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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine permanentmagneterregte elektrische Maschine, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Mehrzahl von Permanentmagneten, Beschichten der Permanentmagnete mit einer Beschichtung, die in eine Matrix eingebettete, thermisch expandierbare Mikrosphären enthält, wobei eine Erweichungstemperatur der Matrix unterhalb der Reaktionstemperatur der Mikrosphären liegt, Bereitstellen eines Rotorgrundkörpers mit übermaßigen Ausnehmungen zur Aufnahme der beschichteten Permanentmagnete, Einsetzen der beschichteten Permanentmagnete in die Ausnehmungen des Rotorgrundkörpers, temporäres Erhitzen des Rotorgrundkörpers samt der eingesetzten, beschichteten Permanentmagnete auf eine Prozesstemperatur oberhalb der Reaktionstemperatur der thermisch expandierbaren Mikrosphären.
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Permanentmagneterregte elektrische Maschinen zeichnen sich durch einen elektrische Wicklungen tragenden Stator und einen relativ zu diesem drehbar gelagerten Rotor aus, welcher eine Mehrzahl von Permanentmagneten trägt, mit deren Magnetfeld die Wicklungen des Stators bei Betrieb der elektrischen Maschine wechselwirken. Problematisch bei der Herstellung ist die Fixierung der Permanentmagnete an dem auch als Blechpaket oder Blechstapel bezeichneten Grundkörper des Rotors. Insbesondere muss die Fixierung, die typischerweise in röhrenartigen Taschen des Grundkörpers erfolgt, tangential und radial sehr präzise erfolgen, um Unwuchten des Rotors, die insbesondere bei Hochdrehzahl-Maschinen schädlich sind, zu vermeiden. Andererseits ist eine wirtschaftliche Herstellung der Blechpakete sowie der Permanentmagnete nicht ohne relativ große Fertigungstoleranzen möglich. Um innerhalb der Fixierungstaschen des Rotors eine präzise zentrierte Ausrichtung der Magnete zu erreichen, schlägt die genannte Druckschrift vor, die Permanentmagnete mit einer Beschichtung zu versehen, die aus einer thermisch erweichbaren Kunststoffmatrix besteht, in welche thermisch expandierbare Mikrosphären eingebettet sind. Die Erweichungstemperatur der Matrix liegt dabei unterhalb der Reaktionstemperatur der thermisch expandierbaren Mikrosphären. Unter thermisch expandierbaren Mikrosphären versteht der Fachmann spezielle Kunststoffpartikel mit einem Radius von ca. einem bis fünfzig Mikrometer, die unter Temperatureinfluss, insbesondere unter Einwirkung einer Temperatur oberhalb der sogenannten Reaktionstemperatur der Mikrosphären, deutlich und irreversibel an Volumen zunehmen. Wird ein mit derart beschichteten Permanentmagneten bestückter Rotor auf eine Prozesstemperatur oberhalb der Reaktionstemperatur der thermisch expandierbaren Mikrosphären aufgeheizt, erweicht zunächst die Kunststoffmatrix. Sodann expandieren die Mikrosphären, wobei die erweichte Matrix dieser Expansion nur wenig Widerstand entgegensetzt. Im Ergebnis nimmt die Gesamtbeschichtungsdicke der Permanentmagnete gleichmäßig zu und füllt die Zwischenräume zwischen den Permanentmagneten und der sie umgebenden Taschenwandung gleichmäßig aus. Es kommt zu einer Selbstzentrierung der Permanentmagnete in den Fixierungstaschen, die aufgrund der Irreversibilität der Expansion der Mikrosphären auch nach dem Erkalten anhält. Auf diese Weise kann trotz großer Fertigungstoleranzen von Permanentmagneten und Rotor-Grundkörper eine exakte Positionierung der Permanentmagnete erreicht werden. Als Matrixmaterial schlägt die genannte Druckschrift thermoplastische Polymere, Elastomere, wärmeaushärtende Duroplasten oder kaltaushärtende Polymerharze vor.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das gattungsgemäße Herstellungsverfahren durch eine optimierte Applikation der Beschichtung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 8 dadurch gelöst, dass der Schritt des Beschichtens die folgenden Teilschritte umfasst:
- – Pulverbeschichten der Permanentmagnete mit einer Schicht eines Pulverlacks mit Basispartikeln, enthaltend Bindemittel und Additive sowie optional Farbmittel und/oder Füllstoffe, und Veredlungspartikel, die als thermisch expandierbare Mikrosphären ausgebildet sind, wobei die Reaktionstemperatur der thermisch expandierbaren Mikrosphären oberhalb der Glasübergangstemperatur des Bindemittels liegt,
- – Erhitzen der pulverbeschichteten Permanentmagnete auf eine Beschichtungstemperatur, die oberhalb der Glasübergangstemperatur des Bindemittels und unterhalb der Reaktionstemperatur der thermisch expandierbaren Mikrosphären liegt.
