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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einem Magneten in einer elektrischen Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils einer elektrischen Maschine.
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Hintergrund der Erfindung
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In elektrischen Maschinen für Antriebe, beispielsweise für Hybrid- und Elektrofahrzeuge können Magnete zur Erzeugung von magnetischen Feldern zum Einsatz kommen. Dies können unter anderem Permanentmagneten sein, die beispielsweise aus einen ferromagnetischen Material gefertigt sein können. So können beispielsweise eine Vielzahl von einzelnen Magneten am Umfang eines Rotors einer elektrischen Maschine befestigt werden, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu erreichen. Häufig werden die Magnete der Rotoren mit einem Kleber am Rotor befestigt. Hierdurch können die Magnete Umwelteinflüssen ausgesetzt sein, was in einigen Fällen zu Korrosion, mechanischen oder chemischen Veränderungen oder anderen nachteiligen Effekten führen kann. Insbesondere können unter Umständen durch eine Korrosion der Magnete eine Magnetflussstärke sowie eine Magnetmasse abnehmen. In einzelnen Fällen können Magnete möglicherweise brechen und aus dem Rotor fallen. Als eine Möglichkeit, diese Einflüsse zu verringern, sind Lösungen bekannt, bei denen die Magnete im Rotor, beispielsweise in dafür vorgesehenen Taschen oder Nuten, mit einem Epoxidharz vergossen werden.
DE 10 2010 041 585 A1 beschreibt einen Rotor einer elektrischen Maschine mit Permanentmagneten, die am Umfang eines Rotorkörpers angeordnet sind. Der Rotor der elektrischen Maschine kann hierbei eine Vielzahl von Taschen aufweisen, in welche Permanentmagnete vergossen sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ausführungsformen der Erfindung können vorteilhaft eine Korrosionsneigung der Magnete verringern, Isolationseigenschaften verbessern und so Eigenschaften und Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine verbessern. Der weiter unten beschriebenen Erfindung liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde: Eine Korrosion von Magneten kann häufig durch eindringende Feuchtigkeit und an der Oberfläche anhaftende Partikel verursacht sein. Hierbei können Kriechstrecken reduziert werden, was nachteilige Effekte auf die magnetischen Eigenschaften des Magneten haben kann. Ursache kann unter anderem ein elektrochemisches Potenzial sein, das sich aufgrund der Unterschiede in den edlen Bestandteilen der Komponenten des Magneten ergibt. Dieses Potenzial kann durch angelagerte Partikel kurzgeschlossen werden. Es ist also im Sinne einer Verbesserung der Isolations- und Korrosionseigenschaften der Magnete wünschenswert, Feuchtigkeit und Partikel vom Magneten oder von seiner direkten Umgebung fernzuhalten.
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Es wird daher ein Bauteil für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, die einen Magneten aufweist und das Bauteil weiterhin an seiner Oberfläche eine Beschichtung aufweist, die den Magneten umgibt oder bedeckt und die superhydrophob ausgebildet ist. Ein Bauteil kann hierbei ein bewegliches oder nicht bewegliches Teil oder Baugruppe, beispielsweise einer elektrischen Maschine sein. In einem Beispiel ist dieses Bauteil ein metallischer Rotor eines Elektromotors, an dem Magnete am Umfang des Rotors angebracht sind. Eine Beschichtung kann als eine Schicht verstanden werden, die auf der Oberfläche des Bauteils, beispielsweise durch Spritzgießen, aufgebracht werden kann. Unter superhydrophob kann eine Beschaffenheit der Oberfläche verstanden werden, die eine geringe Benetzbarkeit durch Flüssigkeiten oder Fluide bzw. Partikel bezeichnet. Dies kann durch eine Oberflächenarchitektur erreicht werden, die eine Anhaftungsneigung derartiger Teilchen oder Flüssigkeiten verringert. In der Beschreibung der Figuren wird ein Beispiel einer solchen superhydrophoben Oberfläche genauer beschrieben.
