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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen
Maschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Die
EP 1 161 570 B1 offenbart
ein Verfahren zur Beschichtung eines Trägerkörpers
mit einer Schicht aus hartmagnetischem Material, bei welchem der
Beschichtungsvorgang einen Plasmaspritzprozess umfasst, bei dem
ein aufgeschmolzenes Pulver aus einem Vormaterial des hartmagnetischen
Materials auf den Trägerkörper aufgespritzt wird,
wobei der Trägerkörper wenigstens in einer seiner
zu beschichtenden Oberfläche zugewandten Zone zumindest
gegen Ende des Beschichtungsvorganges auf ein eine Rekristallisierung
einer hartmagnetischen Phase des hartmagnetischen Materials gewährleistendes
Temperaturniveau gehoben wird.
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In
bekannten elektrischen Maschinen, insbesondere permanenterregten
elektrischen Maschinen, sowie bei dem genannten Verfahren werden
Seltenerd-Magnete eingesetzt. Ca. 31% von Kosten einer derartigen
elektrischen Maschine werden durch diese Magneten verursacht, wovon
70% auf Prozesskosten einer Herstellung der Magnete entfallen. Ein
derartiger Herstellungsprozess kann dabei beispielsweise ein Gießen,
Brechen, Malen, Ausrichten, Pressen, Sintern und Schleifen eines
entsprechenden Materials umfassen. Neben hohen Kosten dieser bekannten
Fertigungstechnologie ist eine eingeschränkte Designfreiheit
der Magnete bzw. eine Magnetfeldauslegung der elektrischen Maschine
als weiterer Nachteil immanent.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine
der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen
Maschine bereitzustellen, welche eine Reduzierung von Herstellkosten
für die elektrische Maschine ermöglichen.
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Diese
Aufgabe ist durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen der Maschine
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere
eine permanenterregte elektrische Maschine, welche zumindest einen
aus einem magnetisierten, insbesondere permanentmagnetisierten, Werkstoff
gebildeten Bereich aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der
zumindest eine Bereich durch einen thermischen Beschichtungsprozess
und/oder durch ein Sprühkompaktierverfahren ausgebildet
ist. Das bedeutet also, dass der zumindest eine magnetisierte bzw.
permanentmagnetisierte Bereich der elektrischen Maschine nicht durch
eine Montage eines Magnets bzw. eines Magnetsegments dargestellt ist,
sondern der zumindest eine Bereich durch den thermischen Beschichtungsprozess
und/oder durch das Sprühkompaktierverfahren ausgebildet,
beispielsweise auf ein Rotorblech der elektrischen Maschine, aufgetragen
ist.
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Dieser
zumindest eine magnetisierte bzw. permanentmagnetisierte Bereich
ist dabei vorteilhafterweise im Wesentlichen aus einem hartmagnetischen
Werkstoff wie beispielsweise NdFeB oder SmCo oder einem anderen
Werkstoff beziehungsweise einer anderen Legierung gebildet.
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Durch
eine so realisierte direkte Applizierung des magnetisierten Bereichs,
welcher also aus einem Magnetwerkstoff gebildet ist, sind Herstellkosten
der elektrischen Maschine im Vergleich zu bekannten elektrischen
Maschinen deutlich reduzierbar. Des Weiteren sind neue Bauweisen
eines Stators und/oder eines Rotors der elektrischen Maschine möglich,
die zu einem verbesserten Wirkungsgrad der elektrischen Maschine
führen. Dies bedeutet eine geringere Energieaufnahme der
elektrischen Maschine, was insbesondere in Zusammenhang mit einem Fahrzeug,
beispielsweise einem Hybrid-Fahrzeug, einen Energieverbrauch desselbigen
deutlich reduziert.
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Umfasst
ein Herstellungsverfahren einer bekannten elektrischen Maschine,
wie er eingangs beschrieben ist, sieben Prozessschritte, so ist
diese Anzahl an Prozessschritten durch die erfindungsgemäße
elektrische Maschine auf beispielsweise vier reduzierbar.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass die erfindungsgemäße
elektrische Maschine sowohl als Elektromotor als auch als Generator
arbeiten kann, also sowohl elektrische Energie in mechanische Energie
als auch mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der
zumindest eine Bereich durch einen thermischen Beschichtungsprozess,
insbesondere ein Spritzverfahren, unter Einsatz einer Schutzgasatmosphäre
ausgebildet, wodurch eine Oxidation eines Beschichtungswerkstoffes,
durch welchen der zumindest eine Bereich gebildet ist, vermeidbar
ist. Dies bedeutet eine Sicherstellung einer Funktion der elektrischen
Maschine mit einer hohen Effizienz und eine hohe Prozesssicherheit,
was nötige Nacharbeiten und damit ein ungewünschtes
Ansteigen der Herstellkosten vermeidet.
