DE102013221965A1 - Process for producing a molded part and electric machine with such a molded part - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteiles, beispielsweise eines Rotors und/oder Stators für eine elektrische Maschine, umfassend folgende Schritte: Positionieren (6) eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffes (3) in einer Pressform (2), Pressen des Inhaltes der Pressform (2) zu einem Grünling und Temperieren des Grünlings zu einem mechanisch verfestigten Formteil. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor dem Pressen in von dem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff (3) getrennten Bereichen der Pressform (2) hartmagnetischer Pulververbundwerkstoff (4) und/oder nichtmagnetischer Pulververbundwerkstoff (5) positioniert (7, 8) wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor und/oder der Stator als Formteil zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff (3) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Formteil in wenigstens einem räumlich begrenzten Bereich aus einem hartmagnetischen Pulververbundwerkstoff (4) und/oder nichtmagnetischen Pulververbundwerkstoff (5) besteht.The invention relates to a method for producing a molded part, for example a rotor and / or stator for an electric machine, comprising the following steps: positioning (6) a soft magnetic powder composite material (3) in a mold (2), pressing the content of the mold (2 ) To a green compact and tempering of the green compact to a mechanically bonded molding. According to the invention, hard pressed powder composite material (4) and / or non-magnetic powder composite material (5) is positioned (7, 8) in a region of the die (2) separated from the soft magnetic powder composite material (3) prior to pressing. The invention further relates to an electric machine with a rotor and a stator, wherein the rotor and / or the stator is formed as a molded part at least partially made of a soft magnetic powder composite material (3). According to the invention, it is provided that the molded part consists of a hard-magnetic powder composite material (4) and / or nonmagnetic powder composite material (5) in at least one spatially limited area.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere magnetisierbaren Formteiles, beispielsweise eines Rotors und/oder Stators für eine elektrische Maschine, umfassend die Schritte: Positionieren eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffes in einer Pressform, Pressen des Inhaltes der Pressform zu einem Grünling und Temperieren des Grünlings zu einem mechanisch verfestigten Formteil. The invention relates to a method for producing a particular magnetizable molding, for example a rotor and / or stator for an electrical machine, comprising the steps of: positioning a soft magnetic powder composite in a mold, pressing the contents of the mold into a green compact and tempering the green compact into one mechanically solidified molding.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, der die Wicklung trägt, wobei der Rotor und/oder der Stator als Formteil zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff ausgebildet ist. Furthermore, the invention relates to an electrical machine having a rotor and a stator, which carries the winding, wherein the rotor and / or the stator is formed as a molded part at least partially made of a soft magnetic powder composite material.
Ein Verfahren der genannten Art ist bereits in der Druckschrift
Die Druckschrift
Schließlich ist durch die Druckschrift
Die Befestigung der Permanentmagnete an dem Weicheisenkörper erfolgt häufig durch Verkleben. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Klebstoff, Permanentmagneten und Weicheisenkörper ist diese Verbindung, insbesondere hinsichtlich ihrer Dauerhaftigkeit, nachteilig. Die zusätzlich zu erwartenden hohen Fliehkräfte verstärken die Nachteile. The attachment of the permanent magnets to the soft iron body is often done by gluing. Due to the different thermal expansion coefficients of adhesive, permanent magnets and soft iron body, this compound, in particular in terms of their durability, disadvantageous. The additionally expected high centrifugal forces increase the disadvantages.
Eine festere und dauerhaftere Verbindung zwischen Permanentmagneten und Weicheisenkörper wird beispielsweise durch ein Einpressen der Dauermagnete in die taschenartigen Ausnehmungen des Weicheisenkörpers erreicht. A firmer and more durable connection between permanent magnet and soft iron body is achieved, for example, by pressing the permanent magnets into the pocket-like recesses of the soft iron body.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass eine Alternative zum Stand der Technik gefunden wird. Diese sollte die wesentlichen Nachteile des Standes der Technik beseitigen und weitere Vorteile eröffnen. Against this background, the invention has the object to perform a method and an apparatus of the type mentioned above such that an alternative to the prior art is found. This should eliminate the significant disadvantages of the prior art and open up further advantages.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung. This object is achieved by a method according to the features of
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Herstellung eines magnetisierbaren Formteiles vorgesehen, bei dem vor dem Pressen in von dem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff getrennten Bereichen der Pressform hartmagnetischer Pulververbundwerkstoff und/oder nichtmagnetischer Pulververbundwerkstoff positioniert wird. Anschließend wird dann der weichmagnetische Pulververbundwerkstoff gemeinsam mit dem hartmagnetischen Pulververbundwerkstoff und gegebenenfalls nichtmagnetischen Pulververbundwerkstoff zu einem Grünling gepresst. Dabei, spätestens jedoch bei der Temperierung des Grünlings wird eine formschlüssige und stoffschlüssige Verbindung der unterschiedlichen Pulververbundwerkstoffe erreicht. Hierdurch kann auf die nachteiligen zusätzlichen Verbindungsmittel wie Klebstoffe verzichtet werden. Zugleich wird durch diese Fertigungsweise die Herstellung komplizierter räumlicher Strukturen, insbesondere unsymmetrischer Magnetformen, erleichtert. According to the invention, therefore, a method for producing a magnetizable molded part is provided in which hard-magnetic powder composite material and / or nonmagnetic powder composite material is positioned before being pressed into regions of the mold that are separate from the soft magnetic powder composite material. Subsequently, the soft magnetic powder composite material is then pressed together with the hard magnetic powder composite material and optionally non-magnetic powder composite material to form a green compact. In this case, but at the latest when the tempering of the green body, a positive and cohesive connection of the different powder composite materials is achieved. This can be dispensed with the disadvantageous additional connecting means such as adhesives. At the same time, the production of complicated spatial structures, in particular asymmetrical magnet shapes, is facilitated by this production method.
