DE102011109129A1

DE102011109129A1 - Elektrischer Energiewandler und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE102011109129A1
Application number: DE102011109129A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Studnitzky Thomas; Alexander Strauß; Günther Stephani; Patrick Bräuer; Mathias Lindner; Johannes Rudolph; Dr.-Ing. Werner Ralf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-01-17
Also published as: DE112012002953A5; WO2013007830A2; WO2013007830A3

Abstract

Die Erfindung betrifft elektrische Energiewandler sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Dabei handelt es sich in erster Linie um Elektromotoren und Generatoren. Aufgabe der Erfindung ist es, elektrische Energiewandler zur Verfügung zu stellen, die sehr genau und mit reduziertem Aufwand herstellbar sind. Dies trifft insbesondere auf kleinformatige Energiewandler zu. Erfindungsgemäße Energiewandler weisen eine Stator und einen Rotor und/oder elektrischen Spulen auf. Der Rotor und/oder der Stator und/oder mindestens eine elektrische Spule sind als dreidimensionales monolitisches Element ausgebildet und bestehen aus miteinander versinterten elektrisch leitfähigen, magnetisch leitfähigen, magnetisch nicht leitfähigen, elektrisch nicht leitfähigen, magnetischen und/oder magnetisierbaren Werkstoffen.

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Energiewandler sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Dabei handelt es sich in erster Linie um Elektromotoren und Generatoren. Es sollen aber auch Transformatoren oder Magnetlager beansprucht und mit dem Verfahren hergestellt werden können.
Bei solchen Energiewandlern stellt die thermische Beständigkeit, insbesondere aufgrund der üblicherweise eingesetzten Materialien (Harze, andere Polymere und Gewebe) und Werkstoffen, ein Problem dar, so ist ein Einsatz bei Temperaturen oberhalb von 200°C und in der Regel bereits oberhalb von 150°C nicht ohne weiteres möglich.
Außerdem sind bei den üblicherweise eingesetzten Materialien und Werkstoffen die hohen Wärmeübergangswiderstände nachteilig.
Die thermischen Probleme können besonders bei kleinen Energiewandlern durch eine gezielte Kühlung mit Fluiden (Flüssigkeiten und Gasen) nicht oder nur sehr aufwändig und kostenintensiv berücksichtigt werden.
Da einige Komponenten insbesondere innerhalb des magnetischen Kreises durch Montage aus mehreren Teilen zusammen gesetzt sind, wie dies bei der „Blechung” der Fall ist, ist ihre mechanische Stabilität begrenzt, was sich besonders nachteilig an rotierenden oder sich anderweitig bewegenden Teilen auswirkt. An solchen geblechten Teilen, wie z. B. einem Rotor kann keine axiale Feldführung erfolgen.
Eine lokale Anpassung von physikalischen Eigenschaften, wie z. B. die Dichte, ist über das jeweilige Volumen einer Komponente eines Energiewandlers nicht ohne weiteres erreichbar.
Bei den herkömmlichen Energiewandlern bereitet auch der elektrische Anschluss bzw. eine elektrische Kontaktierung nach außen zu einem Elektroenergieversorgungsnetz Probleme. Insbesondere bei klein dimensionierten Energiewandlern ist ein hoher Aufwand, auch an manueller Tätigkeit erforderlich.
Auch die gewünschte Miniaturisierbarkeit ist durch den Montageaufwand und die bestehenden Montagemöglichkeiten begrenzt, was besonders im Bereich elektrischer Spulen, der Pol- und Nutformen und unter Berücksichtigung des erforderlichen Luftspaltes zwischen einem Rotor und einem Stator, zu Problemen führt.
Herkömmliche Energiewandler werden bisher aus vielen einzelnen Teilen und Komponenten hergestellt, was den Herstellungs- und den Montageaufwand erheblich erhöht. Eine vollständige automatisierte Herstellung ist daher ebenfalls, wenn überhaupt nur mit sehr hohem Aufwand möglich.
