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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokal gezielten Beeinflussung des magnetischen Flusses an Bauteilen aus einem weichmagnetischen Werkstoff sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil.
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Elektromotoren oder elektrische Generatoren werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt. Da die Betriebskosten von Elektromotoren deren Anschaffungskosten um ein Vielfaches übersteigen und bei Generatoren ein hoher Wirkungsgrad angestrebt ist, ist die Forderung nach einem effizienten Betrieb gegeben.
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Für diese Anwendungen werden weichmagnetische, geblechte und hartmagnetische Werkstoffe eingesetzt. Letztgenannte kommen als Permanentmagneten zur Anwendung. Weichmagnetische Werkstoffe haben die Eigenschaft externe Magnetfelder in ihrem Inneren zu verstärken. In elektrischen Maschinen, im Speziellen ist der Rotor bzw. Stator gemeint, herrschen daher magnetische Flüsse vor, die zur Wandlung von elektrischer in kinetische Energie und umgekehrt unerlässlich sind. In den einen Magnetfluss führenden Bereichen, die direkt das Drehmoment der jeweiligen Maschine bestimmen, treten statische und dynamische Verluste auf. Allgemein ist es bekannt, dass je geringer der Magnetfluss ist, desto geringer sind auch diese beschriebenen Verluste.
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Zur Reduzierung der dynamischen (Wirbelstrom-)Verluste werden dünne Einzelbleche eines weichmagnetischen Werkstoffs eingesetzt. Während der Fertigung dieser Rotor- und Statoreinzelbleche, die im Anschluss zu einem Verbund gefügt werden, treten im Kantenbereich entlang der gesamten Kontur Schädigungen auf, die weit ins Bauteil hineinreichen können und zu einer Erhöhung der Verluste führen. Diese Verluste gilt es zu reduzieren. Dies kann beispielsweise über eine abgestimmte Fertigungstechnologie oder mit einer zusätzlichen Langzeitwärmebehandlung erreicht werden, was zu einem erhöhten Fertigungsaufwand führt. Üblicherweise sind Einzelbleche mit mindestens einer Isolationsschutzschicht auf der Ober- oder. Unterseite oder gegebenenfalls auch beidseitig, versehen, um eine elektrische Kontaktierung zweier Einzelblechen im Verbund zu vermeiden. Die Funktion einer Isolationsschutzschicht sollte während einer Bearbeitung gewahrt werden.
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Die Anforderungen der späteren Anwendung, sprich die Auslegung der elektrischen Maschine, werden üblicherweise über das Design und den verwendeten weichmagnetischen Werkstoff realisiert. Die Kontur des Stators und des Rotors beeinflussen daher die hauptsächlichen magnetischen Flussrichtungen und Bereiche beider Bauteile, die in magnetischer Wechselwirkung miteinander stehen. D. h. in Bereichen eines solchen Bauteils, in denen der weichmagnetische Werkstoff im Rahmen des Konturgebungsprozesses entfernt wurde, tritt keine magnetische Flussverstärkung des äußeren Magnetfeldes auf. Über die Kontur kann somit der magnetische Fluss beeinflusst werden, wobei Materialaussparungen diesen in gewisser Weise lenken können. Dadurch wird im gleichen Maße aber auch die mechanische Stabilität des jeweiligen Bauteils reduziert. Im rotatorischen Betrieb können daher auftretende Fliehkräfte zu Schädigungen am Bauteil und an der gesamten elektrischen Maschine führen. Dies kann eine Begrenzung der maximalen mechanischen Belastbarkeit des jeweiligen Bauteils erforderlich machen.
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Weiterhin stellen verschiedene Prozessschritte und Bauteilhandhabungsvorgänge während der Fertigung gewisse Anforderungen an die mechanische Stabilität der Einzelbleche. Um diese zu gewähren, können zusätzliche dünne Stege in der Einzelblechkontur vorgesehen werden. Diese leiten jedoch den magnetischen Fluss unbeabsichtigt in unerwünschte Bereiche, wo wiederum Verluste entstehen.
