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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kernmaterials, insbesondere für elektrische Maschinen und Aktuatoren, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Erfindung betrifft auch ein weichmagnetisches Kernmaterial für elektrische Maschinen und Aktuatoren.
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Weichmagnetische Kernmaterialien, auch als Eisenkerne oder Transformatorkerne bezeichnet, werden in der Elektrotechnik regelmäßig dazu verwendet, den magnetischen Fluss in einem Wechselfeld zu bündeln und dadurch eine Induktivität und magnetische Flussdichte zu vergrößern.
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Eingesetzt werden weichmagnetische Kernmaterialien zumeist in elektrischen Maschinen, zu denen Elektromotoren, Generatoren und Transformatoren zählen, sowie in Aktuatoren, wie beispielsweise elektrischen Ventilen.
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Ein bekanntes Problem beim Einsatz elektrisch leitfähiger Materialien, also z. B. weichmagnetischer Kernmaterialien, in einem Wechselfeld ist, dass parasitäre Wirbelströme in dem Material induziert werden. Derartige Wirbelströme erzeugen ebenfalls ein magnetisches Feld, welches dem Ursprungsfeld entgegenwirkt. Hierdurch - und auch aufgrund weiterer elektrischer Verluste - kann die Effizienz der Energieumwandlung einer elektrischen Maschine oder einer sonstigen Einrichtung vermindert werden. Ferner kann es zur unerwünschten Erwärmung von Komponenten kommen, wodurch nicht zuletzt die Lebensdauer der Komponenten herabgesetzt sein kann.
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Um eine ungewünschte Induktion von Wirbelströmen auszuschließen bzw. zu reduzieren, ist im Stand der Technik üblich, möglichst elektrisch nicht leitende Materialien im Einflussbereich eines Wechselfelds zu verwenden. Es ist allerdings auch bekannt, dass elektrische Isolatoren häufig keine magnetischen Eigenschaften aufweisen, die sich zur Verwendung als weichmagnetisches Kernmaterial, also zur Vergrößerung der magnetischen Flussdichte, eignen. Eine Ausnahme bilden Ferrite bzw. ferrimagnetische keramische Werkstoffe deren Verarbeitung allerdings technisch aufwendig ist und deren geringe Sättigungspolarisation meist ebenfalls ungeeignet für die entsprechende Anwendung ist.
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Zur Reduzierung der Wechselfeldverluste werden in der Praxis somit häufig lamellierte Eisenkerne, bestehend aus Transformatorblechen (auch als „geblechter Kern“ bezeichnet), eingesetzt. Dabei wird ein weichmagnetisches Kernmaterial abwechselnd lagenweise aus elektrisch isolierenden Schichten und magnetisch gut geeigneten Materialkomponenten hergestellt.
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Zur Herstellung derartiger Kernmaterialien werden zumeist dünne Bleche durch Walzprozesse verarbeitet, wobei die Einzellagen voneinander elektrisch isoliert werden (u. a. durch Lackierung).
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Beispielsweise zeigt die
DE 25 06 681 A1 eine Stapelvorrichtung für Transformatorbleche, die von einer Vorratsrolle kontinuierlich abgerollt und durch eine Schwenkschnittschere auf Länge und Form geschnitten werden.
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Eine Alternative ist ein Verfahren der Pulvermetallurgie, wobei eine elektrische Isolationsschicht auf jedem einzelnen Partikel zur Reduzierung der Wechselfeldverluste vorgesehen ist.
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Die bekannten Lösungen erlauben allerdings nur die Herstellung bedingt komplexer Geometrien. Die Bearbeitung und Stapelung des weichmagnetischen Kernmaterials ist aufwendig und beeinträchtigt die magnetischen Eigenschaften nachteilig.
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Die Blechstapelungsverfahren ermöglichen zwar das Einbringen elektrischer Isolationen, diese Technik ist jedoch auf verformungsfähige Materialien angewiesen. Beispielsweise ist bei Eisenlegierungen mit einem hohen Anteil an Silizium, beispielsweise Fe 6,5 Gew.-% Si, durch das sehr spröde Verhalten des Werkstoffs keine verlässliche bzw. wirtschaftliche Herstellung möglich.
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Häufig sind auch die Isolationsschichten nicht ausreichend temperaturbeständig für eine nachträgliche Wärmebehandlung, die die Materialeigenschaften des Kernmaterials noch weiter verbessern würde.
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Die Herstellungsverfahren der Pulvermetallurgie erlauben ferner keine Einbringung elektrisch isolierter Zwischenlagen, wodurch sich die Wechselfeldverluste im gesamten Material ausbreiten können.