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Derartige Pulverlacke sind selbstständiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Insbesondere dient der Lösung der vorgenannten Aufgabe ein Bonding-veredelter Pulverlack gemäß Anspruch 1 mit
- – Basispartikeln, enthaltend Bindemittel und Additive sowie optional Farbmittel und/oder Füllstoffe und
- – Veredlungspartikeln, die dauerhaft mit den Basispartikeln verbunden sind, wobei die Veredlungspartikel thermisch expandierbare Mikrosphären sind.
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Alternativ hierzu kann zur Lösung der vorgenannten Aufgabe auch ein Dry-Blend-veredelter Pulverlack gemäß Anspruch 2 dienen mit
- – Basispartikeln, enthaltend Bindemittel und Additive sowie optional Farbmittel und/oder Füllstoffe und
- – Veredlungspartikel, die unverbunden mit den Basispartikeln gemischt sind, wobei all die Veredlungspartikel thermisch expandierbare Mikrosphären sind.
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Auch die Verwendung derartiger Pulverlacke zur Beschichtung von Permanentmagneten für den Einsatz in Rotoren von permanentmagneterregten elektrischen Maschinen gemäß Anspruch 7 ist ein selbstständiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Kern der Erfindung ist die optimierte Applikation eines Mikrosphären/Matrix-Systems, welches die bekannte, oben erläuterte Selbstzentrierung der Permanentmagnete im Rahmen des grundsätzlich bekannten Herstellungsverfahrens für E-Maschinen-Rotoren erlaubt. Hierbei wird auf die grundsätzlich bekannte Methode der Pulverlackierung zurückgegriffen. Zunächst werden hierzu die Permanentmagnete trocken pulverbeschichtet. Dies erfolgt mit einem Pulverlack-System, welches durch die thermisch expandierbaren Mikrosphären als Veredlungspartikel veredelt ist.
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Pulverlack-Systeme sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Sie enthalten stets Basispartikel, die im Wesentlichen aus Bindemitteln und Additiven, denen Farbmittel und Füllstoffe zugesetzt sein können, bestehen. Als Bindemittel kommen insbesondere Epoxidharze, Carboxyl- und Hydroxylgruppen-haltige Polyester, OH- und GMA-Acrylatharze sowie modifizierte Harze für spezielle Einsatzgebiete in Frage. Als Additive werden Hilfsmittel bezeichnet, die wichtige Parameter, wie zum Beispiel die Oberflächenbeschaffenheit, auch Verlauf genannt, oder Struktur, Glanz, Oberflächenhärte und Verarbeitungsbedingungen beeinflussen. Als Verlaufsmittel werden häufig Polyacrylate eingesetzt. Ebenso finden Wachse häufig Anwendung als Additive in Pulverlack-Systemen. Als Farbmittel können Pigmente und Farbstoffe Einsatz finden. Füllstoffe schließlich dienen der Erhöhung des Volumens und zur Einstellung der Packungsdichte innerhalb einer Lackschicht, da gegebenenfalls verwendete Pigmentteilchen meist kleiner sind als die Füllstoffteilchen. Besonders häufig finden Calciumcarbonate, aber auch Talkum oder Bariumsulfat Einsatz als Füllstoff. Nach Mischung der oder einiger der vorgenannten Komponenten wird die Mischung unter Wärmeeinwirkung extrudiert, abgekühlt und zu Pulver vermahlen. Die Teilchen dieses Pulvers werden hier als Basispartikel bezeichnet.
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Anschließend werden Veredlungspartikel beigemischt. Es handelt sich dabei um das Lacksystem wesentlich beeinflussende Bestandteile, die während des Extrusionsprozesses zerstört würden und daher nachträglich zugefügt werden müssen. Im vorliegenden Fall sind dies die thermisch expandierbaren Mikrosphären. Bei der speziellen Zusammenstellung eines erfindungsgemäßen Pulverlack-Systems ist das Verhältnis der charakteristischen Temperaturen der einzelnen Bestandteile von besonderer Bedeutung. So muss insbesondere die Glasübergangstemperatur des Bindemittels unterhalb der Reaktionstemperatur der thermisch expandierbaren Mikrosphären liegen. Hierzu eignet sich insbesondere ein Epoxid-basiertes Lacksystem, das heißt ein Pulverlack, bei dem das Bindemittel ein Epoxidharz ist. Es sind Epoxidharze bekannt mit Glasübergangstemperaturen zwischen 60 und 100° Celsius, die sich für die vorliegende Anwendung als besonders günstig erwiesen haben. Auf dem Markt sind nämlich thermisch expandierbare Mikrosphären erhältlich, deren Reaktionstemperatur zwischen 115 und 145° Celsius liegt. Dies ist geringfügig aber prozesstechnisch doch deutlich unterscheidbar höher als die Glasübergangstemperatur des Bindemittels.
