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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetmoduls mit einem Permanentmagneten, der zur Bildung eines Magnetpols als Bestandteil eines Läufers einer elektrodynamischen Maschine vorgesehen ist, und mit einer im am Läufer montierten Zustand als Schutzelement vor mechanischen und chemischen Umgebungseinflüssen dienenden Kappe.
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Eine als elektrischer Generator oder als Elektromotor ausgebildete elektrodynamische Maschine hat bei permanent erregter Ausführung einen mit mehreren Permanentmagneten versehenen Läufer. Diese Permanentmagnete sind vor mechanischen Einflüssen, die beispielsweise bei hohen Drehzahlen durch die dann auftretenden Fliehkräfte bedingt sind, und vor Umgebungseinflüssen, die beispielsweise durch Feuchtigkeit und chemisch aggressive Medien bedingt sind, zu schützen.
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Bei bekannten elektrodynamischen Maschinen erfolgt dieser Schutz mittels Bandagierens oder Einsetzens in eine Kappe. Alternativ können die Permanentmagnete auch mit einem Kunststoff umgossen oder im Läufer vergraben, d. h. in Ausstanzungen des Läuferblechpakets eingesetzt, werden. Diese bekannten Schutzmaßnahmen sind jedoch mit einem nicht unerheblichen Fertigungsaufwand verbunden.
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In der
EP 1 564 764 A2 wird ein Herstellungsverfahren für einen Magnetschichtaufbau mit einer inneren hartmagnetischen und einer äußeren weichmagnetischen Schicht beschrieben. Das pulverförmige Ausgangsmaterial wird in eine Form gepresst und danach gesintert.
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In der
US 4 915 891 A wird ein Extrusionsverfahren zur Herstellung eines unsymmetrischen Permanentmagneten beschrieben, bei dem magnetisches Ausgangsmaterial in einen Behälter eingebracht wird. Dieser so befüllte Container wird durch einen Extrusionskopf gepresst, wodurch die unsymmetrische Form des hergestellten Permanentmagneten erreicht wird.
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In der
DE 764 867 A wird ein Verfahren zur nachträglichen Beschichtung eines Permanentmagneten mit einem Metallüberzug beschrieben.
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In der
DE 40 14 266 C2 wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten beschrieben, bei dem ein Magnetpulver in eine Form gebracht, verdichtet und danach gesintert wird.
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In der
WO 03/043 033 A1 wird in induktives Bauelement beschrieben, bei dem ein weichmagnetischer, insbesondere pulverförmiger Kern zusammen mit einer Wicklung in einer Aluminium-Form angeordnet ist. Das Herstellungsverfahren dieses induktiven Bauelements wird nicht näher beschrieben.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das einen kostengünstigen Schutz der Permanentmagnete des Läufers einer elektrodynamischen Maschine ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein solches, bei dem
- a) eine aus einem Überzugsmaterial bestehende Kappe oder ein die Kappe bildendes Überzugsmaterial in eine Sinterform eingebracht wird,
- b) magnetisches Ausgangsmaterial in das Überzugsmaterial eingebracht wird,
- c) das magnetische Ausgangsmaterial in der Kappe erhitzt wird, und
- d) der Permanentmagnet in der Kappe mittels eines Sintervorgangs aus dem magnetischen Ausgangsmaterial gebildet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine kostengünstige Herstellung einer Einheit aus Permanentmagnet und als Schutz dienender Kappe. Diese Einheit ist ein „Magnetmodul” oder ein „Magnetsystem”, das nach seiner erfindungsgemäßen Herstellung insbesondere ohne wesentliche weitere Zwischenbearbeitungsschritte am Läufer der elektrodynamischen Maschine montiert werden kann. Die unmittelbare Herstellung des Permanentmagneten in der später zum Schutz vorgesehenen Kappe spart ansonsten zusätzlich erforderliche Arbeitsschritte ein, sodass der gesamte Fertigungs- und Kostenaufwand sinkt.