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Durch die superhydrophobe Oberfläche kann ein Anhaften von Flüssigkeiten oder Partikeln gehemmt, verringert oder vermieden werden. Mit anderen Worten kann ein Eindringen von Feuchtigkeit oder Fremdkörpern in den Magneten oder seine unmittelbare Umgebung verringert werden. Hierdurch kann eine Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften des Magneten durch Korrosionseffekte verringert werden. Dies kann zu einer längeren Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Magnete und damit der elektrischen Maschine führen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Beschichtung einen thermoplastischen Kunststoff mit einer mikrostrukturierten Oberfläche an ihrer vom Bauteil weg gerichteten Seite auf. Eine Mikrostruktur der Oberfläche ist so ausgebildet, dass ein Anhaften von Fluid und/oder Partikeln gehemmt wird. Dabei kann unter einer thermoplastischen Eigenschaft des Kunststoffes eine Möglichkeit verstanden werden, die es erlaubt, aufgrund von Temperierung, beispielsweise während des Herstellungsprozesses, Materialeigenschaften so zu verändern, dass definierte Strukturen im Kunststoff geschaffen werden können. Insbesondere kann in einem Beispiel eine Verformbarkeit oder Gießbarkeit durch gezielte Temperaturveränderung beeinflusst werden. Unter einer mikrostrukturierten Oberfläche kann eine Oberflächenstruktur verstanden werden, die Strukturen im Bereich von Mikrometern aufweist. Beispielsweise kann eine variotherm hergestellte Oberfläche kegelförmige Strukturelemente im Bereich von jeweils 20–50 µm aufweisen. Diese Größenordnungen der Strukturelemente können eine Wirkung entfalten, dass Partikel oder Flüssigkeiten nur bedingt oder gar nicht an der Oberfläche der Beschichtung anhaften können. Dieser Effekt ist auch unter dem Namen Lotuseffekt bekannt.
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Die Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffes kann insbesondere aufgrund der Herstellungsmöglichkeiten vorteilhaft sein, da hier verschiedene Verfahren, beispielsweise Spritzgussverfahren bekannt und erprobt sind. Ein solches Verfahren zur Herstellung derartiger superhydrophober Oberflächen wurde beispielsweise von der RWTH Aachen unter dem Begriff der dynamischen Temperierung entwickelt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist der thermoplastische Kunststoff Polyphenylensulfid (PPS) auf. Der Vorteil bei der Verwendung von Polyphenylensulfid kann insbesondere in der Verarbeitbarkeit und seinen thermisch-plastischen Eigenschaften sowie dessen Eignung beim Einsatz in elektrischen Maschinen bestehen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Magnet in einer Eintiefung des Bauteils angeordnet und die Beschichtung verschließt die Eintiefung des Bauteils, beispielsweise vollständig. Mit dem vollständigen Verschließen kann eine dichtende Wirkung erreicht werden. Mit anderen Worten ist der Magnet an keiner seiner Außenseiten frei zugänglich, sodass sich dort keine Partikel oder Feuchtigkeit festsetzen können. Dieses vollständige Kapseln durch entweder die Beschichtung oder die Innenwandung kann einen Schutz des Magneten vor Umwelteinflüssen ermöglichen und somit einer Veränderung der magnetischen Eigenschaften entgegenwirken. In einem Beispiel kann der Magnet zusätzlich durch ein Vergussmaterial umgeben sein, das zusammen mit der Eintiefung und der Beschichtung den Magneten dichtend umgibt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Bauteil weiterhin ein Vergussmaterial auf, durch das der Magnet in der Eintiefung gehalten wird. Der Vorteil eines Vergussmaterials kann darin gesehen werden, dass zum einen eine mechanische Fixierung des Magneten am Bauteil erreicht werden kann, andererseits kann ein zusätzlicher Schutz der Oberfläche des Magneten durch direkten Kontakt des Vergussmaterials mit dem Magneten erreicht werden. In einem Beispiel weist das Vergussmaterial ein Epoxidharz auf.
