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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere zur Herstellung eines Bauteils für eine elektrische Maschine, und ein mittels des Verfahrens hergestelltes Bauteil.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
DE 10 2005 056 823 A1 beschrieben, ein Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Einrichtung einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine bekannt. Im Verfahren werden auf einem Magnetträger der magnetischen Einrichtung ein oder mehrere permanentmagnetische Bereiche durch Pulveraufbringung eines magnetischen Materials hergestellt.
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In der
US 7,839,040 B2 werden ein Permanentmagnetrotor eines Generators für eine Gasturbine, dessen Herstellung und eine Gasturbine beschrieben. Der Permanentmagnetrotor umfasst einen magnetischen zylindrischen Körper, auf dessen Außenumfangsfläche ein Permanentmagnet angeordnet ist. Ein nichtmagnetischer zylindrischer Körper wird auf den magnetischen zylindrischen Körper und den darauf angeordneten Permanentmagnet aufgeschrumpft, um den Permanentmagnet in seiner Position zu halten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Bauteil und ein verbessertes Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere zur Herstellung eines Bauteils für eine elektrische Maschine, wird erfindungsgemäß in ein Rohr ein sinterfähiges Material eingefüllt, welches mittels zweier Stempel, die in jeweils eine stirnseitige Öffnung des Rohrs eingeführt werden, verpresst wird und gesintert wird. Das sinterfähige Material ist beispielsweise pulverförmig und/oder körnig ausgebildet, zum Beispiel grobkörnig oder feinkörnig oder ein Gemisch daraus. Unter sinterfähigem Material wird ein sinterbares Material verstanden, d. h. ein Material, welches für das Sintern geeignet ist. Das Sintern des Materials erfolgt durch Wärmezufuhr, wobei jedoch die Schmelztemperatur des Materials oder zumindest einiger Materialbestandteile des Materials nicht erreicht wird. Diese Wärmezufuhr wird beispielsweise mittels eines Ofens durchgeführt, in welchem das Rohr mit dem darin verpressten sinterfähigen Material erwärmt wird. Durch das Sintern verbinden sich die Partikel des Materials stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander und vorteilhafterweise auch stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Rohr, genauer gesagt mit dessen Rohrwandungsinnenfläche. Die Pressung des Materials mittels der beiden Stempel kann während des Sinterns über einen Teilzeitraum des Sintervorgangs oder über den gesamten Sintervorgang hinweg aufrechterhalten werden oder die Stempel werden nach dem Verpressen und vor dem Sintern entfernt.
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Besonders bevorzugt wird auf diese Weise als Bauteil ein Rotor für die elektrische Maschine hergestellt, beispielsweise für einen Elektromotor oder für einen elektrischen Generator, insbesondere für einen Elektromotor, der für hohe Drehzahlen geeignet ist. Hierfür wird zweckmäßigerweise als sinterfähiges Material ein magnetisches und/oder magnetisierbares Material verwendet, so dass durch das Verpressen und Sintern dieses magnetischen und/oder magnetisierbaren sinterfähigen Materials ein Permanentmagnet im Rohr ausgebildet wird. Dabei wird das Verpressen und Sintern zweckmäßigerweise derart durchgeführt, dass das auf diese Weise aus dem sinterfähigen Material ausgebildete Element, bevorzugt der Permanentmagnet, zumindest in einem Teilbereich einer axialen Ausdehnung des Rohrs über einen gesamten Innenumfang an einer Rohrwandungsinnenfläche des Rohrs anliegt. Das Rohr dient dann gleichzeitig als Bandage für den Permanentmagnet.