Damit sich die unterschiedlichen Pulververbundwerkstoffe beim Positionieren nicht unnötig vermischen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, dass vor dem Positionieren wenigstens eines der Pulververbundwerkstoffe zumindest eine Schablone in der Pressform angeordnet wird. Hierdurch ist es möglich, die Pulververbundwerkstoffe in separaten Bereichen zu positionieren. Vor dem Pressen wird die zumindest eine Schablone aus der Pressform entfernt. Dadurch wird erreicht, dass sich die aneinandergrenzenden Metallpartikel der unterschiedlichen Bereiche beim Pressen und/oder beim Temperieren miteinander verbinden. So that the different powder composite materials do not mix unnecessarily during positioning, it has proven to be expedient that at least one template is arranged in the mold before positioning at least one of the powder composite materials. This makes it possible to position the powder composite materials in separate areas. Before pressing, the removed at least one template from the mold. It is thereby achieved that the adjoining metal particles of the different regions join together during pressing and / or during tempering.
Das Positionieren der vorzugsweise rieselfähigen oder auch pastösen Pulververbundwerkstoffe erfolgt idealerweise mittels zumindest einer Düse. Dabei werden die Pulververbundwerkstoffe in Lagen und/oder in Spuren und/oder in Rasterbereichen in der Pressform positioniert. Insbesondere bei dem Positionieren der Pulververbundwerkstoffe in kleinen Mengen, Lagen, Spuren oder rasterweise kann auf eine Verwendung einer Schablone verzichtet werden. Der Aufbau der Spuren, Lagen oder Matrixbereiche auch benachbarter unterschiedlicher Pulververbundwerkstoffe erfolgt hierbei in allen Raumrichtungen. The positioning of the preferably free-flowing or pasty powder composite materials is ideally carried out by means of at least one nozzle. The powder composite materials are positioned in layers and / or in traces and / or in grid areas in the mold. In particular, when positioning the powder composites in small quantities, layers, tracks or gridwise can be dispensed with a use of a template. The structure of the tracks, layers or matrix areas also adjacent different powder composite materials takes place here in all directions.
Bei der Verwendung wenigstens einer Schablone ist es vorteilhaft, dass die unterschiedlichen Pulververbundwerkstoffe nacheinander in der Pressform positioniert werden. Dabei werden vorzugsweise zuerst der weichmagnetische Pulververbundwerkstoff, dann der nichtmagnetische Pulververbundwerkstoff und schließlich der hartmagnetische Pulververbundwerkstoff positioniert. When using at least one template, it is advantageous that the different powder composite materials are positioned one after the other in the mold. In this case, the soft magnetic powder composite material, then the nonmagnetic powder composite material and finally the hard magnetic powder composite material are preferably positioned first.
Alternativ hierzu hat es sich, insbesondere bei einem Verzicht auf Schablonen, als ebenso günstig erwiesen, die Pulververbundwerkstoffe gleichzeitig in ihren separaten Bereichen in der Pressform zu positionieren. Hierzu wird für jeden der unterschiedlichen Pulververbundwerkstoffe mindestens eine Düse verwendet. Alternatively, it has proved to be just as favorable, in particular in the absence of stencils, to position the powder composite materials simultaneously in their separate areas in the mold. For this purpose, at least one nozzle is used for each of the different powder composite materials.