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Die Kappe dient einem mechanischen Schutz. Sie hält beispielsweise während des Betriebs vom Permanentmagnet abplatzende Splitter zurück und verhindert so, dass die Splitter aufgrund der Magnetkräfte stark beschleunigt innerhalb der elektrodynamischen Maschine umherfliegen und gravierende Folgeschäden anrichten. Außerdem bietet die Kappe auch einen Korrosionsschutz, der insbesondere bei einem Einsatz in salzhaltiger Umgebungsluft, wie beispielsweise bei einem Offshore Windkraftgenerator, von Vorteil ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist eine Variante, bei der das eingebrachte magnetische Ausgangsmaterial vor dem Sintervorgang magnetisiert, dann in die Kappe gepresst und danach vorzugsweise wieder entmagnetisiert wird. Das Pressen des magnetisierten Ausgangsmaterials bewirkt eine Materialverdichtung und zugleich eine günstige Ausrichtung der Elementarmagnete. Eine anschließende Entmagnetisierung erleichtert die Handhabung während der sich folgenden Fertigungsschritte. Nach Entnahme des in die Kappe eingesinterten Permanentmagneten aus der in der Regel eisenhaltigen Sinterform erfolgt dann insbesondere die endgültige Magnetisierung.
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Weiterhin kann als Überzugsmaterial vorzugsweise ein sinterfähiges Material verwendet werden, das gemeinsam mit dem magnetischen Ausgangsmaterial gesintert wird. Dadurch Schrumpfen sowohl das magnetischen Ausgangsmaterial als auch das Überzugsmaterial, sodass mechanische Spannungen und/oder Riss- und Lückenbildungen zwischen beiden Materialien weitestgehend vermieden werden. Es ergibt sich ein guter, d. h. enger mechanischer Kontakt zwischen dem Permanentmagneten und der Kappe.
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Gemäß einer anderen günstigen Variante wird während des Sintervorgangs zumindest teilweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Überzugsmaterial und dem hergestellten Permanentmagneten gebildet. Dieser Stoffschluss kann beispielsweise auf einer chemischen Reaktion oder auf einer Adhäsionswirkung beruhen. Es resultiert wiederum ein guter mechanischer Kontakt und ein stabiler Sitz zwischen dem Permanentmagneten und der Kappe.
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Vorzugsweise wird weiterhin das eingebrachte magnetische Ausgangsmaterial vor dem Sintervorgang, insbesondere vollständig, mit einer Grundplatte abgedeckt. Die Grundplatte wird mit angesintert und ist somit ebenfalls integraler Bestandteil des in einem Verfahrensgang hergestellten Magnetmoduls bzw. Magnetsystems. Sie dient insbesondere zur einfacheren Befestigung des Magnetmoduls bzw. Magnetsystems auf der Oberfläche des Läufers.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird ein freies Ende der Kappe insbesondere um das eingebrachte magnetische Ausgangsmaterial umgebogen. So wird ein guter, d. h. abdichtender Verschluss des Permanentmagneten erreicht.
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Die abdichtende Wirkung lässt sich weiter steigern, wenn gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung das umgebogene freie Ende der Kappe und die Grundplatte während des Sintervorgangs miteinander verbunden, insbesondere miteinander verlötet, werden. So resultiert ein hermetischer Verschluss und eine Kapselung des Permanentmagneten.
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Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der das magnetische Ausgangsmaterial, insbesondere vollständig, mit einer in die Kappe eingebrachten Zwischenlage umgeben wird. Die Zwischenlage besteht beispielsweise aus einem Kunststoff. Sie bewirkt eine Kompensation von unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Permanentmagneten und der Kappe.
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Außerdem gibt es eine vorteilhafte Ausgestaltung, bei der ein Halteelement in die Kappe eingesetzt und während des Sintervorgangs in den Permanentmagneten eingesintert wird. Dadurch erleichtert sich die Montage des Magnetmoduls bzw. Magnetsystems auf der Oberfläche des Läufers.
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Besonders günstig ist eine Variante, bei der als Halteelement eine Hülse, die insbesondere ein Innengewinde aufweist, vorgesehen wird. Dann lässt sich das Magnetmodul bzw. Magnetsystem mittels einer einfachen Schraubverbindung am Läufer befestigen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines in eine Kappe eingesinterten Permanentmagneten,
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2 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines in eine Kappe eingesinterten und mit einer Grundplatte abgedeckten Permanentmagneten,
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3 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines in eine Kappe eingesinterten und mit einer Zwischenlage umgebenen Permanentmagneten,
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4 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines in eine Kappe eingesinterten, mit einer Zwischenlage umgebenen und mit einer Grundplatte abgedeckten Permanentmagneten,
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5 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines in eine Kappe eingesinterten und mit einem Haltestift versehnen Permanentmagneten, und
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6 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines in eine Kappe eingesinterten und mittels einer umgebogenen und an eine abdeckende Grundplatte angelöteten Kappenwand hermetisch verschlossenen Permanentmagneten.
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Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Permanentmagneten gezeigt, der zum Einsatz als Magnetpol eines Läufers einer elektrodynamischen Maschine bestimmt ist.
