element (10) oder die Elemente (10) unterschiedlichen elektromagnetischen Feldverteilungen ausgesetzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements (10) einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol, wobei das Element (10) nach einem Umformprozess einer Temperaturbehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktor ofen mit wenigstens einem Induktor (12, 14, 15) vorgesehen ist, um das Element (10) oder eine Mehrzahl von Elementen (10) mit einer elektromagnetischen Induktionsspannung zu beaufschlagen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktorofen einen Durchlaufinduktor (12) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass für einzelne Element (10) jeweils ein einzelner Induktor (15) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für ein oder mehrere Elemente (10) jeweils eine Induktorbaugruppe (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor an die Form des Elements (10) angepasst ist.
Klauenpolmaschine mit wenigstens einem Klauenpol, dadurch gekennzeichnet, dass der Klauenpol gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9 hergestellt ist.