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Die Pulververbundwerkstoffe sind zudem unwirtschaftlich und weisen eine deutlich geringere Permeabilität auf als beispielsweise massives Eisen.
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Eine weitere Technik zur Reduzierung von elektrischen Verlusten, insbesondere Wirbelstromverlusten, ist das nachträgliche Einbringen von Schlitzen in das Kernmaterial. Als Hintergrund hierzu wird beispielsweise auf die wissenschaftliche Publikation „Stator Core with Slits in Transverse Flux Rotary Machine to Reduce Eddy Current Loss“ von Ji-Young Lee et al. (publiziert in „Journal of Magnetics 2012“) verwiesen. Die Herstellung eines derartigen Kernmaterials, das somit mehrere stark unterschiedliche Herstellungsschritte (z. B. Walzen, Sägen, etc.) umfasst, ist hierdurch allerdings äußerst aufwendig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kernmaterials zu schaffen, mit dem ein Kernmaterial hergestellt werden kann, bei dem Wechselfeldverluste, insbesondere Wirbelströme, besser vermieden werden, als dies bisher möglich ist.
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Diese Aufgabe wird für das Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kernmaterials, insbesondere für elektrische Maschinen und Aktuatoren, nach den in Anspruch 1 ausgeführten Merkmalen gelöst.
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Hinsichtlich eines vorteilhaften weichmagnetischen Kernmaterials wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst.
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Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgend beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
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Grundsätzlich können weichmagnetische Kernmaterialien für beliebige Einsatzgebiete, bei denen es auf elektromagnetische Wechselwirkung ankommt, eingesetzt werden. Die Erfindung ist somit nicht auf den Einsatz eines weichmagnetischen Kernmaterials für elektrische Maschinen und Aktuatoren beschränkt zu verstehen; hierbei handelt es sich jedoch um ein bevorzugtes Anwendungsgebiet.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kernmaterials ist vorgesehen, dass das weichmagnetische Kernmaterial für elektrische Maschinen und Aktuatoren unter Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wird.
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Additive Fertigungsverfahren werden häufig auch als generative Fertigungsverfahren bezeichnet. Insbesondere ein 3D-Druckverfahren kann vorteilhaft für die vorliegende Erfindung verwendet werden. Es können beliebige Techniken additiver Fertigungsverfahren, beispielsweise selektives Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, selektives Lasersintern etc., verwendet werden. Ebenso sind zukünftige metallische Mehrkomponententechnologien, insbesondere in der Art von Inkjet-Verfahren, möglich.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das weichmagnetische Kernmaterial aus wenigstens einer Schichtlage wenigstens einer Materialkomponente aufgebaut wird, wobei die wenigstens eine Schichtlage derart aufgetragen wird, dass definierte innere Hohlräume innerhalb des weichmagnetischen Kernmaterials gebildet werden.
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Mit definierten inneren Hohlräumen sind selbstverständlich gewollte, gezielt eingebrachte Hohlräume und nicht etwa im Verlauf des Herstellungsverfahrens zufällig entstehende Poren oder ähnliches gemeint.
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Die Schichtlagen der Materialkomponenten können unter Verwendung des additiven Fertigungsverfahrens zunächst aufgetragen und anschließend stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Das Auftragen kann dabei durch Aufbringen eines Pulvers erfolgen, das im Anschluss durch einen gezielten Schmelzvorgang stoffschlüssig mit dem umgebenden Material verschmolzen oder angesintert wird.
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Dadurch, dass die Schichtlagen durch ein additives Fertigungsverfahren aufgetragen werden erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren auch die Ausbildung äußerst komplexer Geometrien für ein weichmagnetisches Kernmaterial. Hierfür kann eine Vielzahl von Parametern wie Schichtlagendicke, Schichtlagenanzahl, Schichtlagenorientierung etc., zur Verbesserung des Wechselfeldverhaltens eines magnetischen Kernmaterials konfiguriert werden.
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Ferner können insbesondere Werkstoffe additiv verarbeitet werden, die nicht oder nur schwer gewalzt werden können, wie z. B. Eisenlegierungen mit einem hohen Anteil an Elementen, die den spezifischen elektrischen Widerstand erhöhen. Alternativ kann reines Metall (z. B. Aluminium) verwendet und aufgeschmolzen werden, sofern sich zwischen Eisen und dem gewünschten Metall Legierungen mit hohem spezifischem elektrischem Widerstand bilden (z. B. Eisen-Aluminide).