Das Positionieren der Pulververbundwerkstoffe, insbesondere in den durch Schablonen abgegrenzten Bereichen, kann durch Schütten beispielsweise rieselfähiger Pulververbundwerkstoffe erfolgen. Für eine exakte Dosierung und Positionierung der Pulververbundwerkstoffe hat sich die Verwendung von Düsen jedoch als sinnvoll erwiesen. Vorzugsweise werden die Düsen von einem Bewegungsautomaten im dreidimensionalen Raum nach einem Steuerprogramm bewegt. The positioning of the powder composite materials, in particular in the areas defined by templates, can be carried out by pouring, for example, free-flowing powder composite materials. For an exact dosage and positioning of the powder composite materials, however, the use of nozzles has proven to be useful. Preferably, the nozzles are moved by a motion machine in three-dimensional space for a control program.
Die Abgabe des Pulververbundwerkstoffes aus einer Düse kann diskontinuierlich oder kontinuierlich erfolgen. Hierbei werden einzelne Lagen des Pulververbundwerkstoffes in der Pressform durch die Bewegung der Düse aus Spuren und/oder Rasterbereichen aufgebaut, wobei jede Spur auch aus einer Vielzahl von Rasterbereichen zusammengesetzt sein kann. Dabei wird einem individuellen Rasterbereich eine Portionsmenge eines der unterschiedlichen Pulververbundwerkstoffe zugewiesen. The delivery of the powder composite material from a nozzle can be discontinuous or continuous. In this case, individual layers of the powder composite in the mold are constructed by the movement of the nozzle of tracks and / or raster areas, wherein each track can also be composed of a plurality of screen areas. In this case, a portion amount of one of the different powder composite materials is assigned to an individual grid area.
Die Herstellung des magnetisierbaren Formteiles kann durch die Positionierung sämtlicher erforderlicher Pulververbundwerkstoffe und ein daran anschließendes Pressen dieser Pulververbundwerkstoffe erfolgen. The preparation of the magnetizable molding can be done by the positioning of all required powder composite materials and a subsequent pressing of these powder composites.
Als besonders günstig hat es sich jedoch erwiesen, dass das Formteil, beziehungsweise vor dem Temperieren der Grünling, in mehreren Schritten erzeugt wird, wobei jeder Schritt aus dem Positionieren einer Teilmenge der Pulververbundwerkstoffe und dem Pressen der Teilmenge in der Pressform besteht. Nach dem Pressen der Teilmenge wird eine weitere Teilmenge der Pulververbundwerkstoffe in der Pressform positioniert. Gegebenenfalls wird für die Positionierung einer oder mehrerer Teilmengen der Pulververbundwerkstoffe wenigstens eine Schablone in der Pressform angeordnet. Durch die Herstellung des Formteiles in mehreren Schritten ist es erstmals möglich, komplizierte räumliche Strukturen, insbesondere des von weichmagnetischem Werkstoff umgebenen hartmagnetischen Werkstoffes, auf einfache Weise und mit nahezu beliebiger Geometrie zu erzeugen. So können unsymmetrische Magnetformen, Hinterschneidungen und versetzte Bereiche modelliert werden. However, it has proven to be particularly favorable that the molded part, or before the tempering of the green compact, is produced in several steps, each step consisting of the positioning of a subset of the powder composite materials and the pressing of the subset in the mold. After pressing the subset, a further subset of the powder composite materials is positioned in the mold. If appropriate, at least one template is arranged in the mold for the positioning of one or more subsets of the powder composite materials. The production of the molded part in several steps makes it possible for the first time to produce complicated spatial structures, in particular of the hard magnetic material surrounded by soft magnetic material, in a simple manner and with virtually any desired geometry. Thus, asymmetrical magnet shapes, undercuts and staggered areas can be modeled.
Die durch einzelne Schritte oder in mehreren Schritten aufgebauten Abschnitte des Formteiles bilden eine vorzugsweise axiale Segmentierung. Die aus einer oder mehreren Lagen und/oder in einem oder mehreren Schritten gefertigten Abschnitte werden daher als Segmente bezeichnet. Zum Herstellen beispielsweise einer Rotorschrägung weisen die Segmente zueinander einen Winkelversatz auf. Die Rotorschrägung mindert die Oberwellen und erhöht somit die Leistung der elektrischen Maschine. The sections of the molded part constructed by individual steps or in several steps form a preferably axial segmentation. The sections made up of one or more layers and / or in one or more steps are therefore referred to as segments. To produce, for example, a rotor bevel, the segments have an angular offset from each other. The rotor pitch reduces the harmonics and thus increases the power of the electric machine.
