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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Lunkeranteils in einer Elektromotorkomponente.
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Lunkereinschlüsse in Elektromotorkomponenten können beispielsweise als Gaseinschlüsse oder Schwindungsporositäten ausgebildet sein und stellen in der Regel unerwünschte Begleiterscheinungen bei der Herstellung, beispielsweise im Rahmen eines Gussverfahrens, von Elektromotorkomponenten dar. Je nach Einsatzgebiet der Elektromotorkomponenten, welche im Folgenden auch vereinfacht als „Komponenten” bezeichnet werden, können beispielswiese an solchen Komponentenstellen, an welchen Lunkereinschlüsse vorliegen, bei einer etwaigen Komponentenerwärmung Temperaturspitzenwerte auftreten. Des Weiteren stellen Lunkereinschlüsse in der Regel mechanische Schwachpunkte dar, durch welche in unerwünschter Weise eine Versagenswahrscheinlichkeit von mechanisch beanspruchten Elektromotorkomponenten erhöht werden kann. Daher stellt ein Lunkervolumen bzw. ein Lunkeranteil ein wichtiges Qualitätsmerkmal für Elektromotorkomponenten dar.
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Aus der
DE 10 2008 002 450 A1 ist ein Verfahren für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall bekannt. Hierbei werden gerichtete Ultraschallpulse in den Prüfling eingebracht und aus den Ultraschallpulsen resultierende Echosignale detektiert. Um Fehler, wie beispielsweise Lunkereinschlüsse in dem Prüfling zu detektieren, kann eine Einschallposition der Ultraschallpulse an dem Prüfling variieren und eine daraus resultierende Änderung der Echosignale erfasst und ausgewertet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitszustellen, welches eine besonders aufwandsarme Bestimmung eines Lunkeranteils in einer Elektromotorkomponente ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine besonders aufwandsarme Bestimmung eines Lunkeranteils in einer Elektromotorkomponente zu ermöglichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Lunkeranteil bestimmt wird, in dem eine Dichte der Elektromotorkomponente mit einer theoretischen Dichte der Elektromotorkomponente verglichen wird. Die Dichte der Elektromotorkomponente kann dabei durch Heranziehen einer beispielsweise durch Messen ermittelten Masse der Elektromotorkomponente bestimmt werden. Damit kann die Dichte eine auf Messwerten basierende, reale physikalische Größe darstellen. Die theoretische Dichte hingegen kann der Dichte entsprechen, welche die Elektromotorkomponente ohne jegliche Lunker aufweisen kann. Mit anderen Worten kann bei der theoretischen Dichte von einem Lunker-freien und beispielsweise homogen ausgebildeten Werkstoffgefüge der Elektromotorkomponente ausgegangen werden. Der Lunkeranteil kann dann beispielsweise dadurch bestimmt werden, indem beispielsweise ein Quotient aus der durch Messwerte ermittelten Dichte und der theoretischen Dichte gebildet wird. Je kleiner der Wert dieses Quotienten ist, desto größer ist der Lunkeranteil und desto wahrscheinlicher ist, dass die Elektromotorkomponente beispielsweise eine erhöhte Versagenswahrscheinlichkeit bei deren bestimmungsgemäßen Gebrauch aufweist und/oder andere, vorgegebene Qualitätskriterien nicht erfüllt. Der Vergleich der Dichte mit der theoretischen Dichte der Elektromotorkomponente ermöglicht somit eine besonders aussagekräftige, aufwandsarme Bestimmung des Lunkeranteils, wobei in vorteilhafter Weise zusätzlich auf eine etwaige Zerstörung der Elektromotorkomponente zur Bestimmung des Lunkeranteils verzichtet werden kann. Mit anderen Worten ermöglicht das Vergleichen der Dichte mit der theoretischen Dichte eine zerstörungsfreie Bestimmung des Lunkeranteils. Die theoretische Dichte kann insbesondere aus einer theoretischen Masse – unter Annahme eines lunkerfreien Werkstoffgefüges der Komponente – und einem theoretischen Volumen bestimmt werden. Hierzu kann ein Quotient aus der theoretischen Masse und dem theoretischen Volumen gebildet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Dichte bestimmt, indem
- a) eine erste Masse der Elektromotorkomponente gemessen wird, während die Elektromotorkomponente von Umgebungsluft umgeben ist;
- b) die Elektromotorkomponente mit einem von der Umgebungsluft verschiedenen Fluid umgeben wird;
- c) eine zweite Masse der Elektromotorkomponente gemessen wird, während die Elektromotorkomponente von dem Fluid umgeben ist;
- d) ein Volumen der Elektromotorkomponente durch Heranziehen eines Differenzbetrags zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse ermittelt wird, und
- e) die Dichte der Elektromotorkomponente durch Heranziehen des Volumens ermittelt wird.