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In eine Sinterform 1 wird eine Kappe 2 aus einem Überzugsmaterial eingebracht. Diese Kappe 2 wird anschließend mit einem magnetischen Ausgangsmaterial 3, das im Ausführungsbeispiel ein entmagnetisiertes fein gemahlenes Neodym-Eisen-Pulver ist, befüllt. Danach erfolgt eine Magnetisierung des Ausgangsmaterials 3.
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Das so magnetisierte Ausgangsmaterial 3 wird mittels eines in 1 gezeigten Pressstempels 4 komprimiert, wodurch zugleich eine Ausrichtung der Elementarmagnete erreicht wird.
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Im Anschluss wird das Ausgangsmaterial 3 wieder entmagnetisiert, ehe es einer Temperaturbehandlung unterzogen wird. Durch diese Erhitzung wird das Ausgangsmaterial 3 zu dem Permanentmagneten gesintert. Vorteilhafterweise erfolgt dieser Sintervorgang bereits innerhalb der Kappe 2, die später während des Einsatzes in der elektrodynamischen Maschine als Schutzelement vor mechanischen und chemischen Umgebungseinflüssen wirkt. Es entsteht ein Verbund aus der Kappe 2 und dem aus dem magnetischen Ausgangsmaterial 3 gesinterten Permanentmagneten. Der Permanentmagnet ist in die Kappe 2 eingesintert.
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Der so hergestellte Permanentmagnet hat insbesondere einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten, sodass er sich beim Abkühlen ausdehnt, und fest in die Kappe 2 gepresst wird. So entsteht ein fester mechanischer Zusammenhalt zwischen dem Permanentmagneten und der Kappe 2.
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Der mechanische Zusammenhalt zwischen dem Permanentmagneten und der Kappe 2 wird dadurch verbessert, dass es während des Sintervorgangs aufgrund chemischer und/oder physikalischer Reaktionen zu einer stoffschlüssigen Verbindung im Grenzbereich zwischen dem Permanentmagneten und der Kappe 2 kommt. Die Kappe 2 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Kunststoff mit einer guten mechanischen Festigkeit und mit einer Eignung zu der genannten stoffschlüssigen Verbindung mit dem Permanentmagneten. Grundsätzlich kann die Kappe 2 aber auch aus einem anderen Material, wie z. B. aus einem Stahl, bestehen.
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Günstig ist es außerdem, wenn das Überzugsmaterial der Kappe 2 ebenfalls sinterfähig ist. Dann werden sowohl die Kappe 2 als auch der Permanentmagnet während der Wärmebehandlung fertig gestellt und zwar jeweils durch einen Sinterprozess. Beide Komponenten erfahren dann in zumindest vergleichbarer Art und Weise den für das Sintern typischen Schrumpfungsprozess, sodass praktisch keine unerwünschten mechanischen Spannungen entstehen.
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Nach dem Abkühlen wird der ein Magnetmodul 5 (oder ein Magnetsystem) bildende Verbund aus dem Permanentmagneten und der Kappe 2 aus der Sinterform 1 entnommen, um die endgültige Magnetisierung vorzunehmen. Anschließend kann das fertige Magnetmodul 5 am Läufer montiert werden. Dazu wird das Magnetmodul 5 mit der offenen Seite der Kappe 2 auf die Oberfläche des Läufers aufgesetzt und dort befestigt, sodass die Kappe 2 im montierten Zustand eine Schutzfunktion für den eingeschlossenen Permanentmagneten gewährleistet. Um diesen Schutz zu erreichen, sind außer der Montage vorteilhafterweise keine weiteren Bearbeitungsschritte erforderlich. Insgesamt ist der Herstellungsprozess sehr effizient und kostengünstig.
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In 2 ist ein gegenüber 1 geringfügig modifiziertes Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines in eine Kappe 2 eingesinterten Permanentmagneten gezeigt. Das in die Kappe 2 eingebrachte magnetische Ausgangsmaterial 3 ist zusätzlich mit einer Grundplatte 6 abgedeckt. Sie wird während der Wärmebehandlung an den sich bildenden Permanentmagneten mit angesintert und ist ebenfalls Bestandteil eines am Ende des Herstellungsprozesses vorliegenden Magnetmoduls 7. Nach dem Sintervorgang ist die Kappe 2 durch die angesinterte Grundplatte 6 hermetisch verschlossen, sodass der eingeschlossene Permanentmagnet gut geschützt ist. Die Grundplatte 6 weist figürlich nicht näher gezeigte Befestigungsmittel, z. B. Befestigungsbohrungen, auf, mittels derer das Magnetmodul 7 sehr einfach an den Läufer montiert werden kann.