Bevorzugt erfolgt das Temperieren vor einem Ausformen des Formteiles aus der Pressform. Für eine Beschleunigung des Herstellungsprozesses und insbesondere zum Erreichen einer erhöhten Festigkeit bei einem in mehreren Schritten erfolgenden Aufbau des Formteiles hat es sich als besonders praktikabel gezeigt, dass das Pressen und das Temperieren gleichzeitig, beispielsweise als sogenanntes Heißpressen erfolgen. Preferably, the tempering takes place before a molding of the molded part from the mold. For an acceleration of the manufacturing process and in particular for achieving increased strength in a multi-step structure of the molded part, it has been found to be particularly practical that the pressing and the tempering take place simultaneously, for example as so-called hot pressing.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 8. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung. The object is further achieved with a device according to the features of
Erfindungsgemäß ist also eine elektrische Maschine vorgesehen, bei der das Formteil in wenigstens einem räumlich begrenzten Bereich aus einem hartmagnetischen und/oder nichtmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht. Durch den Aufbau des Formteiles aus weichmagnetischen und hartmagnetischen Pulververbundwerkstoffen in räumlich begrenzten Bereichen kann eine hohe Festigkeit des Formteiles erreicht werden. According to the invention, therefore, an electric machine is provided in which the molded part consists of a hard-magnetic and / or nonmagnetic powder composite material in at least one spatially limited area. Due to the structure of the molded part of soft magnetic and hard magnetic powder composite materials in space limited areas, a high strength of the molded part can be achieved.
Das Einbringen von nichtmagnetischem Pulververbundwerkstoff in begrenzten Bereichen dient dazu, das Magnetfeld zu beeinflussen. Im Stand der Technik werden dazu Hohlräume in dem Formteil vorgesehen, welche jedoch dessen Festigkeit negativ beeinflussen. Durch den mit den übrigen Pulververbundwerkstoffen form- und stoffschlüssig verbundenen nichtmagnetischen Pulververbundwerkstoff wird eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes, also der Reluktanz erreicht und zugleich die Festigkeit des Formteiles verbessert. Als nichtmagnetischer Pulververbundwerkstoff werden beispielsweise paramagnetische und/oder diamagnetische Verbundwerkstoffe verwendet. The introduction of non-magnetic powder composite material in limited areas serves to influence the magnetic field. In the prior art cavities are provided in the molded part, which, however, adversely affect its strength. Due to the non-magnetic powder composite, which is positively and materially bonded to the other powder composite materials, an increase in the magnetic resistance, that is to say the reluctance, is achieved and, at the same time, the strength of the molded part is improved. As a non-magnetic powder composite material, for example, paramagnetic and / or diamagnetic composite materials are used.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Bereich aus einem nichtmagnetischen Pulververbundwerkstoff an einem Bereich mit weichmagnetischem Pulververbundwerkstoff und an einem Bereich mit hartmagnetischem Pulververbundwerkstoff anliegt. It is preferably provided that the region of a nonmagnetic powder composite material bears against a region of soft magnetic powder composite material and on a region of hard magnetic powder composite material.
Eine weitere günstige Ausführungsform des Formkörpers sieht vor, dass dieser insbesondere in axialer Richtung aus mehreren Segmenten besteht. Besonders günstig ist es, dass diese Segmente zueinander einen Winkelversatz aufweisen. Hierdurch wird eine Rotorschrägung zur Reduzierung der Oberwellen erreicht, was die Leistung der elektrischen Maschine verbessert. Another favorable embodiment of the molding provides that this consists in particular in the axial direction of several segments. It is particularly favorable that these segments have an angular offset from each other. As a result, a rotor bevel is achieved to reduce the harmonics, which improves the performance of the electric machine.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung nach einem Verfahren gemäß zumindest einem der vorstehend genannten Merkmale, insbesondere nach wenigstens einem der Merkmale der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt worden ist. Furthermore, it is advantageous that the device has been produced by a method according to at least one of the aforementioned features, in particular according to at least one of the features of
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in The invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, some of them are shown in the drawing and will be described below. This shows in
Die
Anschließend werden, wie in
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Formteil molding
- 2 2
- Pressform mold
- 3 3
- weichmagnetischer Pulververbundwerkstoffsoft magnetic powder composite material
- 4 4
- hartmagnetischer Pulververbundwerkstoffhard magnetic powder composite material
- 5 5
- nichtmagnetischer Pulververbundwerkstoffnon-magnetic powder composite
- 6 6
-
Positionieren von
3 Positioning of3 - 7 7
-
Positionieren von
4 Positioning of4 - 8 8th
-
Positionieren von
5 Positioning of5 - 9 9
- Schablone template
- 10 10
- Anordnen der Schablone Arrange the template
- 11 11
- Entfernen der Schablone Remove the template
- 12 12
- Pressen Press
- 13 13
- Temperieren temper
- 14 14
- 15 15
- Magnetisieren Magnetize
- 16 16
- Segment segment
- 17 17
- Düse jet
- 18 18
- Spur track
- 19 19
- Rasterbereich screen range
- 20 20
- Lage location
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102010062722 A1 [0005] DE 102010062722 A1 [0005]
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