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Das Hauptproblem besteht jedoch darin, dass durch diesen Vorgang der magnetische Fluss an anderer Stelle unerwünscht herabgesetzt wird und es womöglich zu einer Reduzierung des erreichbaren bzw. zulässigen Drehmomentes kommt.
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Bisher ist eine gezielte lokale Steuerung des magnetischen Flusses nicht möglich. Es sind jedoch sogenannte Flussbarrieren realisiert worden. Diese bestehen in der Regel aus einem oder mehreren aufeinander folgenden Luftspalten (
US 7,432,624 B2 ). Luft besitzt keine verstärkende Wirkung für externe Magnetfelder im Inneren. Daher erhöht sich der resultierende magnetische Widerstand über diese Luftspalte hinweg. Nachteilig ist das Einbringen einer zusätzlichen Kontur in Form eines Spaltes oder Schnittes, was fertigungsbedingt eine Mindestgeometrie erfordert und einen zusätzlichen Prozessschritt bei der Herstellung erfordert. Gerade in Bereichen, wie z. B. Stegen, wo nur wenig weichmagnetisches Material übrig geblieben ist, führt das zusätzliche Herauslösen von weichmagnetischem Material zur Konturschädigung und dem magnetischen Bauteilversagen. Beziehungsweise müssen Mindestabstände zum Bauteilrand eingehalten werden. Das verbleibende Material im Bereich dieses Abstandes ist wiederum Magnetfluss führend.
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Ein weiterer Lösungsvorschlag wurde mittels mechanischer Schädigung der unerwünschten flussführenden Bereiche vorgestellt (
EP 2 169 805 A1 ). Im Werkstoff lokal eingebrachte Spannungen verschlechtern die magnetischen Eigenschaften in diesem so beeinflussten Bereich und dienen als Barrieren für den magnetischen Fluss. Bei der Erzeugung dieser Schädigungen entstehen Vertiefungen auf der Blechoberseite (bedingt durch das Stanzwerkzeug) und eine Auswölbung auf der Unterseite. Wird nun ein Einzelbleche mit der Vertiefung an der Oberseite mit einem weiteren Einzelblech mit einer komplementär entsprechenden Auswölbung an der Unterseite gefügt, kommt es zur Schädigung der Isolationsschutzschicht bedingt durch den mechanischen Formgebungsprozess und einer elektrischen Kontaktierung beider Bleche. Das Resultat ist eine Zunahme der dynamischen Wirbelstromverluste. Weiterhin ist dieses mechanische Schädigungsverfahren in dem Ausmaß seiner Schädigung nicht steuerbar, lokal begrenzt und nicht uneingeschränkt auf der herzustellenden Einzelblechkontur anwendbar.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine lokal gezielte Beeinflussung des magnetischen Flusses in einem Bauteil aus einem weichmagnetischen Werkstoff zu erreichen, ohne dass ein Werkstoffabtrag erfolgt oder eine Verformung oder eine Formänderung am Bauteil vorgenommen wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Anspruch 10 betrifft ein mit dem Verfahren bearbeitetes Bauteil. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Die beschriebenen unerwünschten den magentischen Fluss führenden Bereiche im Rotor – möglich wäre auch die Anwendung für Bereiche im Stator – werden mittels Laser unter Auswahl einer geeigneten Bearbeitungsstrategie und adäquater Prozessparameter bestrahlt. Diese orientieren sich an dem zu bearbeitenden Werkstoff und der lateralen Ausdehnung des zu bestrahlenden Bereiches.