Viele der einzelnen erforderlichen Teile müssen einer Nachbearbeitung, wie einer Formgebung, spanenden Bearbeitung, einer trennenden Bearbeitung, einer Oberflächenbearbeitung bzw. einer schützenden Oberflächenbeschichtung unterzogen werden. Durch eine solche Bearbeitung können aber auch Eigenschaften, insbesondere magnetische Eigenschaften beeinträchtigt werden.
Die Herstellung und Montage ist daher für Fehler sehr anfällig, so dass eine entsprechend hohe Ausschussrate auftritt oder eine aufwändige Nachbearbeitung erforderlich ist.
Bei Elektromotoren und Generatoren müssen Elektrobleche (Blech mit elektrisch isolierender Beschichtung) in Form gebracht werden, was durch Trennverfahren oder eine spanende Bearbeitung erreicht werden kann. Die geformten Elektrobleche müssen dann paketiert und zueinander positioniert werden. Dabei kommt es auf einen möglichst sehr kleinen Versatz zwischen einzelnen Blechen an, wobei eine feste Verbindung erreicht werden soll.
Bei der Herstellung der erforderlichen elektrischen Spulen wird üblicherweise Kupferdraht zu mehreren Spulenwicklungen geformt. Dies ist ein besonders kritischer und aufwändiger Schritt bei der Herstellung. Es muss dabei sowohl die jeweilige Wickelbarkeit und eine optimale Gestaltung des magnetischen Kreises sowie die Form der Elektrobleche berücksichtigt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, elektrische Energiewandler zur Verfügung zu stellen, die sehr genau und mit reduziertem Aufwand herstellbar sind. Dies trifft insbesondere auf kleinformatige Energiewandler zu.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Energiewandler, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Er kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 8 hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiewandler weist einen Stator und einen Rotor und/oder elektrische Spulen auf. Elektrische Spulen sind bei allen unter die Erfindung fallenden Energiewandlern, also auch bei Transformatoren und Linearmotoren vorhanden. Elektrische Spulen können auch an einem Spulenträger vorhanden sein.
Dabei ist der Rotor und/oder der Stator und/oder mindestens eine elektrische Spule mit einem Spulenträger als dreidimensionales monolitisches Element hergestellt und besteht dabei aus miteinander versinterten elektrisch leitfähigen, magnetisch leitfähigen, magnetisch nicht leitfähigen, elektrisch nicht leitfähigen, magnetischen und/oder magnetisierbaren Werkstoffen. Dabei können einzelne Teile des Rotors und/oder Stators sowie der elektrischen Spule und der Spulenträger aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Ein monolithisches Element ist dabei aus mehreren Bereichen gebildet, die unterschiedliche Elemente bilden und die durch keinerlei zusätzliche Verbindungselemente, die eine Montage erfordern würden, miteinander verbunden sind. Die Verbindung wird ausschließlich durch Stoffschluss in Verbindung mit Form- und Kraftschluss allein durch das Herstellungsverfahren erreicht.
Die Herstellung eines Rotors oder eines Stators oder einer elektrischen Spule mit Spulenträger erfolgt mit einem dreidimensionalen Siebdruckverfahren. Dabei werden unterschiedliche Siebe und/oder Suspensionen in einzelnen schichtweise übereinander auszubildenden Ebenen eingesetzt. Es erfolgt dabei ein sukzessiver schichtweiser Aufbau der dreidimensionalen Gestalt des jeweiligen monolithischen Elements. Für die Schichten können dabei Siebe eingesetzt werden, mit denen Schichtweise die Kontur und in einer Ebene Bereiche mit unterschiedlichen Suspensionen ausgebildet werden. Dabei sind die Suspensionen mit den jeweils gewünschten pulverförmigen Werkstoffen hergestellt, die später miteinander versintert werden sollen und die einzelnen Elemente mit den jeweils gewünschten elektrischen und magnetischen Eigenschaften ausbilden. So können beispielsweise mit Keramikpulver elektrisch und/oder magnetisch nicht leitfähige Teile unmittelbar neben elektrisch und/oder magnetisch leitfähigen Bereichen, als Isolatoren hergestellt werden.