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Dies ist von Vorteil, da eine derartige Bestimmung der Dichte mit besonders einfachen Messmethoden erfolgen kann. So kann beispielsweise im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf teure Messinstrumente, wie beispielsweise Ultraschallsysteme verzichtet werden. Im Hinblick auf die genannten Verfahrensschritte a) bis e) ist klar, dass die Schritte b) und c) auch vor Schritt a) durchgeführt werden können. Dementsprechend kann die Elektromotorkomponente auch zunächst gemäß Schritt b) in das beispielsweise als Wasser ausgebildete Fluid eingetaucht werden und gemäß Schritt c) in dessen eingetauchten (und untergetauchten) Zustand zuerst die zweite Masse der Elektromotorkomponente bestimmt werden. Im Anschluss daran kann gemäß Schritt a) – nach vorangehendem Trocknen der Elektromotorkomponente – ein Messen der ersten Masse der Elektromotorkomponente unter Umgebungsluft erfolgen. Während die Elektromotorkomponente von dem Fluid (z. B. Wasser) umgeben und dabei vollständig in das Fluid eingetaucht ist, kann eine Messung der zweiten Masse in vorteilhafter Weise durch eine Federwaage erfolgen. Eine derartige Federwaage ermöglicht ein Halten der Elektromotorkomponente in deren in dem Fluid eingetauchten Zustand, so dass ein Auftrieb der Elektromotorkomponente in dem Fluid besonders genau in die Bestimmung der zweiten Masse einfließen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in Schritt d) das Volumen durch Heranziehen einer Fluiddichte des Fluids ermittelt. Das Bestimmen des Volumens der Elektromotorkomponenten gemäß Schritt d) kann vorteilhafterweise durch Bilden eines Quotienten aus dem Differenzbetrag (zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse) und einer Fluiddichte des Fluids erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in Schritt e) die Dichte durch Heranziehen der ersten Masse ermittelt. Dies ist von Vorteil, da die Dichte somit anhand eines ohnehin bereits ermittelten Wertes bestimmt werden kann, wodurch ein besonders geringer Aufwand zum Bestimmen des Lunkeranteils besteht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 ein für die Erfindung beispielhaftes Ablaufdiagramm, welches einzelne Verfahrensschritte zum Bestimmen eines Lunkeranteils in einer Elektromotorkomponente zeigt;
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2 eine Perspektivansicht auf eine Federwaage, wobei die Elektromotorkomponente unter Vermittlung eines Unterflurhakens in einem Fluid gehalten und dabei die Masse der Elektromotorkomponente in dem Fluid unter Berücksichtigung eines Auftriebes der Elektromotorkomponente ermittelt wird;
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3 eine Perspektivansicht auf ein Schliffbild, welches jeweilige Lunker in Form von Gaseinschlüssen und Schwindungsporositäten an der Elektromotorkomponente zeigt; und
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4a–4c jeweilige Perspektivansichten verschiedener Elektrokomponenten.
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1 zeigt einzelne Verfahrensschritte a) bis e) eines Verfahrens zum Bestimmen eines Lunkeranteils in einer Elektromotorkomponente 10, welche beispielhaft in den 2, 3 und 4a–c gezeigt ist. Die Elektromotorkomponente kann beispielsweise als Rotor eines Elektromotors ausgestaltet sein. Bei dem Verfahren wird der Lunkeranteil V% bestimmt, in dem eine Dichte ρg,Rotor der Elektromotorkomponente 10 mit einer theoretischen Dichte ρi,Rotor der Elektromotorkomponente 10 verglichen wird.
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Die Dichte wird bestimmt wird, indem in einem Schritt a) zunächst eine erste Masse mRotor,Luft der Elektromotorkomponente 10 gemessen wird, während die Elektromotorkomponente 10 von Umgebungsluft umgeben ist. Mit anderen Worten erfolgt in Schritt a) eine Bestimmung der ersten Masse der Elektromotorkomponente 10 in dem Medium Luft.