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Das Verfahrensprinzip basiert auf der laserstrahlinduzierten Volumenausdehnung und somit elastischen oder plastischen Deformation der Körner entsprechend deren kristallografischen Orientierung im bestrahlten Bereich. Nahe der mit einem Laserstrahl beaufschlagten Oberfläche des weichmagnetischen Werkstoffs werden große Anteile der Laserstrahlung absorbiert. Die darüber liegende Isolationsschutzschicht sollte hauptsächlich die Laserstrahlung transmittieren. Der Energieeintrag, der über die thermische Volumenausdehnung das Ausmaß der Schädigung bestimmt, sollte einen ausreichenden zeitlichen Gradienten aufweisen um unnötige Wärmeleitvorgänge im Werkstoff zu vermeiden. Die Bearbeitungsdauer einzelner Bereiche sollte so ausgestaltet sein, dass thermische Entspannungsvorgänge der Körner vermieden werden. Denn thermisch induzierte Eigenspannungen an den Korngrenzen und in den Körnern selbst setzen die magnetische Aktivität des Werkstoffs, sprich die Leitfähigkeit des magnetischen Flusses, herab. Eine thermisch induzierte Schädigung des Kristallgitters reduziert folglich die relative Permeabilität des weichmagnetischen Werkstoffs und führt zur Reduzierung der Verstärkung externer Magnetfelder. Somit verringert sich ebenfalls die magnetische Flussdichte im bestrahlten und veränderten Werkstoffbereich im Vergleich zum unbehandelten Werkstoff beim Einwirken von externen Magnetfeldern gleicher Frequenz und Amplitude.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher so vorgegangen, dass bei einem Bauteil aus einem weichmagnetischen Werkstoff, z. B. einem Elektroblech, der Brennfleck eines Laserstrahls mindestens entlang einer Achse über die Oberfläche eines Bauteils bewegt wird. Dabei wird im bestrahlten Bereich eine Volumenausdehnung mit dadurch initiierter elastisch-plastischen Deformation mehrerer Körner des Werkstoffs und/oder thermisch induzierte Eigenspannungen an Korngrenzen und in Körnern des Werkstoffgefüges erreicht und dadurch tritt in diesem Bereich eine Reduzierung der relativen magnetischen Permeabilität μr und der magnetischen Flussdichte B durch eine definierte Leistungsdichte Pd im Brennfleck des Laserstrahls auf.
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Die Leistungsdichte im Brennfleck mittels der Laserleistung kann dadurch beeinflusst werden, dass die Größe der Fläche des Brennflecks angepasst, eine Wellenlänge des eingesetzten Laserstrahls ausgewählt wird, die vom Werkstoff des Bauteils in geeigneter Weise absorbiert wird und/oder die Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck entlang der Oberfläche bewegt wird, angepasst wird. Dabei spielt natürlich das Absorptionsvermögen des Werkstoffs des Bauteils und sein Gefüge bzw. seine Kristallgitterstruktur eine Rolle, die entsprechend bei der Durchführung des erfindungsgemäßen beachtet werden können.
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Häufig sind Bauteiloberflächen mit einer Isolationsschutzschicht, die dielektrisch sein sollte, versehen. In diesen Fällen kann ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge eingesetzt werden, der von der Isolationsschutzschicht nur unwesentlich absorbiert wird, so dass wenn überhaupt nur eine geringfügige Schädigung der Isolationsschutzschicht auftreten kann. Unter unwesentlich können dabei maximal 10%, bevorzugt maximal 5% Absorption verstanden werden. Der größte Anteil der Laserstrahlung sollte vom Bauteilwerkstoff absorbiert werden. Dabei ist unter zum größten Teil mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75% der Strahlungsenergie zu verstehen. Der Werkstoff der Isolationsschutzschicht sollte für die Wellenlänge des Laserstrahls überwiegend transparent sein, so dass die vorab erwähnten Mindestanteile der Strahlung vom eigentlichen Bauteilwerkstoff absorbiert werden können.