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Erfindungsgemäß ist es möglich, nahezu alle ferromagnetischen Materialien, insbesondere auch Eisen-Silizium-Legierungen im Bereich 0,5 Gew.-% bis 100 Gew.-% Siliziumanteil zur Herstellung eines weichmagnetischen Kernmaterials zu verwenden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung ist grundsätzlich für beliebige Kerngeometrien aus verschiedenen Materialkombinationen einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist ein Einsatz für Anwendungen mit großen Ansprüchen an eine hohe Sättigungspolarisation des Materials unter gleichzeitig niedrigen Wechselfeldverlusten. Derartige Bedingungen werden meist an Elektromotoren, Generatoren und Aktuatoren gestellt.
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Insbesondere das Einbringen von inneren Schlitzen ist mit bekannten Verfahren zur Herstellung von Kernmaterialien nicht ohne weiteres möglich. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen additiven Fertigungsverfahrens können innere Schlitze einfach eingebracht werden, indem an den Stellen der Schlitze kein Material aufgebracht wird oder das aufgebrachte Material anschließend nicht verschmolzen bzw. verfestigt wird. Hierdurch kann die Anzahl und Form von Schlitzen beliebig gesteuert werden, wodurch das Kernmaterial noch besser zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten speziell auf die jeweilige Anwendung ausgelegt sein kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, dass das weichmagnetische Kernmaterial aus Schichtlagen wenigstens zweier unterschiedlicher Materialkomponenten aufgebaut wird.
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Es können auch mehr als zwei unterschiedliche Materialkomponenten vorgesehen sein, beispielsweise drei, vier oder fünf.
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Die unterschiedlichen Materialkomponenten können in der Art eines Stapels das weichmagnetische Kernmaterial bilden.
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In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Materialkomponenten elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, und insbesondere einen Mischkristall, eine intermetallische Verbindung, keramische Anteile und/oder polymere Anteile umfasst.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Materialkomponenten Eigenschaften eines elektrischen Halbleiters aufweist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Materialkomponenten elektrisch schlecht leitende Eigenschaften aufweist, obwohl die Materialkomponente noch als Leiter klassifiziert ist.
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Dadurch, dass wenigstens eine der Materialkomponenten elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist oder zumindest schlecht leitende Eigenschaften aufweist, können elektrische Wirbelströme innerhalb des Kernmaterials lokal reduziert bis unterbunden werden.
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Vorzugsweise kann Eisen mit seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit durch Zugabe von Kobalt, Silizium oder Aluminium etc. in seiner Leitfähigkeit beeinflusst und auf die Anwendung hin maßgeschneidert werden.
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Beispielsweise erreichen Eisen-Silizium-Legierungen mit 6,5 Gew.-% Si ausreichende Sättigungspolarisationen und besitzen einen im Vergleich zu Reineisen höheren elektrischen Widerstand, wozu die Legierung als Materialkomponente mit „elektrisch isolierenden“ oder zumindest schlecht leitenden Eigenschaften verwendbar ist.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, mindestens zwei unterschiedliche Materialkomponenten mit signifikant unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit zu verwenden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Materialkomponenten weichmagnetische Eigenschaften aufweist, und insbesondere Reineisen, eine Eisen-Silizium-Legierung, eine Eisen-Aluminium-Legierung, eine Eisen-Kobalt-Legierung und/oder eine Eisen-Nickel-Legierung umfasst.
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Mit weichmagnetischen Eigenschaften sind insbesondere eine hohe Sättigungspolarisation und/oder eine niedrige Koerzitivfeldstärke gemeint.
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Eine hohe Sättigungspolarisation kann beispielsweise unter Verwendung von reinem Eisenpulver oder einer Eisen-Kobalt-Legierung erreicht werden. Diese besitzen mit etwa zwei Tesla ausreichend hohe Polarisationen.
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Für eine additive Fertigung können derartige Pulver in entsprechender Form und Korngrößenverteilung (beispielsweise 1 bis 200 Mikrometer) eingesetzt werden. Unter Schutzgas können diese durch Aufschmelzen miteinander verbunden werden.
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Es haben sich bereits einige potentiell hervorragend als Kernmaterialien geeignete Legierungen als verwendbar für additive Fertigungsverfahren herausgestellt. Beispielsweise sei auf die wissenschaftliche Veröffentlichung „Metallurgy of high-silicon steel parts produced using Selective Laser Melting“ von Michele Garibaldi et al. (publiziert in „Acta Materialia 2016“, ELSEVIER) oder die Veröffentlichung „Microstructure and Magnetic Properties of Fe-Ni Alloy Fabricated by Selective Laser Melting Fe/Ni Mixed Powders“ von Baicheng Zhang at al. (publiziert in „Journal of Materials Science & Technology 2013“, ELSEVIER) verwiesen.