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Zur praktischen Durchführung der Veredelung sind grundsätzlich zwei Verfahrensvarianten bekannt, die beide im vorliegenden Fall Anwendung finden können. Beim sogenannten Dry-Blend-Verfahren werden die Veredlungspartikel im trockenen Zustand einfach mit den Basispartikeln gemischt. Dies ist besonders kostengünstig, kann jedoch, insbesondere bei längeren Lagerzeiten, aufgrund der unterschiedlichen Dichten der Mikrosphären und der Basispartikel zu einer Entmischung führen. Das lässt sich mit dem sogenannten Bonding-Verfahren vermeiden. Beim Bonding-Verfahren wird die Basispartikel Mikrosphären-Trockenmischung bis über die Glasübergangstemperatur der Basispartikel – jedoch unterhalb der Reaktionstemperatur der Mikrosphären – aufgeheizt und gleichzeitig mechanisch durchmischt. Hierdurch schmelzen die Basispartikel lokal auf, so dass Mikrosphären an den geschmolzenen Stellen der Basispartikel fixiert werden. Die Temperaturführung muss dabei so gestaltet sein, dass es nicht zu einer Verklebung der Basispartikel untereinander kommt. Das Auffinden einer geeigneten Temperaturführung unter Berücksichtigung der Erfordernisse des Einzelfalls ist dem Fachmann für andere Veredlungspartikel, beispielsweise Effektpigmente, durchaus geläufig, wobei die selben grundlegenden verfahrenstechnischen Regeln auch im Fall der vorliegenden Erfindung Anwendung finden können.
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Zum Pulverbeschichten der Permanentmagnete werden diese mit dem veredelten Pulverlack, der zuvor elektrostatisch aufgeladen wurde, besprüht. Auf Grund der elektrostatischen Aufladung erfolgt eine gleichmäßige Pulverbeschichtung, die bis zum Abbau der elektrostatischen Ladung auch stabil an den Permanentmagneten haftet. In diesem Zustand werden die pulverbeschichteten Permanentmagnete bis zu einer hier als Beschichtungstemperatur genannten Temperatur erhitzt. Diese liegt zwischen der Glasübergangstemperatur des Bindemittels und der Reaktionstemperatur der Mikrosphären. Im Gegensatz zum Veredelungsprozess ist nun eine Verschmelzung der einzelnen Lackpartikel miteinander ausdrücklich erwünscht. Es entsteht eine durchgehende Lackmatrix, in welcher die noch nicht expandierten Mikrosphären eingebettet sind. Derart beschichtete Permanentmagnete sind dauerhaft lagerbar und leicht transportierbar. Im abgekühlten Zustand weisen sie eine trockene, nicht klebrige Oberfläche auf.
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Die beschichteten Permanentmagnete werden alsdann in die Fixierungstaschen des Rotor-Grundkörpers eingesetzt, wobei recht hohe Fertigungstoleranzen möglich sind. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird der gesamte Rotor einschließlich der beschichteten Permanentmagnete auf eine Prozesstemperatur oberhalb der Reaktionstemperatur der Mikrosphären und daher auch oberhalb der Glasübergangstemperatur des Bindemittels, d.h. hier der Erweichungstemperatur der Matrix, erhitzt. Besonders bevorzugt liegt die Prozesstemperatur zwischen 160 und 200° Celsius. Durch das erneute Erhitzen erweicht die Matrix in der eingangs beschriebenen Weise, sodass die anschließende Expansion der Mikrosphären zu einer gleichmäßigen Vergrößerung des Lackschichtvolumens führt, was wiederum eine Ausfüllung der Zwischenräume zwischen Permanentmagneten und Taschenwänden und damit eine Selbstzentrierung der Permanentmagnete zur Folge hat.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter besonderer Berücksichtigung eines erfindungsgemäßen, Bonding-veredelten Pulverlacks.
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für einen Rotor einer elektrischen Maschine in fünf stark schematisierten Teilschritten.