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Der Brennfleck des Laserstrahls sollte so entlang der Oberfläche des Bauteils bewegt und betrieben werden, dass eine infolge thermischer Leitung auftretende Reduzierung der relativen magnetischen Permeabilität μr und der magnetischen Flussdichte B in nicht bestrahlten Bereichen vermieden wird, so dass nur dort eine gezielte Veränderung erreicht wird und unbestrahlte Bereiche ihre ursprünglichen magnetischen Eigenschaften beibehalten. Der in seinen magnetischen Eigenschaften veränderte Bereich sollte dementsprechend eine Breite in Bezug zur Vorschubbewegungsachsrichtung aufweisen, der geringfügig breiter, maximal 10% bereiter, als die maximale laterale Ausdehnung des Brennflecks senkrecht zu dieser Achsrichtung ist. Es kann auch ein von einer kreisform abweichender Brennfleck, mit rechteckiger oder elliptischer Form eingesetzt werden. Dabei sollte die Ausrichtung so gewählt werden, dass die größte laterale Ausdehnung des Brennflecks in der Vorschubachsrichtung der Brennfleckbewegung ausgerichtet ist. Dadurch kann die Breite reduziert und die Strahlungsenergie effektiver genutzt werden.
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Die Leistungsdichte kann sehr einfach durch eine ausgewählte angepasste Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck entlang der Oberfläche bewegt wird erreicht werden. Ein geeigneter Geschwindigkeitsbereich ist dabei 1 m/min bis 50 m/min, bevorzugt 5 m/min bis 40 m/min.
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Der Vorschub kann durch eine entsprechende Bewegung des Laserstrahls, eine Auslenkung des Laserstrahls mit einem oder mehreren verschwenkbaren reflektierenden Element(en) und/oder eine Bewegung des Bauteils erreicht werden.
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Neben dem cw-Betrieb des Laserstrahls kann auch ein gepulst betriebener Laserstrahl eingesetzt werden. Dabei kann zusätzlich eine Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften auch durch die Pulsfrequenz und die Pulslänge erreicht werden.
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Günstig kann es auch sein, einen zu bearbeitenden Bereich, in dem die magnetischen Eigenschaften mehrfach zu bestrahlen, und dabei den Brennfleck des Laserstrahls mehrfach entlang dieses Bereiches zu bewegen. Dadurch kann eine ausreichende Änderung der magnetischen Eigenschaften in diesem so bestrahlten Bereich erreicht werden und andere Bereiche sowie die Isolationsschutzschicht werden infolge Wärmeleitung nicht oder zumindest nicht soweit in ihren Eigenschaften verändert, dass sie ihre ursprüngliche Funktion verlieren.
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Bei der Erfindung besteht auch die Möglichkeit nebeneinander angeordnete Bereiche mit einem Laserstrahl zu bestrahlen und diese Bereiche im Sinne der Erfindung zu verändern. Dabei können zwei oder mehr als zwei Spuren, die zumindest teilweise parallel und/oder in einem gleichen Abstand zueinander verlaufen ausgebildet werden, um den Effekt der Beeinflussung eines in diesem Bereich wirkenden magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zu verbessern.
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In den bestrahlten Bereich des Brennflecks kann auch ein Zusatzgas zugeführt werden, das im Wesentlichen eine Schutzfunktion für optische Elemente vor Verschmutzung, Beschädigung oder Zerstörung erfüllen soll. Dabei kann mit kleinem Druck und Volumenstrom gearbeitet werden.
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In Laborexperimenten konnte eine lokale Degeneration der relativen Permeabilität von bis zu 75% erreicht werden. Die bestrahlten Bereiche weisen einen höheren magnetischen Widerstand auf. Es existieren bestrahlte und unbehandelte Bereiche nebeneinander, weicht der magnetische Fluss auf den Bereich mit geringerem magnetischem Widerstand aus. Aufgrund der lokalen Anwendbarkeit und der verschiedenen Möglichkeiten zur zeitlichen und lateralen Ausgestaltung der Intensität der Laserbestrahlung ist eine vielseitige Steuerung des magnetischen Flusses möglich.