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Bei Nutzung von Eisenlegierungen mit erhöhtem Anteil an Silizium und/oder Aluminium lässt sich der elektrische Widerstand des Materials unter Abnahme der Sättigungspolarisation erhöhen. Standardmäßig werden im Stand der Technik Eisenlegierungen mit maximal 3,5 Gew.-% Si eingesetzt, da die Formgebungsfähigkeit des Materials bei höherem Siliziumanteil stark vermindert sein kann - das Material wird brüchig. Durch die Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens können nun allerdings Eisenlegierungen mit höheren Anteilen an Silizium und Aluminium eingesetzt werden.
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Auch die Verwendung von diamagnetischen, paramagnetischen, ferrimagnetischen, antiferromagnetischen oder nicht magnetischen Materialkomponenten kann vorgesehen sein.
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In einer Weiterbildung kann außerdem vorgesehen sein, dass das weichmagnetische Kernmaterial einer Wärmebehandlung unterworfen wird.
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Mit einer Wärmebehandlung ist insbesondere ein Verfahren zum Erwärmen und anschließenden Abkühlen des Kernmaterials gemeint, um die Werkstoffeigenschaften des Kernmaterials zu verbessern. Dies ist beispielsweise bei den bekannten Blechstapelverfahren häufig nicht möglich, da die dünnen elektrischen Isolationsschichten ansonsten Schaden nehmen könnten.
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Durch eine Wärmebehandlung ist eine Bildung von Mischkristallen, intermetallischen Phasen, eine Festigkeitserhöhung, eine Verdichtung und eine Ausheilung von Materialfehlern möglich.
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Bei einer Wärmebehandlung können somit insbesondere innere Verspannungen, Inhomogenität und weitere negative Einflüsse der additiven Fertigung des weichmagnetischen Kernmaterials abgebaut bzw. beeinflusst werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass vorhandene Schichtlagen, die durch additive Fertigung hergestellt wurden, im Anschluss an die additive Fertigung einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Wärmebehandlung während der additiven Fertigung oder nach Fertigstellung einzelner Schichtlagen möglich.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Schichtlagen der Materialkomponenten eine Dicke von 1 bis 500 Mikrometer aufweisen, vorzugsweise 10 bis 300 Mikrometer.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schichtlagen der Materialkomponente, die elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, dünner aufgetragen werden, als die Schichtlagen der Materialkomponente, die weichmagnetische Eigenschaften aufweist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des weichmagnetischen Kernmaterials werden Eisen-Silizium-Legierungen mit 6,5 Gew.-% Si oder auch Eisen in reiner Form in einer ausreichend rieselfähigen, z. B. sphärischen Korngrößenverteilung zwischen 1 und 200 Mikrometer zu einer beliebigen Kerngeometrie im Schichtlagenaufbau überführt und jeweils durch additiv aufgebrachte elektrische Isolationsschichten getrennt.
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Es kann eine große Anzahl an dünnen elektrisch isolierenden Schichtlagen vorgesehen sein, wodurch die elektrischen Weglängen zur Ausbildung der Wirbelströme vergrößert und somit die Verlusteigenschaften des Kernmaterials reduziert sein können.
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In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass in das weichmagnetische Kernmaterial an den Außenflächen Aussparungen, insbesondere in der Art von Schlitzen, eingebracht werden.
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Durch das Einbringen von derartigen Aussparungen in das Kernmaterial kann ebenfalls die elektrische Weglänge beeinflusst werden, was zu einer Verringerung von Wirbelstromverlusten führen kann.
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Die Aussparungen können durch eine Nachbearbeitung, beispielsweise durch eine abrasive Nachbearbeitung, des weichmagnetischen Kernmaterials eingebracht werden.
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Vorzugsweise kann aber auch vorgesehen sein, dass die Aussparungen bereits im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens gebildet werden, indem an diesen Stellen kein Grundwerkstoff eingebracht oder verschmolzen wird. Auf diese Weise kann sogar Material eingespart werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die inneren Hohlräume in der Art von inneren Schlitzen ausgebildet werden.
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Als eine geeignete Anzahl von inneren Schlitzen haben sich beispielsweise 2 bis 1000 Schlitze in einem Ringkörper mit einem Außendurchmesser von 40 Millimeter und einem Innendurchmesser von 30 Millimeter als ausreichend herausgestellt. Dieses beispielhafte Verhältnis kann von einem Fachmann für eine beliebige Anwendung bzw. Geometrie skaliert werden.