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Eine Eintiefung kann beispielsweise als eine Tasche in einem metallischen Bauteil verstanden werden, in der der Magnet angeordnet ist. Hierbei kann der Magnet teilweise oder vollständig in einem Innenbereich dieser Tasche angeordnet sein. In einem Beispiel ist für jeden Magneten am Umfang eines Rotors eine eigene Tasche vorgesehen. Gemäß einem weiteren Beispiel kann die Eintiefung als umlaufende Nut ausgebildet sein. Die Stirnfläche kann beispielsweise im Bereich einer nach außen gerichteten Öffnung dieser Tasche angeordnet sein. Da insbesondere im Bereich dieser Stirnfläche Flüssigkeit oder Partikel anhaften können, kann es vorteilhaft sein, diesen Bereich mit der Beschichtung zu versehen. Hierbei wird angenommen, dass die übrigen Bereiche, die den Magneten umgeben, durch die Innenwandung der Eintiefung vor Umwelteinflüssen, beispielsweise durch Feuchtigkeit und Partikel, geschützt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Magnet, das Vergussmaterial und die Beschichtung in einem Innenbereich der Eintiefung angeordnet. Mit anderen Worten kann eine zusätzliche Beschichtung so aufgebracht werden, sodass kein zusätzlicher Platzbedarf für die Beschichtung außerhalb des Bauteils notwendig ist. In einem Beispiel ist die Stirnfläche plan und/oder bündig mit den oberen Rändern der Eintiefung ausgestaltet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Bauteil ein Metall auf. Beispielsweise kann das Bauteil aus Stahl, Aluminium oder einem ähnlichen metallischen Werkstoff gefertigt sein. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Bauteil ein Rotor einer elektrischen Maschine, beispielsweise der Rotor eines Elektromotors für ein Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug.
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Gemäß eines Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, wobei das Verfahren den Schritt des Aufbringens einer Beschichtung auf eine Oberfläche des Bauteils sowie den Schritt des Erzeugens einer mikrostrukturierten Oberfläche an einer von dem Bauteil weg gerichteten Seite der Beschichtung aufweist. Eine Mikrostruktur der Oberfläche ist so ausgebildet, dass ein Anhaften von Fluid und/oder Partikeln gehemmt wird. In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Erzeugen der mikrostrukturierten Oberfläche durch dynamische Temperierung.
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Es ist zu verstehen, dass Merkmale des Verfahrens so wie obenstehend und untenstehend beschrieben auch Merkmale des Bauteils sein können und umgekehrt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Figuren sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden.
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1A und 1B zeigen einen Rotor einer elektrischen Maschine.
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2 zeigt einen Stirnbereich eines Rotors einer elektrischen Maschine in Schnittdarstellung mit einer außenliegenden Beschichtung gemäß der Erfindung.
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3 zeigt einen Stirnbereich eines Rotors einer elektrischen Maschine in Schnittdarstellung mit innenliegender Beschichtung gemäß der Erfindung.
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts einer superhydrophoben Oberfläche einer Beschichtung gemäß der Erfindung.
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5 zeigt in Schnittdarstellung ein Beispiel eines Werkzeugs zur Herstellung einer superhydrophoben Oberfläche.
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Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1A und 1B zeigen jeweils einen Rotor einer elektrischen Maschine, wobei 1B eine vergrößerte Ansicht eines Teilbereiches des in 1A dargestellten Rotors zeigt. Auf dem Umfang des Rotors 10 ist eine Vielzahl von Magneten 12 angeordnet, die in einer umlaufenden Eintiefung 14 angeordnet sind. Diese Eintiefung 14 ist mit einem Vergussmaterial 16 ausgefüllt, das zum einen die Magnete 12 mechanisch in der Eintiefung 14 fixiert und gleichzeitig zumindest einen Teil der Oberflächen der Magnete 12 vor Umwelteinflüssen schützt. Die Eintiefung 14 wird dabei von einer inneren Begrenzung 18 der Eintiefung 14 und von einer äußeren Begrenzung 20 der Eintiefung 14 gebildet. Im hier gezeigten Beispiel füllen das Vergussmaterial 16 und die Magnete 12 einen Innenbereich der Eintiefung 14 aus, sodass außerhalb des Rotors 10 bzw. außerhalb der Eintiefung 14 kein zusätzlicher Platzbedarf für Magnete 12 oder das Vergussmaterial 16 besteht. 1A und 1B zeigen den Rotor gemäß dem Stand der Technik ohne Beschichtung. Entsprechende Verfahren und Lösungen zum Vergießen von Magneten 12 in Rotoren 10 sind im Stand der Technik bekannt. Der hier gezeigte Rotor weist ergänzend Montage- und Befestigungsstrukturen auf.