In bei der Erfindung eingesetzten Suspensionen können auch Pulvermischungen aus mindestens zwei Werkstoffen enthalten sein. Außerdem besteht die Möglichkeit auch Metallpulverlegierungen in Suspensionen einzusetzen. Dabei kann vorteilhaft die Sintertemperatur der Metalllegierung an die Sintertemperatur anderer bei der Herstellung zu sinternder Pulver mit anderen Eigenschaften, die für andere Elemente oder Komponenten eines Energiewandlers eingesetzt werden, angepasst werden. Es ist auch eine Anpassung an thermische Ausdehnungskoeffizienten solcher anderen Werkstoffe in dieser Form möglich.
Ein weiterer Parameter, der bei dem Einsatz von pulverförmigen Werkstoffen für die Suspensionen, berücksichtigt werden kann, ist die mittlere Partikelgröße und ggf. auch die Partikelgrößenverteilung, die Einfluss auf das Sinterverhalten haben. So ist häufig bei vielen Werkstoffen die Sinteraktivität bei kleinen Partikelgrößen höher, als bei größeren.
Für elektrisch leitfähige Bereiche, Elemente oder Komponenten von Energiewandlern können Eisen, Kupfer, Silber, Nickel, Aluminium, Gold oder deren Legierungen eingesetzt werden.
Als elektrisch nicht leitfähige Werkstoffe können unterschiedliche Keramikpulver, wie z. B. Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Bornitrid oder Borcarbid eingesetzt werden.
Geeignete magnetische oder magnetisierbare Werkstoffe sind beispielsweise Neodym, Eisen, Bor, Samarium, Nickel und deren Legierungen.
Mit ihnen können auch Magnete an einem Energiewandler ausgebildet werden.
Beim Herstellungsverfahren wird nach Ausbildung jeweils einer Schicht eine Fixierung, bevorzugt mittels Trocknung durchgeführt. Hierfür kann eine einfache Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung (z. B. IR-Strahlung) vorgenommen werden. Nach Ausbildung der dreidimensionalen Gestalt wird eine Sinterung des bis dahin als Grünkörper vorliegenden Rotors oder Stators oder elektrischen Spule mit Spulenträger durchgeführt. Das jeweilige Element oder die jeweilige Komponente des Energiewandlers ist dann als monolithisches dreidimensionales Element fertig hergestellt. Es ist dann lediglich noch die Endmontage erforderlich.
An einem Rotor und/oder Stator und/oder einem Spulenträger können unmittelbar Hohlräume oder Durchbrechungen, für eine Durchströmung mit einem Temperierfluid, ausgebildet sein. Diese Hohlräume oder Durchbrechungen können ebenfalls direkt mit dem Siebdruckverfahren ausgebildet und auf eine entsprechende Nachbearbeitung kann verzichtet werden. Durch die erfindungsgemäße Art der Herstellung ist es bei kleinformatigen Energiewandlern überhaupt erst möglich solche Elemente einzusetzen, da sie bisher nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand herstellbar waren. In dieser Form ist auch eine Kühlung der Energiewandler möglich, da Kühlkanäle zur Verfügung stehen.
An einem Rotor und/oder Stator können elektrische Leiter, elektrische Anschlusskontakte, elektrische Leiterbahnen, Permanentmagnete, elektrische Isolatoren, magnetische Isolatoren, magnetische Leiter, Befestigungselemente, Lagersitze und/oder Kommutatoren direkt und unmittelbar ausgebildet sein. Es können auch Sensoren integriert werden, die ebenfalls mittels Siebdrucken ausgebildet werden können. Sensoren können beispielsweise elektrische Parameter oder auch die Temperatur erfassen.