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Es hat sich beispielsweise auch gezeigt, dass durch Einbringen von 34 Schlitzen mit einer Breite von 0,5 Millimeter und einer Tiefe von 4 Millimeter in einer Ringgeometrie eines Kernmaterials mit einem Außendurchmesser von 40 Millimeter und einem Innendurchmesser von 30 Millimeter eine Erhöhung der elektrischen Weglänge um etwa 50 % möglich ist.
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Durch gezieltes Einbringen von Aussparungen und/oder Hohlräumen kann der elektrische Widerstand einer oder mehrerer Materialkomponenten erhöht werden, was zu einer Verringerung der Verlusteigenschaften des weichmagnetischen Kernmaterials im Wechselfeld führen kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass die Aussparungen an den Außenflächen und/oder die Hohlräume innerhalb des weichmagnetischen Kernmaterials mit einer Materialkomponente ausgefüllt werden, die elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
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Durch Ausfüllen der Aussparungen bzw. Hohlräume mit einem hochpermeablen Werkstoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit kann das Verhalten des Kernmaterials im Wechselfeld noch verbessert werden. Das Ausfüllen der Aussparungen bzw. Hohlräume kann beispielsweise durch Einlegen/Eintauchen in ein nicht leitfähiges Material oder direkt während der additiven Fertigung umgesetzt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich hierdurch die Festigkeit des Kernmaterials verbessern lassen kann. Insbesondere haben sich metallische, keramische oder polymere Werkstoffe als besonders geeignet herausgestellt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, ein weichmagnetisches Kernmaterial mit Aussparungen bzw. Hohlräumen bzw. Schlitzen nach der additiven Fertigung in ein Bad aus elektrisch nicht leitfähigem Material, wie beispielsweise Kunststoff oder nicht leitendem Metall, getaucht wird. Es können auch keramische Zwischenmaterialien verwendet werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Aussparungen an den Außenflächen und/oder die Hohlräume innerhalb des weichmagnetischen Kernmaterials mit einer Materialkomponente ausgefüllt werden, die sonstige (besondere) elektrische und/oder mechanische Eigenschaften aufweist.
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In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die inneren Hohlräume mit Öffnungen zu den Außenflächen des weichmagnetischen Kernmaterials versehen sind, und ein Ausgangswerkstoff, insbesondere ein Pulver des additiven Fertigungsverfahrens, durch die Öffnungen entfernt wird.
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Ein Pulver des additiven Fertigungsverfahrens kann durch die Öffnungen somit ausblasbar bzw. ausschüttbar sein. Eine Alternative ist der Verbleib des Pulvers als lose Pulverschüttung innerhalb des Kernmaterials.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Aussparungen an den Außenflächen und/oder die Hohlräume innerhalb des weichmagnetischen Kernmaterials in unterschiedlichen Geometrien und/oder Ausrichtungen eingebracht bzw. gebildet werden.
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Die Aussparungen bzw. Hohlräume bzw. Schlitze können in unterschiedlicher Orientierung, z. B. radial, axial oder in einer anderen Orientierung eingebracht werden.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, Aussparungen bzw. Hohlräume bzw. Schlitze wechselseitig radial und axial einzubringen um die elektrische Weglänge effizient zu verlängern.
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Durch die große Anzahl an Freiheitsgraden bzw. Fertigungsparametern lassen sich die Wechselfeldeigenschaften des resultierenden Kernmaterials nahezu beliebig einstellen.
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Besonders gute magnetische Kenndaten der additiv gefertigten weichmagnetischen Kernmaterialien lassen sich durch Versintern verdichteter Kerne erreichen, deren innere Porosität weitgehend minimiert wird. Dies kann durch geeignete Einstellparameter bei der additiven Fertigung in Kombination mit einer abgestimmten Korngrößenverteilung des Pulvers und einer geeigneten nachträglichen Wärmebehandlung erreichbar sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass 1 bis 10.000 Hohlräume, vorzugsweise 2 bis 5.000 Hohlräume, ganz besonders bevorzugt 2 bis 1.000 Hohlräume gebildet werden.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass Parameter des additiven Fertigungsverfahrens auf Basis einer Analyse des magnetischen Flusses des weichmagnetischen Kernmaterials zur Minimierung von elektrischen Verlusten im Wechselfeld, insbesondere Wirbelstromverlusten, optimiert werden.