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In 3 und 4 sind weitere Ausführungsbeispiele zur Herstellung eines in eine Kappe 2 eingesinterten Permanentmagneten gezeigt, bei denen im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bzw. 2 das magnetische Ausgangsmaterial 3 mit einer Zwischenlage 8 umgeben wird. In den Ausführungsbeispielen besteht diese Zwischenlage 8 ebenfalls aus einem Kunststoff. Sie bewirkt einen Ausgleich zwischen den verschiedenen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Permanentmagneten und der Kappe 2. Auch diese Zwischenlage 8 ist Bestandteil von am Ende der jeweiligen Herstellungsprozesse vorliegenden Magnetmodule 9 und 10.
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Gemäß dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines in eine Kappe 2 eingesinterten Permanentmagneten wird im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach 4 zusätzlich ein Haltelement 11 in die Kappe 2 eingesetzt und während des Sintervorgangs mit in den Permanentmagneten eingesintert. Das Haltelement 11 ist eine Hülse mit einem Innengewinde 12 und einer gezackten Außenkontur 13. Das Innengewinde 12 erlaubt eine einfache Montage an dem Läufer. Die gezackten Außenkontur 13 verbessert die Verankerung in dem gesinterten Permanentmagneten. Das Haltelement 11 ist Bestandteil eines am Ende des Herstellungsprozesses vorliegenden Magnetmoduls 14.
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Neben der Grundplatte 6 und dem Halteelement 11 können weitere in den Ausführungsbeispielen nicht gezeigte Montagemittel zur Befestigung des jeweiligen Magnetmoduls an dem Läufer vorgesehen sein. Denkbare Beispiele derartiger weiterer Montagemittel sind angeformte oder angesinterte Haltestege oder -keile.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines in eine Kappe 15 eingesinterten Permanentmagneten gezeigt. Am Ende des gezeigten Herstellungsprozesses liegt ein Magnetmodul 16 vor, das neben dem aus dem magnetischen Ausgangsmaterial 3 gesinterten Permanentmagneten, die Grundplatte 6, die Zwischenlage 8 und das eingesinterte Halteelement 11 enthält. Nach Auflegen der Grundplatte 6 auf das in die Kappe 15 gefüllte magnetische Ausgangsmaterial 3 werden überstehende freie Enden 17 der Kappe 15 umgebogen und mittels des Pressstempels 4 fest gegen die obere Fläche der Grundplatte 6 gepresst. Während der zum Sintern ohnehin zu durchlaufenden Wärmebehandlung wird dann eine Lötverbindung 18 zwischen den umgebogenen Enden 17 und der Grundplatte 6 hergestellt. Dadurch ist das Magnetmodul 16 hermetisch verschlossen. Der im Inneren angeordnete Permanentmagnet ist gegenüber Umgebungseinflüssen gekapselt, wodurch ein besonders hoher Schutz vor mechanischen Beschädigungen und auch vor Korrosion gewährleistet ist.
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Die anhand der vorstehenden Ausführungsbeispiele hergestellten Magnetmodule 5, 7, 9, 10, 14 und 16 eignen sich besonders gut für einen Einsatz in einer elektrodynamischen Maschine mit niedriger Drehzahl, beispielsweise im Bereich bis zu einigen hundert U/min.
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Beispiele hierfür sind ein direkt angetriebener, d. h. ohne zwischengeschaltetes Getriebe betriebener Windkraftgenerator mit einer Drehzahl von etwa 5 bis 20 U/min oder ein U-Bootantrieb mit einer Drehzahl von 0 bis etwa 200 U/min. Bei diesen niedrigen Drehzahlen treten nur vergleichsweise geringe Fliehkräfte auf, die problemlos von den Kappen 2 oder 15 aufgenommen werden können.
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Weiterhin kann der Windkraftgenerator auch Offshore, also in aggressiver salzhaltiger Umgebung, betrieben werden. Die Magnetmodule 5, 7, 9, 10, 14 und 16 bieten auch bei diesen Umgebungsbedingungen aufgrund der Kapselung mittels der Kappen 2 oder 15 einen guten Schutz der jeweils eingeschlossenen Permanentmagnete.
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Trotz dieser vorteilhaften Eigenschaften sind die Magnetmodule 5, 7, 9, 10, 14 und 16 sehr preiswert herzustellen und am Läufer zu montieren, da etliche der bei den bekannten Lösungen zur Kapselung erforderlichen und teils sehr aufwändigen Fertigungsschritte entfallen können.