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Der
zumindest eine Bereich kann alternativ oder additiv beispielsweise
durch ein Sprühkompaktierverfahren ausgebildet sein. Während
des Sprühkompaktierverfahrens können zusätzlich über
einen sekundären Pulverstrahl feste Partikel auf das Substrat
abgeschieden werden.
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Als
thermischer Beschichtungsprozess ist ein Vakuumprozess in Form eines
Vakuumplasmaspritzverfahrens möglich. Des Weiteren ist
ein Lichtbogendrahtspritzverfahren einsetzbar. In jeglicher Hinsicht
kann die genannte Schutzgasatmosphäre beispielsweise durch
ein Inertgas wie Stickstoff gebildet sein.
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Wie
bereits angedeutet, kann die erfindungsgemäße
elektrische Maschine sowohl als Generator als auch Elektromotor,
beispielsweise permanenterregter Synchronmotor, ausgebildet sein,
wie er in einem Antriebsstrang eines Hybrid-Fahrzeugs einsetzbar
ist.
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Zur
Nutzung eines Reluktanzanteils der elektrischen Maschine und damit
zur Verbesserung einer Effizienz derselbigen sind mehrere, aus einem
magnetisierten, insbesondere einem permanentmagnetisierten, Werkstoff
gebildete Bereiche durch den thermischen Beschichtungsprozess und/oder
durch das Sprühkompaktierverfahren ausgebildet, wobei der Werkstoff
und damit die Bereiche durch magnetisch leitfähige Stege
unterteilt und in in radialer Richtung offenen Taschen beispielsweise
eines im Wesentlichen kreisförmigen Rotorblechs der elektrischen
Maschine angeordnet sind. Die Stege sind dabei einstückig
mit dem Rotorblech ausgebildet, welches einen Grundkörper
aus einem weichmagnetischen Werkstoff (Substrat) darstellt, der
aus Blechpaketen und/oder aus Soft-Magnetic-Composite-Material (weichmagnetisches
Verbundmaterial) hergestellt sein kann.
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Die
Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen
Maschine, insbesondere einer permanenterregten elektrischen Maschine,
bei welchem zumindest ein aus einem magnetisierten, insbesondere
permanentmagnetisierten, Werkstoff gebildeter Bereich vorgesehen
wird, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass
der zumindest eine Bereich durch einen thermischen Beschichtungsprozess
und/oder durch ein Sprühkompaktierverfahren ausgebildet
wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Maschine sind
als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen.
Der magnetisierte bzw. permanentmagnetisierte Werkstoff wird also
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über
den thermischen Beschichtungsprozess, welcher beispielsweise als
Spritzverfahren ausgebildet ist, und/oder durch das Sprühkompaktierverfahren
ausgebildet, beispielsweise in besagte Taschen des Rotorblechs eingebracht,
wodurch die bereits in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
elektrischen Maschine beschriebenen Vorteile von geringen Herstellungskosten
und einer Effizienzsteigerung der elektrischen Maschine realisierbar
sind.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung mehrer bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Figurenbeschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sind nicht nur an die jeweils angegebene Kombination, sondern auch
in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Rotorblechs einer elektrischen Maschine,
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2 eine
Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform
eines Rotorblechs einer elektrischen Maschine und
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3 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines
Rotorblechschnitts einer elektrischen Maschine.
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Während
die 1 ein herkömmliches Rotorblech einer
elektrischen Maschine in einem Querschnitt zeigt, welches radial
geschlossene Zwischenräume aufweist, in welchen Permanentmagnete
anordenbar sind, zeigen die 2 und 3 je
eine alternative Ausführungsform eines Rotorblechs einer elektrischen
Maschine, welche radial geöffnete Taschen aufweisen, die
eine unaufwändige und damit kostengünstige Ausbildung jeweiliger
Bereiche aus einem permanentmagnetisierten Werkstoff durch einen
thermischen Beschichtungsprozess ermöglichen.