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In einer Weiterbildung kann auch vorgesehen sein, dass Parameter des additiven Fertigungsverfahrens auf Basis einer Analyse des magnetischen Flusses des magnetischen Kernmaterials unter Vorgabe der magnetischen Permeabilität des weichmagnetischen Kernmaterials (1) optimiert werden.
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Damit ist gemeint, dass die magnetische Permeabilität des magnetischen Kernmaterials gezielt vorgegeben werden kann, beispielsweise in der Art einer Zielfunktion eines Optimierungsalgorithmus.
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Mit einer Analyse ist eine beliebige Analysetechnik gemeint, um das Verhalten des Systems, bei dem das weichmagnetische Kernmaterial eingesetzt werden soll, im Wechselfeld deterministisch und/oder heuristisch zu analysieren. Selbstverständlich sind beliebige Simulationstechniken, Optimierungsalgorithmen und mathematische Rechenverfahren möglich.
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Aus einer Simulation oder einer sonstigen Analyse kann beispielsweise ein CAD-Modell bzw. Konstruktionsmodell hervorgehen, das anschließend durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des weichmagnetischen Kernmaterials herangezogen wird. Die elektrische Verlustleistung bzw. das Verhalten des Kernmaterials im Wechselfeld ist hierdurch genauestens (vor)bestimmbar. Durch die hohe Anzahl von Freiheitsgraden, insbesondere in der Geometrie und der großen Auswahl an Materialien, können nahezu beliebige theoretische Eigenschaften des weichmagnetischen Kernmaterials in die Praxis übertragen werden.
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Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass eine Anzahl Aussparungen und/oder Hohlräume mit definierten Breiten, Tiefen, Geometrien, Ausrichtungen und Abständen zueinander aus CAD-Auslegungen heraus auf Basis von Simulationen oder sonstigen Analyseverfahren bzw. Berechnungen eingebracht werden. Eine elektrische Weglänge und somit ein elektrischer Widerstand kann als Funktion der Aussparungen bzw. Hohlräume bzw. Schlitze bezogen auf eine gegebene Kerngeometrie definiert sein.
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In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die zu optimierenden Parameter eine Korngröße eines Ausgangswerkstoffs des additiven Fertigungsverfahrens, eine elektrische Leitfähigkeit einer oder mehrerer Materialkomponenten, eine magnetische Permeabilität einer oder mehrerer Materialkomponenten, eine magnetische Koerzitivfeldstärke einer oder mehrerer Materialkomponenten, eine magnetische Sättigungspolarisation einer oder mehrerer Materialkomponenten, die Dicke einer Schichtlage einer oder mehrerer Materialkomponenten, eine Geometrie des weichmagnetischen Kernmaterials, eine Schichtlagenanzahl des weichmagnetischen Kernmaterials, die Anzahl unterschiedlicher Materialkomponenten, die Verteilung der Schichtlagen in dem weichmagnetischen Kernmaterial, eine Geometrie der Aussparungen und/oder der Hohlräume, eine Position der Aussparungen und/oder der Hohlräume und/oder eine Ausrichtung der Aussparungen und/oder der Hohlräume sind.
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Die Verlustleistung im Wechselfeld kann somit als Funktion eines oder mehrerer der genannten Parameter definierbar sein. Die obige Liste ist selbstverständlich nicht abschließend.
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Die Kenntnis der Eigenschaften der Ausgangspulver in Korngröße, elektrischer Leitfähigkeit und magnetischen Kenndaten wie Permeabilität, Koerzitivfeld und Sättigungspolarisation und Kerneigenschaften wie Geometrie, Schichtlagenanzahl, Schichtlagendicke etc. kann somit verwendet werden, um die Wechselfeldeigenschaften des Kernmaterials zu beeinflussen. Somit ist eine anwendungsorientierte Fertigung von weichmagnetischen Kernmaterialien unter wirtschaftlichen Aspekten umsetzbar.
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Es kann auch vorgesehen sein, ein weichmagnetisches Kernmaterial aus beispielsweise zwei Schichtlagen gemäß dem vorbeschriebenen additiven Fertigungsverfahren herzustellen und anschließend mehrere derart hergestellte weichmagnetische Kernmaterialien zu stapeln und beispielsweise auf bekannte Weise zu verpressen.