Alle diese einzelnen Elemente können innerhalb der dreidimensionalen Struktur an nahezu jeder gewünschten Position ausgebildet werden. So besteht die Möglichkeit elektrische Anschlusskontakte so nach außen zu führen, dass bei Einsatz in ein Gehäuse ohne weiteres Zutun eine elektrische Kontaktierung nach außen erreicht werden kann.
Elektrische und/oder magnetische Leiter können von einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff, diese von seinem umgebenden Werkstoff isolierend, umschlossen sein. Allein oder zusätzlich können diese Werkstoffe auch miteinander vermischt sein. Durch das Mischungsverhältnis können die elektrischen und magnetischen Eigenschaften verändert werden. Mit der Erfindung besteht die Möglichkeit, elektrische Leiter, wie z. B. die Windungen von elektrischen Spulen beim Drucken der einzelnen Schichten auszubilden und unmittelbar daneben und darüber elektrische Isolatoren durch das Drucken von Suspensionen, die mit elektrisch nicht leitfähigen Werkstoffen gebildet sind, auszubilden. Die elektrischen Leiter können so sehr genau positioniert, reproduzierbar und in dichter Packung ausgebildet werden, was für den erreichbaren Gesamtwirkungsgrad und die Leistungsdichte vorteilhaft ist.
Im Bereich einer Öffnung eines Hohlraums oder einer Durchbrechung, für die Durchströmung mit einem Temperierfluid, kann ein das Fluid in Richtung Hohlraum oder Durchbrechung oder in entgegengesetzter Richtung verdichtendes Element vorhanden sein. Dieses Element kann bevorzugt mit mindestens einem schaufelförmigen Element versehen sein. So kann beispielsweise ein Schaufelrad direkt an einem Rotor ausgebildet sein, ohne dass eine zusätzliche Montage auf einer Welle oder Nabe erforderlich wird. Dadurch kann Luft oder eine Kühlflüssigkeit durch den jeweiligen Bereich für eine Kühlung geführt werden.
Insbesondere unter Berücksichtigung des thermischen Aspektes ist es vorteilhaft, dass im als Monolith aus mehreren unterschiedlichen Werkstoffen hergestellten Rotor und/oder Stator und/oder einer elektrischen Spule mit Spulenträger keine chemische organische Komponente enthalten sein kann. Dadurch steigt die Temperatur, bei der der jeweilige Energiewandler schadlos betrieben werden kann, an.
An einem Rotor und/oder am Stator und/oder einem Spulenträger können poröse Bereiche vorhanden sein. Dadurch kann in diesen Bereichen die Masse reduziert werden. Bei Rotoren führt dies zu kleineren Fliehkräften, was sich auf die Anforderungen an die Lagerung und das dynamische Betriebsverhalten positiv auswirkt und insbesondere bei einem Betrieb mit sehr hohen Drehzahlen günstig ist.
Mit der Erfindung können bevorzugt sehr kleine Energiewandler und diese auch in großen Stückzahlen hergestellt werden. Dabei können eingesetzte Siebe so ausgebildet werden, dass beim Drucken einer jeweiligen Schicht gleich mehrere Elemente, die gleich oder auch unterschiedlich sein können, gedruckt werden, was den Zeitaufwand reduziert. Es können sehr komplexe Geometrien ausgebildet werden. So können Hinterschneidungen genauso, wie Hohlräume oder Kanäle mit wechselnder Richtung hergestellt werden. Es besteht außerdem die Möglichkeit zumindest Oberflächenbereiche oder die spezifische Oberfläche in Bereichen zu vergrößern, was zu einer verbesserten Abführung von Wärme also zu einer verbesserten Kühlung führen kann.
Im Magnetkreis von Energiewandlern können hohe Füllfaktoren erreicht werden. Durch den möglichen Einsatz von Werkstoffen, die bei der Erfindung verarbeitet sein können, kann eine erhöhte thermische Beständigkeit und Leitfähigkeit vorteilhaft ausgenutzt werden. Dies ist insbesondere auf den möglichen Verzicht organischer Stoffe, wie z. B. Polymere möglich.