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Insbesondere bei Elektromotoren, die für hohe Drehzahlen geeignet sind, werden bevorzugt Rotoren mit Permanentmagneten eingesetzt. Diese werden auf einer Außenumfangsfläche eines Magnetträgers angeordnet. Um ein Zerstören oder Abreißen des Permanentmagneten bei hohen Drehzahlen durch die auftretenden hohen Zentrifugalkräfte zu vermeiden, ist eine Bandage erforderlich. Im Stand der Technik wird hierzu eine metallische Bandage verwendet, welche auf den Permanentmagnet aufgeschrumpft wird. Hierzu wird der Permanentmagnet abgekühlt und die Bandage erwärmt und auf den abgekühlten Permanentmagnet aufgezogen. Durch Abkühlen der Bandage und Erwärmen des Permanentmagneten auf normale Umgebungstemperaturen schrumpft die Bandage dann auf den Permanentmagnet auf. Für diesen Schrumpfprozess sind hochgenaue Passungen für den Magnetaußendurchmesser und den Innendurchmesser der Bandage notwendig.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist diese aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehensweise nicht mehr erforderlich, denn der Permanentmagnet wird direkt in das Rohr, welches als Bandage dient, hineingesintert und ist somit passgenau in diesem Rohr gelagert. Dabei wird unter dem Begriff Rohr jeder längliche Hohlkörper verstanden, unabhängig von seiner Wandstärke. D. h. unter dem Begriff Rohr kann auch die aus dem Stand der Technik bekannte zum Aufschrumpfen genutzte Bandage verstanden werden. Durch diese Vorgehensweise wird auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine passgenaue Befestigung des Permanentmagneten im als Bandage dienenden Rohr und dadurch eine stabile Halterung und Sicherung des Permanentmagneten auch bei hohen Drehzahlen ermöglicht, so dass die Gefahr des Zerstörens, Abreißens oder Lösens des Permanentmagneten oder von Teilen des Permanentmagneten durch die bei hohen Drehzahlen auftretenden hohen Kräfte vermieden oder zumindest erheblich reduziert ist. Dadurch ist auch eine weitere Drehzahlsteigerung ermöglicht. Zudem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Anzahl notwendiger Passungen reduziert, da durch das Einsintern in das Rohr eine hochgenaue Passung zwischen Rohr und Permanentmagnet erzeugt wird.
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Besonders vorteilhaft dient das Rohr zudem zur Ausbildung von luftgelagerten Radiallagern für den Rotor. Hierfür werden Endbereiche des Rohrs derart in Lagerstellen angeordnet, dass Luftlager ausgebildet werden. Derartige Luftlager sind Lager, bei denen die beiden zueinander bewegten Lagerungspartner durch einen dünnen Luftfilm getrennt sind, so dass eine reibungsfreie Bewegung ermöglicht ist. Die Luftlager können als aerodynamische Lager, die das Luftpolster durch die Bewegung selbst aufbauen, oder als aerostatische Lager, bei denen Druckluft zum Aufbau des Druckpolsters eingeleitet wird, ausgebildet sein.
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Das mittels des Verfahrens als Rotor für eine elektrische Maschine ausgebildete Bauteil ist besonders vorteilhaft für eine elektrische Maschine geeignet, welche als elektrischer Antriebsmotor eines elektrisch angetriebenen Turboladers, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder für eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, ausgebildet ist. Ein derartiger elektrisch angetriebener Turbolader, auch als Kompressor bezeichnet, für eine Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenanordnung, ist eine der kostenintensivsten Komponenten eines Brennstoffzellensystems, so dass das erfindungsgemäße Verfahren durch die daraus resultierende Kostensenkung und Qualitätsverbesserung des elektrisch angetriebenen Turboladers besonders vorteilhaft ist. Ein Beispiel eines solchen elektrisch angetriebenen Turboladers ist in der
DE 10 2012 013 048 A1 der Anmelderin beschrieben, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch in einer Schnittdarstellung eine Herstellung eines Bauteils, und
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2 schematisch in einer Schnittdarstellung ein Bauteil.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils 1, insbesondere zur Herstellung eines Bauteils 1 für eine elektrische Maschine. In 2 ist das mittels des Verfahrens hergestellte Bauteil 1 in Lagerstellen 2 angeordnet dargestellt, ebenfalls in einer Schnittdarstellung.
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In dem Verfahren wird ein sinterfähiges Material 3, welches beispielsweise pulverförmig und/oder körnig ausgebildet ist, zum Beispiel grobkörnig oder feinkörnig oder ein Gemisch daraus, in ein Rohr 4 eingefüllt und mittels zweier Stempel 5, die in jeweils eine stirnseitige Öffnung des Rohrs 4 eingeführt werden, verpresst, d. h. zusammengepresst und dadurch verdichtet. 1 zeigt das Verpressen des bereits in das Rohr 4 eingefüllten sinterfähigen Materials 3 mittels der ebenfalls bereits in das Rohr 4 eingeführten Stempel 5. Um ein Entweichen des sinterfähigen Materials 3 während des Einfüllens zu vermeiden, kann beispielsweise einer der Stempel 5 bereits vor dem Einfüllen des sinterfähigen Materials 3 im Rohr 4 angeordnet sein und der andere Stempel 5 wird nach dem Einfüllen des sinterfähigen Materials 3 in das Rohr 4 eingeführt.