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In 2 ist ein Stirnbereich eines Rotors 10 gemäß der Erfindung in Schnittdarstellung gezeigt. Der Stirnbereich weist eine Eintiefung 14 auf, die durch eine innere Begrenzung 18 und eine äußere Begrenzung 20 der Eintiefung gebildet ist. In einem Innenbereich der Eintiefung 14 ist ein Magnet 12 angeordnet, der durch ein Vergussmaterial 16 in der Eintiefung 14 gehalten wird. Dabei ist der überwiegende Teil einer Oberfläche des Magneten 12 vom Vergussmaterial 16 bedeckt und schützt den Magneten 12 so vor Umwelteinflüssen. Das Vergussmaterial 16 bildet zusammen mit dem Magneten 12 eine Stirnfläche 26. Diese Stirnfläche wäre normalerweise direkt Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit, Fluiden oder Partikeln ausgesetzt. Dies könnte unter Umständen dazu führen, dass über eine Lebensdauer des Rotors 10 die chemischen oder physischen Eigenschaften des Magneten 12 und des ihn umgebenden Materials verändert werden. Um dies zu verhindern, ist eine Beschichtung 22 aufgebracht, auf deren vom Rotor 10 weg gerichteten Oberfläche 24 eine superhydrophobe Mikrostruktur aufgebracht ist. Im hier gezeigten Beispiel bedeckt die Beschichtung 22 die gesamte Stirnfläche 26, die sonst Umwelteinflüssen ausgesetzt wäre. Die Beschichtung 22 kann beispielsweise durch ein Spritzgießverfahren aufgebracht werden. Der durch die superhydrophobe Oberfläche 24 der Beschichtung 22 erreichte Effekt ist auch unter dem Namen Lotuseffekt bekannt und hemmt ein Anhaften von Fluid und/oder Partikeln an der Beschichtung 22 und somit an der Stirnfläche 26.
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In 3 ist ein weiteres Beispiel eines Stirnbereiches eines Rotors 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zur Darstellung in 2 ist die Beschichtung 22 derart aufgebracht, dass die Beschichtung 22, der Magnet 12 sowie das Vergussmaterial 16 komplett innerhalb der Eintiefung 14 angeordnet sind. Mit anderen Worten wird kein zusätzlicher Platz außerhalb der Eintiefung 14 und somit außerhalb des Rotors 10 beansprucht, was zu verbesserten Einsatzmöglichkeiten, Stabilitätseigenschaften und besserer Haltbarkeit der Rotors 10 führen kann. Ein verbreiterter Bereich 38 eines Randes der Eintiefung 14 kann eine Dichtwirkung der Beschichtung 22 verbessern.
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes einer Oberfläche 24 der Beschichtung 22. Diese weist eine Vielzahl kegelförmiger Mikrostrukturen 28 auf. In einem Beispiel hat ein Werkzeug zur Herstellung einer solchen Oberfläche 24 eine Temperatur von 140 °C und eine Größe des dargestellten Oberflächenausschnittes in 4 hat eine Breite von etwa 100 µm. Durch die kegelförmige Ausprägung der Mikrostruktur und die beschriebene Dimensionierung können vorteilhafte superhydrophobe Eigenschaften erreicht werden.
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In 5 ist ein Beispiel eines Werkzeuges dargestellt, mit dem im Spritzgießverfahren eine in 4 dargestellte Oberflächenstruktur hergestellt werden kann. Hierzu erhitzt ein Diodenlaser 32 eine Oberfläche 34 des Werkzeugs 30. Dieses Erhitzen kann beispielsweise während einer Einspritzphase erfolgen, wodurch die gewünschten homogenen Oberflächeneigenschaften erzeugt werden können. Auf der Oberfläche 34 des Werkzeugs 30 sind im hier gezeigten Beispiel kegelförmige Vertiefungen 36 angeordnet, um die ebenfalls kegelförmigen Mikrostrukturen 28 (siehe 4) zu erzeugen. Der in 5 dargestellte Ausschnitt der Oberfläche 34 des Werkzeugs 30 hat eine Breite von 200 µm.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041585 A1 [0002]