Insbesondere für die Wicklungen von elektrischen Spulen können Werkstoffe mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, die außerdem sehr dicht beieinander positioniert und trotzdem ausreichend sicher elektrisch voneinander isoliert sein können.
Die einzelnen Elemente und Komponenten von Energiewandlern können sehr präzise und zumindest endformnah hergestellt werden, so dass auf eine Nachbearbeitung verzichtet, der Aufwand hierfür zumindest aber reduziert werden kann.
Es können sehr große Aspektverhältnisse > 500 bei der Herstellung berücksichtigt werden, was sehr kleine Abstände und z. B. auch Spaltbreiten ermöglicht. So können die Windungen von Spulen je nach Bedarf unterschiedliche Querschnittsformen und Querschnittsdimensionierungen aufweisen. Sie können beispielsweise rechteckige Querschnitte aufweisen, die unterschiedliche Breiten und Höhen haben können, so dass sie an die jeweilige Konstruktion angepasst optimiert werden können. Es können einzelne Elemente im Submillimeterbereich ausgebildet werden, was insbesondere bei klein dimensionierten Energiewandlern die Wärmeabführung verbessern kann.
Das erreichbare Aspektverhältnis kann auch für den magnetischen Fluss und entsprechende magnetische Verluste für eine Optimierung ausgenutzt werden.
Erfindungsgemäße Energiewandler können mit einer großen Anzahl an Polen zur Verfügung gestellt werden, was auch bei kleinen Elektromotoren möglich ist.
Durch die Herstellungsart der Energiewandler treten keine negativen Beeinflussungen an Werkstoffen durch bei herkömmlichen Energiewandlern notwendige Bearbeitungen auf. Der Magnetisierungsaufwand kann reduziert und eine Vorabberechnung der Parameter eines erfindungsgemäß herzustellenden Energiewandlers kann verbessert werden. Außerdem können beispielsweise Hystereseverluste verringert werden.
Neben großen Stückzahlen lassen sich aber auch Spezialanfertigungen als Prototypen oder für Sonderanwendungen herstellen. Dabei können trotzdem hohe Wirkungsgrade und Ausnutzungsfaktoren (z. B. Leistungsdichten) erreicht werden.
Da die bei der Erfindung einsetzbaren Werkstoffe auch resistent gegenüber Umgebungseinflüssen sein können, ist ein Einsatz unter vielen Bedingungen, die beispielsweise normalerweise korrosiv wirken oder auch im Vakuum möglich.
Bei erfindungsgemäßen Energiewandlern, wie z. B. Elektromotoren kann die maximale Betriebstemperatur deutlich höher sein und im Bereich von 700°C bis 800°C liegen. Es kann dabei die Curietemperatur von Eisen als theoretische Maximaltemperatur beachtet werden.
Es besteht bei der Erfindung auch die Möglichkeit einen Stator mit einem Gehäuse als ein dreidimensionales monolithisches Element herzustellen Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 einen Rotor und einen Stator für einen Elektromotor;
2 eine schematische Darstellung eines Elektromotors;
3 eine schematische Darstellung eines Stators und
4 eine schematische Darstellung eines Teils eines Energiewandlers, mit magnetisch leitfähigen Bereichen, die mit elektrisch nicht leitfähigen Schichten voneinander isoliert sind.
Der in 1 gezeigte Stator 16 und der Rotor 7 werden mit übereinander durch Siebdruck hergestellten einzelnen Schichten sukzessive aufgebaut, in dem Suspensionen in den unterschiedliche pulverförmige Werkstoffe enthalten sind, durch Siebe mit einem Rakel aufgetragen werden.
Dabei können unmittelbar am Stator 16 mehrere Befestigungselemente 1 mit ausgebildet werden. Hier sind dies Durchbrechungen durch die eine Schraubverbindung zu einem nicht dargestellten Gehäuse hergestellt werden kann. Am Stator 16, der aus FeSi nach dem Sintern besteht, wurden Durchbrechungen 3 ausgebildet, die Kühlkanäle bilden. Außerdem ist ein Wickelraum 6 begrenzt durch einen Polschuh 5 ausgebildet.