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Die Wirkung der beabsichtigten Technologie ist je nach Anwendungsfall die Erhöhung der Maximaldrehzahl des Rotors aufgrund verbesserter mechanischer Stabilität bei sonst gleichem magnetischem Verhalten. Bei einem unveränderten Drehmomentverhalten führt dies zu einer verbesserten Leistungsabgabe der Maschine. Liegt der Fokus nicht auf der Verbesserung der mechanischen Stabilität, können hingegen höhere Leistungsdichten und demzufolge höhere Wirkungsgrade erzielt werden, da eine bessere Ausnutzung des magnetisierbaren Materials möglich ist. In einem anderen Anwendungsfall ist eine Effizienzsteigerung der Maschine aufgrund eines angepassten magnetischen Flussverhalten im Rotor bzw. Stator und folglich reduzierten Verlusten bei gleicher mechanischer Stabilität möglich.
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Vorteilhaft kann eine lokal gezielte Beeinflussung des magnetischen Flusses erreicht werden, ohne dass Schnitte sowie Aussparungen oder Verformungen ausgebildet werden müssen. Diese können zu Schädigungen an anderen Einzelblechen während des Fügens zum Verbund führen oder Schwachstellen für die dynamische Belastung darstellen.
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An dem Bauteil Rotor einer elektrischen Maschine sind nach der erfindungsgemäßen Bearbeitung an signifikanten Positionen, z. B. eines jeden Einzelbleches (oder zumindest an einer größeren Anzahl) bestimmte Bearbeitungsmuster zu erkennen. Die Laserbestrahlung dieser signifikanten Bereiche weist bei dezenter Bearbeitung zumindest eine Verfärbung der Isolationsschutzschicht auf. Signifikante Positionen sind in der Nähe von Dauermagneten, an dünnen Stegen und entlang ausgesparter Taschen, welche besonders bei Synchronreluktanzmaschinen vorkommen, zu finden.
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Es können weichmagnetische Bauteilwerkstoffe bearbeitet werden, die als Eisenlegierung mit z. B. mit Kobalt, Kupfer, Silizium oder Nickel legiert sind. Ein besonderes Beispiel ist dabei eine nach DIN IEC 60404-1 und folgende als deklarierte Elektroblechgüte vom Typ M330-35A bezeichnete Eisen-Silizium-Legierung.
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Es kann auch eine Bearbeitung um einen in das Bauteil integrierten oder daran angeordneten Permanentmagneten herum durchgeführt werden. Dabei muss die Bearbeitung nicht um den gesamten Umfang herum erfolgen. Es kann genügen lediglich bestimmte Richtungen magnetisch durch eine erfindungsgemäße Bearbeitung zu verändern.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 ein Diagramm der relativen Änderung der magnetischen relativen Pemeabilität μr, die durch lokal gezielte Beeinflussung an einem Bauteil aus einer M330-35A Eisen-Silizium-Legierung bei verschiedenen Laserleistungen und Vorschubgeschwindigkeiten des bewegten Brennflecks erreicht worden sind;
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2 einen Teil eines Einzelblechs für einen Synchron-Reluktanzrotor und
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3 einen Teil eines Einzelblechs für einen Rotor eines permanenterregten Synchronmotors.
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Für die Auswertung wurde ein standardisiertes (induktives) Messgerät zur Bestimmung der B-H-Kennlinien (Flussdichte-Magnetfeld-Kennlinie), der relativen Permeabilität und der Ummagnetisierungsverluste von weichmagnetischen Werkstoffen eingesetzt. So konnte die Leistungsfähigkeit der Laserbearbeitung hinsichtlich der besagten magnetischen Parameter bewertet werden.
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Bedingt durch die Messgeräteanforderung mussten Einzelstreifenproben der Länge von 250 mm gefertigt werden. Als Breite wurden 5 mm gewählt. Diese Proben wurden magnetisch vermessen, laserbestrahlt und erneut vermessen. Als Kontur wurde im ersten Schritt eine Linie der Länge 100 mm gewählt. Andere Bearbeitungsstrategien sind aber ebenfalls möglich.