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Die 1 zeigt
ein Rotorblech 10 einer elektrischen Maschine, welche eine
Mehrzahl von Zwischenräumen 12 aufweist, die in
radialer Richtung des Rotorblechs 10 geschlossen sind.
In den Zwischenräumen 12 sind jeweilige Permanentmagnete anordbar,
welche eine Funktion der elektrischen Maschine mit dem Rotorblech 10 ermöglichen.
Das Rotorblech 10 erlaubt somit lediglich einen Einsatz
von herkömmlichen Permanentmagneten zur Ausbildung von
magnetisierten bzw. permanentmagnetisierten Bereichen der elektrischen
Maschine, was mit hohen Herstellungskosten derselbigen einhergeht.
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Die 2 zeigt
eine zu 1 alternative Ausführungsform
eines Rotorblechs 10', welches ebenso eine Mehrzahl von
Zwischenräumen aufweist, die in radialer Richtung des Rotorblechs 10' allerdings
geöffnet sind und somit die Form von Taschen 14 aufweisen.
Die in radialer Richtung offenen Taschen 14 erlauben eine
Ausbildung von aus einem magnetisierten, insbesondere permanentmagnetisierten,
Werkstoff gebildeten Bereichen der elektrischen Maschine bzw. des
Rotorblechs 10' durch einen thermischen Beschichtungsprozess,
beispielsweise in Form eines Spritzverfahrens. Dabei ist also ein
hartmagnetischer Werkstoff direkt auf das Rotorblech 10' in
die Taschen 14 einbringbar, was eine eingangs erwähnte
kostenintensive Herstellung von herkömmlichen Permanentmagneten
und einen Einsatz derselbigen vermeidet. Vielmehr kann der hartmagnetische
Werkstoff direkt auf das Rotorblech 10' aufgespritzt werden,
was mit einer deutlichen Reduzierung eines Aufwands zur Herstellung
einer elektrischen Maschine mit dem Rotorblech 10' und
damit mit einer deutlichen Kostenreduktion derselbigen einhergeht.
Stege 16, welche die Taschen 14 unterteilen, sind
einstückig mit dem Rotorblech 10 ausgebildet und
aus dem gleichen weichmagnetischen Werkstoff wie das Rotorblech 10' ausgebildet.
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Wie
der 2 zu entnehmen ist, weisen die Taschen 14 einen
kreisbogenförmigen Grund auf.
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Im
Gegensatz dazu zeigt die 3 eine weitere alternative Ausführungsform
eines Rotorblechs 10'', welches ebenso eine Mehrzahl von
Taschen 14' aufweist, welche die gleichen Funktionen und
Vorteile erfüllen und ermöglichen wie die Taschen 14 des Rotorblechs 10' gemäß 2.
Auch die Taschen 14' sind durch Stege 16' unterteilt, welche
einstückig mit dem Rotorblech 10'' und aus dem
gleichen weichmagnetischen Werkstoff wie das Rotorblech 10'' ausgebildet
sind. Ein Grund der Taschen 14' ist dabei jedoch nicht
kreisbogenförmig sondern im Wesentlichen u-förmig
ausgebildet. Auch die in radialer Richtung des Rotorblechs 10'' offenen
Taschen 14' des Rotorblechs 10' erlauben eine
Ausbildung von magnetisierten, insbesondere permanentmagnetisierten, Bereichen
einer elektrischen Maschine mit dem Rotorblech 10'', womit
alle bereits in Zusammenhang mit den in radialer Richtung offenen
Taschen 14 beschriebenen Vorteile geringer Herstellkosten
realisierbar sind.
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Die
Stege 16 und 16' sind magnetisch leitfähig
und erlauben eine Nutzung eines Reluktanzanteils der elektrischen
Maschine mit dem Rotorblech 10' bzw. 10'', woraus
eine Verbesserung einer Effizienz der elektrischen Maschine resultiert.
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Alternativ
oder additiv zu dem beispielhaften thermischen Beschichtungsprozess
kann auch ein Sprühkompaktierverfahren Anwendung finden.
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- 10,
10', 10''
- Rotorblech
- 12
- Zwischenraum
- 14,
14'
- Tasche
- 16,
16'
- Steg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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