An der radial äußeren Peripherie sind die Oberfläche vergrößernde strukturierte Elemente 2 ausgebildet worden, die eine verbesserte Wärmeabführung bewirken können.
Der Rotor 7 wurde mit einer Suspension bestehend aus einem magnetisch leitfähigen Pulver (40 bis 90 Masse-%) mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich 1 μm bis 50 μm und einem flüssigen organischen Binder ebenso durch Siebdrucken ausgebildet. Dabei sind im Rotor 7 ebenfalls Durchbrechungen 4 vorhanden, die Mühlkanäle bilden.
In 2 ist schematisch der Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Energiewandlers in Form eines Elektromotors gezeigt. Dabei sind am Stator 16 Ständerzähne 10 aus einem Werkstoff mit höherer magnetischer Leitfähigkeit, wie z. B. FeCo und Ständerrücken/Jochs 9 vorhanden.
Am Rotor 7 ist im Bereich um die Rotationsachse ein poröser Bereich ausgebildet worden. Hierbei wurde eine Suspension bestehend aus pulverförmigem FeSi mit einer mittleren Partikelgröße von 10 μm bis 15 μm und Pyrrolidon als Binder eingesetzt. Die Poren können bei der Wärmebehandlung ausgebildet werden, in dem in der Suspension enthaltene organische Partikel durch Pyrolyse entfernt und dann nach dem Sintern entsprechende Poren vorhanden sind. Mit diesem porösen Bereich kann die Eigenmasse des Rotors 7 reduziert werden, was zu einer Verringerung der Massenträgheit führt.
Bei diesem Beispiel sind am Rotor 7 auch Permanentmagnete 11 durch Siebdrucken hergestellt worden. Hierfür wurde eine Suspension bestehend aus Nd, Fe, B, oder Co eingesetzt. Die jeweiligen Anteile der Pulver können unter Berücksichtigung der gewünschten Feldstärke des Permanentmagneten gewählt werden. Die Permanentmagnete bestehen dann aus NdFeB oder SmCo. Sie werden nach dem Sintern magnetisiert.
Die 3 zeigt in schematischer Form einen Stator 16 eines Elektromotors. Dabei sind elektrische Leiter 14, die elektrische Spulen bilden, durch Siebdruck aus Kupfer hergestellt worden. Die einzelnen Windungen, die mit den elektrischen Leitern 14 gebildet sind, sind durch Zirkonoxid als elektrisch nicht leitfähiger keramischer Werkstoff umschlossen, so dass diese gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Energiewandlers, mit magnetisch leitfähigen Bereichen, die mit elektrisch nicht leitfähigen Schichten voneinander isoliert sind. Bei dem gezeigten Beispiel sind mehrere Schichten übereinander durch Siebdrucken ausgebildet worden. Es handelt sich in diesem Fall um Schichten 17, die aus magnetisch leitfähigem Werkstoff und Schichten 18, die aus elektrisch nicht leitfähigem Werkstoff gebildet sind.
Für das Siebdrucken kann beispielsweise eine Suspension mit metallischen Pulvern aus einer Eisen-Silizium-Legierung mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 10 μm eingesetzt werden. Der Pulveranteil in der wasserbasierten Suspension auf Polyvenylalkoholbasis liegt dabei bei etwa 80 Masseprozent. Die Suspension wird Schicht für Schicht im Siebdruckverfahren auf eine Unterlage gedruckt, wobei die mittlere Schichtdicke bei 20 μm liegt. Das Sieb oder mehrere Siebe können ausgenutzt werden, um der jeweiligen Schicht eine gewünschte zweidimensionale Kontur zu geben. Durch Einsatz unterschiedlicher Siebe kann dann die dreidimensionale Gestalt ausgebildet werden. Nach dem Druck wird das hergestellte Grünteil in einer Wasserstoffatmosphäre bei 600°C entbindert, also die organischen Bestandteile entfernt. Anschließend wird dann bei einer Temperatur von 1250°C gesintert.