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Die Erfindung betrifft auch ein weichmagnetisches Kernmaterial für elektrische Maschinen und Aktuatoren, das mit inneren Hohlräumen versehen ist und durch ein Verfahren gemäß der vorstehenden Beschreibung und der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen schematisch:
- 1 eine isometrische Darstellung einer Kerngeometrie in Ringform mit mehreren Schichtlagen;
- 2 einen Schnitt durch das Kernmaterial der 1 mit inneren Hohlräumen;
- 3 einen Schnitt durch ein Kernmaterial einer zweiten Ausführung mit inneren Hohlräumen;
- 4 einen Schnitt durch ein Kernmaterial einer dritten Ausführung mit inneren Hohlräumen;
- 5 einen Schnitt durch ein Kernmaterial einer vierten Ausführung mit inneren Hohlräumen;
- 6 eine isometrische Darstellung einer Kerngeometrie in Ringform mit radial eingebrachten Schlitzen an den Außenflächen;
- 7 eine Draufsicht auf das Kernmaterial der 6;
- 8 eine isometrische Darstellung einer Kerngeometrie in Ringform mit axial eingebrachten Schlitzen;
- 9 eine isometrische Darstellung eines Kernmaterials mit inneren Hohlräumen in einer bevorzugten Ausführung;
- 10 eine Draufsicht auf die Ausführung des Kernmaterials der 9; und
- 11 eine isometrische Darstellung einer Kerngeometrie in Ringform mit einer bevorzugten Ausführung äußerer Schlitze.
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In 1 ist ein weichmagnetisches Kernmaterial 1 in Ringform dargestellt, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt wurde. Das Kernmaterial 1 besteht aus einem Stapel 2 von sieben Schichtlagen einer ersten Materialkomponente 3.1 und einer zweiten Materialkomponente 3.2, die unter Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens aufgetragen und stoffschlüssig miteinander verbunden wurden. Das Kernmaterial 1 weist innere Schlitze 4 auf (nicht dargestellt, vgl. 2 bis 5 sowie 9 und 10).
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In 2 ist ein Schnitt durch das Kernmaterial 1 der 1 dargestellt. Dabei sind die sieben Schichtlagen erkennbar, die in der Art eines Stapels 2 aus den zwei unterschiedlichen Materialkomponenten 3.1, 3.2 gebildet sind. Es kann vorgesehen sein, dass eine erste Materialkomponente 3.1 elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist und eine zweite Materialkomponente 3.2 weichmagnetischer Eigenschaften aufweist, insbesondere bezüglich einer hohen Sättigungspolarisation und/oder einer niedrigen Koerzitivfeldstärke.
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Die Schichtlagen der Materialkomponenten 3.1, 3.2 können beispielsweise eine Dicke von 1 bis 500 Mikrometer aufweisen, vorzugsweise 10 bis 300 Mikrometer.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Schichtlagen der elektrisch isolierenden ersten Materialkomponente 3.1 dünner aufgetragen werden, als die Schichtlagen der zweiten Materialkomponente 3.2 mit den weichmagnetischen Eigenschaften, wie dies in 2 angedeutet ist.
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Selbstverständlich können auch mehr als zwei unterschiedliche Materialkomponenten 3.1, 3.2 vorgesehen sein.
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Das dargestellte Kernmaterial 1 weist innere Hohlräume in der Art von inneren Schlitzen 4 auf, die durch das vorgeschlagene Verfahren gebildet werden können. Hierdurch können die Verlusteigenschaften des Kernmaterials 1 weiter verbessert werden.
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Die inneren Schlitze 4 können sich dabei insbesondere von einer Schichtlage der elektrisch nicht leitenden oder schlecht leitenden Materialkomponente 3.1 zu einer angrenzenden oder zu beliebigen weiteren Schichtlagen der elektrisch nicht leitenden oder schlecht leitenden Materialkomponente 3.1 erstrecken.
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Selbstverständlich können die Schlitze 4 auch an beliebigen Positionen innerhalb des Kernmaterials 1 vorgesehen sein.
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In 3 ist eine beispielhafte Ausführung gezeigt, bei der drei unterschiedliche Materialkomponenten 3.1, 3.2, 3.3 vorgesehen sind.
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In 3 ist somit die erste Materialkomponente 3.1 mit den elektrisch isolierenden Eigenschaften, die zweite Materialkomponente 3.2 mit den weichmagnetischen Eigenschaften und eine dritte Materialkomponente 3.3 mit beliebigen weiteren Materialeigenschaften vorgesehen.
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Ferner sind in der Ausführungsform der 3 unterschiedliche Schichtlagendicken vorgesehen. Hierdurch kann beispielsweise das Verhalten des weichmagnetischen Kernmaterials 1 im Wechselfeld auf Basis einer Simulation oder einem sonstigen Analyseverfahren gezielt optimiert bzw. eingestellt werden.