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Anschließend wird ein Schritt b) durchgeführt, wobei die Elektromotorkomponente 10 – wie in 2 gezeigt ist – mit einem von der Umgebungsluft verschiedenen Fluid 12 umgeben wird. Bei dem Fluid 12 kann es sich beispielsweise um Wasser oder um ein Öl handeln. Als Öl kann beispielsweise Pentosin verwendet werden.
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Im Anschluss an Schritt b) wird ein Schritt c) durchgeführt, bei welchem eine zweite Masse mRotor,Fluid der Elektromotorkomponente 10 gemessen wird, während die Elektromotorkomponente 10 von dem Fluid 12 umgeben ist.
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In einem daran anschließenden Schritt d) wird ein Volumen VRotor der Elektromotorkomponente 10 durch Heranziehen eines Differenzbetrags Δm zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse ermittelt, und die Dichte der Elektromotorkomponente 10 durch Heranziehen des Volumens der Elektromotorkomponente 10 ermittelt. In Schritt d) wird das Volumen der Elektromotorkomponente 10 durch Heranziehen einer Fluiddichte ρFluid des Fluids 12 ermittelt, indem ein Quotient aus dem Differenzbetrag (der beiden Massen) und der Fluiddichte gebildet wird.
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In einem anschließenden Schritt e) wird die Dichte der Elektromotorkomponente 10 durch Heranziehen des Volumens der Elektromotorkomponente 10 ermittelt.
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In Schritt e) wird die Dichte der Elektromotorkomponente 10 durch Heranziehen der ersten Masse ermittelt.
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Die Dichte der Elektromotorkomponente
10 ergibt sich dabei aus einem Quotienten aus der ersten Masse und dem (realen) Volumen der Elektromotorkomponente
10 und damit zu:
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2 zeigt eine Perspektivansicht auf eine Waage 20, welche vorliegend als Federwaage ausgebildet ist. Um den Verfahrensschritt c) durchzuführen, wird vorliegend ein Behälter 16 verwendet, welcher mit dem Fluid 12, also vorliegend mit Wasser, befüllt ist. Mittels eines Unterflurhakens 14 wird die Elektromotorkomponente 10 an der Waage 20 zum Bestimmen der zweiten Masse mRotor,Fluid gehalten, wobei darauf geachtet wird, dass die Elektromotorkomponente 10 vollständig von dem Fluid 12 umgeben und dementsprechend untergetaucht wird. Durch vollständiges Untertauchen (Eintauchen) kann ein Auftrieb der Elektromotorkomponente 10 in dem Fluid 12 besonders genau in die Bestimmung der zweiten Masse mRotor,Fluid einfließen. Um Messfehler zu vermeiden, sollte einerseits darauf geachtet werden, dass die Elektromotorkomponente 10 den Behälter 16 beim Eintauchen in das Fluid 12 nicht berührt. Des Weiteren sollte die Waage 20 „tariert” werden, wobei der Unterflurhaken 14 bei dem „Tarieren” also bei einem sogenannten „Nullen” der Waage 20 berücksichtigt werden sollte.
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3 zeigt ein Schliffbild der Elektromotorkomponente 10 mit verschiedenen Arten von Lunkern 50, 52 und dabei einen Gaseinschluss 50 und eine Schwindungsporosität 52. Derartige Lunker 50, 52 können während eines Gussverfahrens zur Herstellung (Gießen) der Elektromotorkomponente 10 in Folge unterschiedlichen Abkühlverhalten an verschiedenen Bauteilbereichen sowie in Folge von Turbulenzen bei einem Einbringen eines Gussmaterials (z. B. flüssiges Aluminium) in eine entsprechende Gussform entstehen.
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4a bis 4c zeigen jeweils verschiedene Einzelteile eines hier nicht weiter gezeigten Elektromotors. 4a zeigt hierbei beispielhaft eine als Kurzschlusskäfig ausgebildete Elektromotorkomponente 10. Der Kurzschlusskäfig ist dabei vorliegend aus Aluminium (AL 99,7) gebildet und als Gussbauteil ausgestaltet. Der Kurzschlusskäfig ist des Weiteren im Druckgussverfahren hergestellt. Alternativ zu der Herstellung aus Aluminium könnte der Kurzschlusskäfig auch beispielsweise aus einer alternativen Legierung wie beispielsweise AlSi10 oder aus Kupfer (Cu) gebildet und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der Lunkeranteile V% untersucht werden.