Für die Herstellung gegeneinander elektrisch voneinander isolierter Schichten können zwei unterschiedliche Suspensionen eingesetzt werden. Dabei ist eine Suspension mit keramischem und die andere mit metallischem Pulver angerührt. Die Werkstoffe sollen bezüglich ihrer thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufeinander angepasst sein, damit bei der späteren Sinterung keine delaminierenden Spannungen auftreten. Ebenso sollen die Partikelgrößen der eingesetzten Pulver aufeinander abgestimmt sein, um die Sintertemperaturen anzugleichen.
Dafür eignet sich etwa 17-4-PH Stahlpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 10 μm und ZrO₂-Pulver mit einer Partikelgröße im Nanometerbereich. Mit den beiden Werkstoffen werden abwechselnd Schichten mit einer Dicke von etwa 50 μm (ZrO₂) und 150 μm (Stahl) gedruckt. Dabei können die Schichten auch graduell ineinander übergehen, um eine gute mechanische Stabilität der Schichten untereinander zu gewährleisten.
Die Wärmebehandlung verläuft normal mit einem Entbinderungsschritt bei einer Temperatur von 600°C und einer Sinterung bei 1250°C.

Claims

Elektrischer Energiewandler mit einem Stator und einem Rotor und/oder mit elektrischen Spulen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) und/oder der Stator (16) und/oder mindestens eine elektrische Spule als dreidimensionales monolitisches Element, bestehend aus miteinander versinterten elektrisch leitfähigen, magnetisch leitfähigen, magnetisch nicht leitfähigen, elektrisch nicht leitfähigen, magnetischen und/oder magnetisierbaren Werkstoffen gebildet ist/sind.
Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Teile des Rotors (7) und/oder Stators (16) und/oder die elektrische Spule und der Spulenträger aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor (7) und/oder Stator (16) und/oder einem Spulenträger Hohlräume oder Durchbrechungen (3, 4), für eine Durchströmung mit einem Temperierfluid, ausgebildet sind.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor (7) und/oder Stator (16) elektrische Leiter (14), elektrische Anschlusskontakte, elektrische Leiterbahnen, magnetische Leiter, Permanentmagnete (11), elektrische Isolatoren, magnetische Isolatoren, Befestigungselemente (1), Lagersitze, Sensoren und/oder Kommutatoren ausgebildet sind.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische und/oder magnetische Leiter von einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff, diesen von seinem umgebenden Werkstoff isolierend, umschlossen und/oder damit vermischt sind.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer Öffnung eines Hohlraums oder Durchbrechung, für die Durchströmung mit einem Temperierfluid, ein das Fluid in Richtung Hohlraum oder Durchbrechung oder in entgegengesetzter Richtung verdichtendes Element, bevorzugt mit mindestens einem schaufelförmigen Element, vorhanden ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im als Monolith aus mehreren unterschiedlichen Werkstoffen hergestellten Rotor (7) und/oder Stator (16) und/oder einer elektrischen Spule mit Spulenträger keine chemische organische Komponente enthalten ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor (7) und/oder am Stator (16) und/oder einem Spulenträger poröse Bereiche vorhanden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Energiewandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung eines Rotors (7) oder eines Stators (16) einer elektrischen Spule mit Spulenträger mit einem dreidimensionalen Siebdruckverfahren unter Einsatz von unterschiedlichen Sieben und/oder Suspensionen in einzelnen schichtweise übereinander auszubildenden Ebenen durchgeführt wird, wobei nach Ausbildung einer jeweiligen Schicht eine Fixierung, bevorzugt mittels Trocknung und nach Ausbildung der dreidimensionalen Gestalt eine Sinterung des bis dahin als Grünkörper vorliegenden Rotors (7) oder Stators (16) oder elektrischen Spule mit Spulenträger durchgeführt wird.