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Die Stempel 5 sind in der in 1 dargestellten vorteilhaften Ausführungsform zumindest abschnittsweise kegelstumpfförmig oder in anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen zumindest abschnittsweise kegelförmig ausgebildet, d. h. ein stirnseitiger Bereich des jeweiligen Stempels 5 ist derart ausgeformt. Ein maximaler Durchmesser einer Stempelfläche 6 des jeweiligen Stempels 5 korrespondiert zweckmäßigerweise mit einem Innendurchmesser des Rohrs 4, d. h. diese Durchmesser sind zweckmäßigerweise nahezu gleich groß, insbesondere ist der maximale Durchmesser der jeweiligen Stempelfläche 6 vorzugsweise nur derart gering kleiner als der Innendurchmesser des Rohrs 4, dass sich die Stempel 5 in das Rohr 4 einführen und darin in axialer Richtung bewegen lassen, dass jedoch das sinterfähige Material 3 nicht zwischen einer Rohrwandungsinnenfläche 7 und dem jeweiligen Stempel 5 am Stempel 5 vorbei entweicht, wie in 1 gezeigt. Im dargestellten Beispiel ist ein Randbereich der jeweiligen Stempelfläche 6 senkrecht zur Axialrichtung des Rohrs 4 und der Axialrichtung der Stempel 5 ausgerichtet, d. h. der kegelstumpfförmige Abschnitt der Stempelfläche 6, in anderen Ausführungsbeispielen der kegelförmige Abschnitt, geht in den senkrecht zur Axialrichtung ausgebildeten Randbereich der Stempelfläche 6 über. Der Durchmesser des jeweiligen Stempels 5 im übrigen Bereich, welcher sich an den stirnseitigen Bereich mit der Stempelfläche 6 anschließt, korrespondiert zweckmäßigerweise ebenfalls auf die oben beschriebene Weise mit dem Innendurchmesser des Rohrs 4 oder ist geringer als der Innendurchmesser des Rohrs 4. Dies gilt zumindest für den Bereich des jeweiligen Stempels 5, der zum Einführen in das Rohr 4 vorgesehen ist.
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Durch diese Ausbildung der Stempel 5, insbesondere durch die im Wesentlichen kegelstumpfförmige oder kegelförmige Ausbildung der Stempelfläche 6 des jeweiligen Stempels 5, wird die in 1 dargestellte seitliche Verdrängung des sinterfähigen Materials 3 während dessen Verpressens erreicht. D. h. das sinterfähige Material 3 wird zusammengepresst und dadurch verdichtet und insbesondere gegen die Rohrwandungsinnenfläche 7 gepresst und an diese angepresst. Dadurch wird aus diesem sinterfähigen Material 3 ein Grünling ausgebildet, der, wie in 1 gezeigt, zumindest in einem Teilbereich einer axialen Ausdehnung des Rohrs 4 über einen gesamten Innenumfang an der Rohrwandungsinnenfläche 7 des Rohrs 4 anliegt. Der Grünling wird im dargestellten Beispiel rotationssymmetrisch mit einer Durchgangsöffnung 8 in Axialrichtung des Rohrs 4 ausgebildet. Da diese Durchgangsöffnung 8 durch die beiden Stempel 5 ausgebildet wird, verengt sie sich, ausgehend von Stirnseiten des Grünlings, in axialer Richtung bis zu einem mittleren Bereich des Grünlings, wie in 1 gezeigt und wie ebenfalls in 2 an einem aus dem Grünling durch Sintern ausgebildeten Element 9 zu erkennen, welches die Form des Grünlings zumindest im Wesentlichen behält.
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Nachdem der Grünling durch das Verpressen ausgebildet ist, wird das sinterfähige Material 3 gesintert. Unter sinterfähigem Material 3 wird ein sinterbares Material verstanden, d. h. ein Material, welches für das Sintern geeignet ist. Das Sintern des sinterfähigen Materials 3 erfolgt durch Wärmezufuhr, wobei jedoch die Schmelztemperatur des sinterfähigen Materials 3 oder zumindest einiger Materialbestandteile des sinterfähigen Materials 3 nicht erreicht wird. Diese Wärmezufuhr wird beispielsweise mittels eines Ofens durchgeführt, in welchem das Rohr 4 mit dem darin verpressten sinterfähigen Material 3 erwärmt wird. Durch das Sintern verbinden sich die Partikel des sinterfähigen Materials 3 stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander und vorteilhafterweise auch stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Rohr 4, genauer gesagt mit dessen Rohrwandungsinnenfläche 7.