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4b zeigt beispielhaft eine weitere Elektromotorkomponente 10, welche in 4b als Rotor ausgestaltet und aus Stahl hergestellt ist. 4c zeigte eine weitere Elektromotorkomponente 10, welche in 4c als Rotorwelle ausgestaltet ist.
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Im Folgenden soll das Verfahren nochmals anhand beispielhafter Berechnungsschritte erläutert werden. Dabei werden die folgenden Variablen verwendet, auf welche vorstehend bereits Bezug genommen wurde:
| ρFluid | Fluiddichte |
| ρi,Rotor | Theoretische, Ideale Dichte der Elektromotorkomponente 10 (hier: Rotor) aus Kenndaten des Werkstoffes der Elektromotorkomponente 10 |
| ρg,Rotor | Aus Messung bestimmte, reale Dichte des Rotors |
| mRotor,Luft | Gewogene Rotormasse in Luft |
| mRotor,Fluid | Gewogene Rotormasse im Fluid |
| VLunker | Lunkervolumen des Rotors |
| V%,Lunker | Prozentualer Anteil an Lunkern im Rotor (am Verguss) |
| VRotor | Reales Volumen des Rotors |
| Vth,Rotor | Theoretisches Volumen des Rotors (ohne etwaige Wuchtbohrungen) |
| Δm | Differenzbetrag aus der ersten Masse (Rotormasse in Luft) und der zweiten Masse (Rotormasse im Fluid) |
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Ist ein Werkstück (Elektromotorkomponente 10) aus einem einzigen Werkstoff gebildet, so können die folgenden Zusammenhänge zur Ermittlung des Lunkeranteils V% herangezogen werden:
- 1. Ermitteln des reales Volumens des Rotors (Elektromotorkomponente 10):
- 2. Ermitteln des Lunkervolumens des Rotors:
- 3. Ermitteln des prozentualen Anteils an Lunkern in der Elektromotorkomponente 10, welche im Folgenden auch als Verguss bezeichnet werden kann:
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Die folgenden Zusammenhänge können herangezogen werden, um bei einer Werkstoffkombination des Rotors (Elektromotorkomponente 10) die Masse des Rotors ohne eine Rotorwelle zu ermitteln. Im folgenden Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Werkstoffkombination jeweilige Volumenanteile von Stahl (V%,Stahl) sowie Aluminium (V%,Alu) aufweist. Für die Bestimmung der Masse des Rotors werden auch theoretische Werte für die Anteile aus Stahl (Vth,Stahl) und Aluminium (Vth,Alu) herangezogen, welche beispielsweise aus einem CAD Modell ermittelt werden können. Dabei werden folgende Schritt durchgeführt:
- 1. Ermitteln des reales Volumens des Rotors, welches aufgrund von etwaigen Wuchtbohrungen von einem theoretischen Volumen Vth,Rotor abweichen kann:
- 2. Ermitteln des prozentualen Anteils von Stahl und Aluminium:
- 3. Ermitteln der theoretischen Dichte des Rotors: ρth,Rotor = (V%,Stahl·ρStahl) + (V%,Alu·ρAlu)
- 4. Ermitteln des Lunkervolumens des Rotors:
- 5. Ermitteln des realen Volumens des Vergusses (≠Vth,Verguss wegen Wuchtbohrungen): VVerguss = VRotor – Vth,Stahl
- 6. Ermitteln des prozentualen Anteils an Lunken im Verguss:
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Ein Beispiel für eine Ermittlung einer Masse eines Rotors mit Rotorwelle zeigen die folgenden Zusammenhänge, wobei ein theoretisches Volumen der Rotorwelle (Vth,Welle) ebenso wie bereits die theoretischen Werte für die Anteile aus Stahl (Vth,Stahl) und Aluminium (Vth,Alu) aus einem CAD Modell ermittelt werden können:
- 1. Ermitteln des realen Volumens des Rotors:
- 2. Ermitteln des prozentualen Anteils von Stahl und Aluminium:
- 3. Ermitteln der theoretischen Dichte des Rotors: ρth,Rotor = (V%,Stahl·ρStahl) + (V%,Welle·ρWelle) + (V%,Alu·ρAlu)
- 4. Ermitteln des Lunkervolumens des Rotors:
- 5. Ermitteln des realen Volumens des Vergusses: VVerguss = VRotor – Vth,Stahl – Vth,Welle
- 6. Ermitteln des prozentualen Anteils an Lunkern im Verguss:
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Um den Lunkeranteil V
% rechnerisch zu ermitteln, können beispielsweise zunächst die folgenden physikalischen Größen gemessen werden:
| mLuft[g] | mFluid[g] | Temperatur [°C] | ΦFluid [g/cm3] | ΦRotor [g/cm3] | Fluid |
| 14717,1 | 12230,4 | 25,5 | 0,99691 | 5,90 | Wasser |
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Basierend auf den hier beispielhaft ermittelten Messwerten kann der Lunkeranteil V
% wie folgt ermittelt werden:
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Zusammenfassend ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine zerstörungsfreie Lunkerquantifizierung von beispielsweise als Druckgussrotoren von Induktionsmaschinen ausgebildeten Elektromotorkomponenten 10. Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei welchen beispielsweise aufwendige und kostenintensive sowie langwierige Computertomographien (CT-Analysen) durchzuführen sind, ist das beschriebene Verfahren besonders aufwandsarm durchzuführen. Zudem kann mittels des beschriebenen Verfahrens der Lunkervolumenanteil (Lunkeranteil V%) des Vergusses zerstörungsfrei bestimmt werden. Neben der Analyse der als Kurzschlussringe und damit an einem Elektromotor außenliegenden Elektromotorkomponenten 10 kann auch eine Analyse etwaiger, hier nicht näher beschriebener Kurzschlussstäbe, welche in einem Blechpaket des Elektromotors innenliegend angeordnet sein können, notwendig sein. Eine derartige Analyse ist jedoch nur mittels Hochleistungs-Computertomographen (Linearbeschleunigern) möglich und dementsprechend besonders zeit- und kostenintensiv. Eine andere, aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit besteht darin, beispielsweise einen Rotor zu zerlegen und von den einzelnen Kurzschlusskäfig-Teilen einen (Schliffbild) anzufertigen. Dadurch kann stichprobennartig der Lunkervolumenanteil bestimmt werden. Dies ist allerdings insofern nachteilig, als dass eine Zerstörung des Bauteils nötig ist und des Weiteren lediglich eine partielle Analyse durchgeführt werden kann. Somit sind aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren entweder besonders aufwendig und kostenintensiv und zusätzlich oder alternativ ist eine Zerstörung des Bauteils erforderlich.
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Demgegenüber ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Bestimmung sowohl der Dichte ρg,Rotor der Elektromotorkomponente 10 als auch des Lunkeranteils V% eines gesamten Rotors und damit eines gegossenen Teils, wobei das Verfahren zerstörungsfrei, schnell und kostengünstig durchgeführt werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Dichte ρg,Rotor der Elektromotorkomponente 10 (hier: Rotor) durch Verwiegen des Rotors bestimmt. Hierzu wird der Rotor zuerst, wie in Schritt a) beschrieben in Umgebungsluft gewogen. Dadurch kann eine Gesamtmasse, Blechpaket, und Rotorverguss des Rotors bestimmt werden. Anschließend kann der Rotor in das Fluid 12 also in Wasser oder in ein Ölbad (z. B. Pentosin, zum Schutz vor etwaiger Korrosion) gegeben werden, sodass der Rotor komplett im Fluid 12 eingetaucht ist (Schritt b)). Im Anschluss daran kann gemäß Schritt c) die zweite Masse mRotor,Fluid der Elektromotorkomponente 10 bestimmt werden. Durch Heranziehen der Dichte ρFluid des Fluids 12 und unter Berücksichtigung der Fluidtemperatur kann das Volumen VRotor der Elektromotorkomponente 10 bestimmt werden. Aus der jeweiligen Masse mRotor,Luft und mRotor,Fluid sowie aus dem Volumen des Rotors VRotor kann die Dichte ρg,Rotor und damit eine Porosität des Vergusses errechnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008002450 A1 [0003]