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Es kamen zwei Laserstrahlquellen mit verschiedener Wellenlänge zum Einsatz. Dies waren ein CO2-Laser mit einer maximal verwendeten Leistung von 300 W und ein Festkörperlaser mit einer maximal verwendeten Leistung von 500 W. Es wurde mit einem runden Brennfleck gearbeitet.
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Bei Einsatz des CO2-Lasers wurden folgende Parameter gewählt:
Wellenlänge 10,6 μm. Es wurde ohne Zusatzgas und mit variierten Vorschubgeschwindigkeiten zwischen 5 m/min und 40 m/min gearbeitet. Dabei stellte sich heraus, dass umso höher die Vorschubgeschwindigkeit, desto größer die magnetische Schädigung ist. Somit kann je nach Anwendungsfall durch eine geeignete Vorschubgeschwindigkeit, ohne eine Veränderung der anderen Parameter, eine gewünschte relative Permeabilität μr eingestellt werden.
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Es stellte sich heraus, dass sich eine Defokussierung des Brennfleckdurchmessers von 0,62 mm auf ca. 0,9 mm, als vorteilhaft erwies.
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Bei Einsatz des Festkörperlasers wurden folgende Parameter berücksichtigt. Wellenlänge 1,03 μm.
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Es wurde mit Zusatzgas bei sehr geringem Druck von 1 bar (zur Vermeidung von Spritzern bzw. Beschädigung optischer Komponenten) gearbeitet. Die Vorschubgeschwindigkeit wurde wieder zwischen 5 m/min und 40 m/min variiert. Über die Vorschubgeschwindigkeit konnten die magnetischen Eigenschaften durch Veränderung des Gefüges bzw. Kristallgitters gezielt beeinflusst werden.
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Dieser Sachverhalt ist mit dem in 1 gezeigten Diagramm verdeutlicht.
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Die 2 zeigt einen Teil eines Einzelblechs 1 als Bauteil, das bei einem Synchron-Reluktanzrotor eingesetzt werden kann. Dabei sind mit 2 Bereiche des magnetischen Flusses gekennzeichnet. Im Einzelblech 1 sind Durchbrüche 3, die frei von weichmagnetischem Werkstoff sind, ausgebildet. Mit 4 sind Bereiche in denen ein magnetischer Fluss unerwünscht ist, gekennzeichnet. Außerdem sind Verläufe 5 magnetischer Feldlinien schematisch dargestellt.
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Rückflüsse 6 magnetischer Feldlinien sind in Bereichen um Durchbrechungen 3 angegeben. Diese unerwünschten Rückflüsse 6 können mit der Erfindung vermieden werden, indem dort eine lokal gezielte Beeinflussung mit einem Laserstrahl erfolgt. Die entsprechend in ihren magnetischen Eigenschaften beeinflussten Bereiche können dort linienförmig als eine oder mehrere neben einander angeordnete Spuren ausgebildet sein.
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Das in 3 gezeigte Beispiel eines Einzelblechs 7 für einen Rotor eines permanent erregten Synchronmotors unterscheidet sich vom Beispiel nach 2 dadurch, dass vergrabene oder formschlüssig befestigte Permanentmagnete 8 vorhanden sind. Auch hier sollten in den Bereichen in denen ein Rückfluss von magnetischen Feldlinien 6 ohne eine zusätzliche Bearbeitung auftreten würde eine lokal gezielte erfindungsgemäßen Bearbeitung durchgeführt werden, um diesen Rückfluss 6 zu vermeiden, zumindest erheblich zu reduzieren.
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Ansonsten sind die gleichen Elemente in 3 mit den gleichen Bezugszeichen, wie in 2 gekennzeichnet. In beiden 2 und 3 ist jeweils ein Viertel eines Einzelblechs 1 oder 7 gezeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7432624 B2 [0008]
- EP 2169805 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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