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Die Pressung des sinterfähigen Materials 3 mittels der beiden Stempel 5 kann während des Sinterns über einen Teilzeitraum des Sintervorgangs oder über den gesamten Sintervorgang hinweg aufrechterhalten werden oder einer der Stempel 5 oder beide Stempel 5 wird/werden nach dem Verpressen und vor dem Sintern entfernt. Das Entfernen der Stempel 5 oder zumindest eines der Stempel 5 ist beispielsweise möglich und vorteilhaft, wenn der Grünling aus dem sinterfähigen Material 3 nach dem Verpressen ausreichend formstabil ist, so dass die Stempel 5 während des Sinterns nicht erforderlich sind oder zumindest nicht beide Stempel 5 erforderlich sind. Beispielsweise wird das Rohr 4 mit dem darin verpressten sinterfähigen Material 3 in der in 1 dargestellten Ausrichtung zum Sintern im Ofen oder in einer anderen geeigneten Wärmezuführungseinrichtung positioniert, d. h. das Rohr 4 ist vertikal ausgerichtet. Dann kann beispielsweise zumindest der obere Stempel 5 nach dem Verpressen entfernt werden. Durch das Entfernen eines Stempels 5 oder beider Stempel 5 nach dem Verpressen wird beispielsweise die Wärmezufuhr zum sinterfähigen Material 3 verbessert und somit das Sintern beschleunigt.
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Nach dem Sintern umfasst das Bauteil 1, wie in 2 gezeigt, somit das Rohr 4 und das in das Rohr 4 hineingesinterte Element 9, welches sich durch das Sintern aus dem Grünling ausgebildet hat und welches vorteilhafterweise stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Rohrwandungsinnenfläche 7 verbunden ist und passgenau im Rohr 4 angeordnet ist. Dieses in das Rohr 4 hineingesinterte Element 9 liegt zumindest in einem Teilbereich der axialen Ausdehnung des Rohrs 4 über den gesamten Innenumfang an der Rohrwandungsinnenfläche 7 des Rohrs 4 an und ist vorteilhafterweise stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Rohr 4 verbunden, genauer gesagt mit dessen Rohrwandungsinnenfläche 7, wie bereits erwähnt.
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Besonders bevorzugt wird auf diese Weise als Bauteil 1 ein Rotor für die elektrische Maschine hergestellt, beispielsweise für einen Elektromotor oder für einen elektrischen Generator, insbesondere für einen Elektromotor, der für hohe Drehzahlen geeignet ist. Hierfür wird zweckmäßigerweise als sinterfähiges Material 3 ein magnetisches und/oder magnetisierbares Material verwendet, so dass durch das Verpressen und Sintern dieses magnetischen und/oder magnetisierbaren sinterfähigen Materials 3 ein Permanentmagnet im Rohr 4 ausgebildet wird, d. h. das Element 9 im Rohr 4 ist dann als ein Permanentmagnet ausgebildet. Das Rohr 4 dient dann gleichzeitig als Bandage für den Permanentmagneten. Dadurch ist das aus dem Stand der Technik bekannte Aufschrumpfen einer Bandage auf den Permanentmagneten nicht erforderlich, denn durch das Einsintern des Permanentmagneten in das Rohr 4 bildet sich eine hochgenaue Passung aus, das Rohr 4 bildet eine stabile Bandage und der Permanentmagnet ist mit dem Rohr 4 stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden.
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Besonders vorteilhaft dient das Rohr 4 zudem zur Ausbildung von luftgelagerten Radiallagern 10 für den Rotor, wie in 2 gezeigt. Hierfür werden Endbereiche des Rohrs 4 derart in den Lagerstellen 2 angeordnet, dass Luftlager ausgebildet werden. Derartige Luftlager sind Lager, bei denen die beiden zueinander bewegten Lagerungspartner durch einen dünnen Luftfilm getrennt sind, so dass eine reibungsfreie Bewegung ermöglicht ist. Die Luftlager können als aerodynamische Lager, die das Luftpolster durch die Bewegung selbst aufbauen, oder als aerostatische Lager, bei denen Druckluft zum Aufbau des Druckpolsters eingeleitet wird, ausgebildet sein.
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Das mittels des Verfahrens als Rotor für eine elektrische Maschine ausgebildete Bauteil
1 ist besonders vorteilhaft für eine elektrische Maschine geeignet, welche als elektrischer Antriebsmotor eines elektrisch angetriebenen Turboladers, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder für eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, ausgebildet ist. Ein derartiger elektrisch angetriebener Turbolader, auch als Kompressor bezeichnet, für eine Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenanordnung ist eine der kostenintensivsten Komponenten eines Brennstoffzellensystems, so dass das Verfahren durch die daraus resultierende Kostensenkung und Qualitätsverbesserung des elektrisch angetriebenen Turboladers besonders vorteilhaft ist. Ein Beispiel eines solchen elektrisch angetriebenen Turboladers ist in der
DE 10 2012 013 048 A1 der Anmelderin beschrieben, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056823 A1 [0002]
- US 7839040 B2 [0003]
- DE 102012013048 A1 [0012, 0027]