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In Teilschritt a werden Permanentmagnete 10 bereitgestellt. In Teilschritt b werden die bereitgestellten Permanentmagnete 10 mittels einer Pulverbeschichtungsanlage 12 mit einem trockenen Pulverlack 14 besprüht, sodass sich eine gleichmäßige Pulverbeschichtung 16 auf der Oberfläche der Permanentmagnete 10 niederschlägt. In Teilschritt c werden die pulverbeschichteten Permanentmagnete 10 einer Beschichtungstemperatur TB unterworfen, so dass sich die Pulverbeschichtung 16 in eine Festbeschichtung 18 umwandelt, die aus einer Matrix besteht, in welche thermisch expandierbare Mikrosphären eingebettet sind. Bezüglich weiterer Details wird auf die nachfolgend beschriebene 2 verwiesen. In einem weiteren Teilschritt d werden die nunmehr festbeschichteten Permanentmagnete 10 in die Fixierungstaschen 20 eines Blechstapels 22, der als Grundkörper des herzustellenden E-Maschinen-Rotors dient, eingesetzt. In Teilschritt e wird der Blechstapel 22 samt den eingesetzten Permanentmagneten 10 auf die Prozesstemperatur TP erhitzt, sodass sich die Festbeschichtung 18 in eine expandierte Füllschicht 24 umwandelt. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf die nachfolgend beschrieben 2 verwiesen.
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2 zeigt in ebenfalls stark schematisierter Weise, das erfindungsgemäße Verfahren unter besonderer Berücksichtigung eines erfindungsgemäßen Bonding-veredelten Pulverlacks. Hierzu werden zunächst Basispartikel 141 sowie thermisch expandierbare Mikrosphären 142, die hier als Veredlungspartikel dienen, getrennt zur Verfügung gestellt. Die Basispartikel sind im Grunde herkömmliche, vorzugsweise auf Epoxid-Basis aufgebaute Pulverlackpartikel, bestehend aus Bindemittel, Additiven und gegebenenfalls Farbmitteln und Füllstoffen. Die beiden Partikelsorten 141, 142 werden anschließend gemischt und einem Bonding-Prozess unterworfen. Dabei wird das Gemisch auf eine Bonding-Temperatur TBond erhitzt und dabei mechanisch durchmischt. Die Bonding-Temperatur TBond ist dabei so gewählt, dass die Reaktionstemperatur der Mikrosphären 142 keinesfalls überschritten wird. Andererseits muss die Glasübergangstemperatur des Bindemittels der Basispartikel 141 lokal überschritten werden. Günstigerweise wird die Temperatur genau so eingestellt, dass die Glasübergangstemperatur des Bindemittels nur dort überschritten wird, wo zusätzlich zu der Prozesswärme lokale Reibungsenergie zwischen den Basispartikeln 141 zu einer lokalen Temperaturerhöhung und einem lokalen Aufschmelzen führt. An diesen lokalen Aufschmelzstellen haften die Mikrosphären 142 an, sodass der veredelte Pulverlack 14 entsteht.
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Mit dem veredelten Pulverlack 14 werden alsdann die Permanentmagnete 10 besprüht, wobei die Anhaftung durch elektrostatische Aufladung der Partikel des veredelten Pulverlacks 14 erfolgt. Die derart pulverbeschichteten Permanentmagnete 10 werden alsdann der Beschichtungstemperatur TB unterworfen, sodass sich eine trockene Festbeschichtung 18 aus einer Matrix 181, in die die Mikrosphären 142 eingebettet sind, ergibt. In diesem Zustand sind die festbeschichteten Permanentmagnete 10 dauerhaft lagerbar und leicht transportierbar.
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Nach einem in 2 nicht dargestellten Einsetzen der Permanentmagnete 10 in die Fixierungstaschen des Rotor-Grundkörpers wird dieser der Prozesstemperatur TP unterworfen, bei der die Matrix 181 aufschmilzt und die Mikrosphären 142 expandieren, sodass sich die expandierte Füllschicht 24 ergibt.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. So wird der Fachmann erkennen, dass die Herstellung des veredelten Pulverlacks 14 nicht zwingend mittels Bondings zu erfolgen hat. Die Veredelung kann stattdessen auch im Rahmen eines Dry-Blend-Verfahrens erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Permanentmagnet
- 12
- Pulverbeschichtungsanlage
- 14
- Pulverlack
- 141
- Basispartikel von 14
- 142
- Veredlungspartikel von 14 Mikrosphären
- 16
- Pulverbeschichtung
- 18
- Festbeschichtung
- 181
- Matrix
- 20
- Fixierungstasche
- 22
- Blechstapel
- 24
- expandierte Füllschicht
- TB
- Beschichtungstemperatur
- TP
- Prozesstemperatur
- TBond
- Bondingtemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011119512 A1 [0002]