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Die inneren Hohlräume bzw. Schlitze 4 können auch in verschiedenen Ausrichtungen in das Kernmaterial 1 eingebracht werden. Als Beispiel sind in 3 drei senkrechte bzw. axiale Schlitze 4 und ein waagrechter bzw. radialer Schlitz 4 dargestellt.
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Die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens zur Herstellung des weichmagnetischen Kernmaterials 1 ermöglicht auch außergewöhnliche Geometrien, wie dies in 4 beispielhaft an einem ungewöhnlichen inneren Aufbau des Kernmaterials 1 dargestellt ist. In der Ausführungsform der 4 verläuft die Schichtlagendicke der ersten Materialkomponente 3.1 nicht gleichmäßig innerhalb des Kernmaterials 1, sondern folgt einer vorgegebenen Funktion. Auch hierdurch kann das Verhalten des weichmagnetischen Kernmaterials im Wechselfeld einstellbar bzw. optimierbar sein.
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Auch in der Ausführung der 4 ist beispielhaft und schematisch ein innerer Schlitz 4 dargestellt, der die Schichtlagen der ersten Materialkomponente 3.1 miteinander verbindet bzw. zwischen den Schichtlagen verläuft.
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In 5 ist - lediglich zur Verdeutlichung - dargestellt, dass die inneren Hohlräume bzw. inneren Schlitze 4 auch schräg innerhalb des Kernmaterials 1 und unter Verwendung unterschiedlichster Geometrien eingebracht werden können.
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In 6 ist eine Ausführung eines weichmagnetischen Kernmaterials 1 in Ringform mit radial eingebrachten Schlitzen 5 an den Außenflächen des Kernmaterials 1 dargestellt. Die Schlitze 5 können durch eine abrasive Nachbearbeitung, z. B. durch Sägen, in das weichmagnetische Kernmaterial 1 eingebracht werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schlitze 5 bereits im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens gebildet werden, indem an diesen Stellen kein Grundwerkstoff eingebracht oder verschmolzen wird.
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Durch das Einbringen von derartigen Ausnehmungen bzw. Schlitzen 5 an den Außenflächen des Kernmaterials 1 können globale Wirbelströme auf lokalere, kleinere Wirbelströme reduziert werden, was die Verluste des Kernmaterials 1 im Wechselfeld reduzieren kann.
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Die elektrische Weglänge für einen globalen Wirbelstrom kann erhöht sein, was den elektrischen Widerstand gleichermaßen erhöht und die Ausbildung des Wirbelstroms hemmen kann.
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In einer Draufsicht auf die Ausführung der 6 ist in 7 die elektrische Weglänge L gestrichelt dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass die Schlitze 5 die elektrische Weglänge L stark erhöhen.
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Insbesondere ist auch eine Kombination aus Aussparungen bzw. Schlitzen 5 an den Außenflächen und inneren Hohlräumen bzw. inneren Schlitzen 4 innerhalb des weichmagnetischen Kernmaterials 1 möglich.
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Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass ein innerer Hohlraum bzw. Schlitz 4 in eine Aussparung bzw. einen äußeren Schlitz 5 mündet, wodurch ein Ausschütten von Pulver leicht möglich ist.
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In 8 ist eine weitere Ausführung eines weichmagnetischen Kernmaterials 1 in Ringform dargestellt, bei dem die äußeren Schlitze 5 in Axialrichtung eingebracht sind.
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Auch beliebige Kombinationen und Zwischenformen aus axialen und radialen Schlitzen 5 sind möglich.
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Schließlich zeigen die 9 und 10 eine bevorzugte Ausführungsform, bei der ein weichmagnetisches Kernmaterial 1 aus einer einzigen Schichtlage 3.2 aufgebaut ist, wobei eine Vielzahl innerer Hohlräume 4 vorgesehen ist. Die Hohlräume 4 sind in den 9 und 10 gestrichelt innerhalb des weichmagnetischen Kernmaterials 1 dargestellt. Die Hohlräume 4 münden ferner in Öffnungen 6 zu den Außenflächen des weichmagnetischen Kernmaterials 1, wodurch sich beispielsweise ein Ausgangswerkstoff, insbesondere ein Pulver des additiven Fertigungsverfahrens, entfernen lässt.
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Die 11 zeigt ein weiteres Beispiel eines weichmagnetischen Kernmaterials 1 in Ringform, das aus einer einzigen Schichtlage 3.2 besteht, selbstverständlich aber auch aus mehreren Schichtlagen 3.1, 3.2, 3.3 aufgebaut sein kann. Das weichmagnetische Kernmaterial 1 umfasst dabei äußere Schlitze 5, die sich abwechselnd von der Oberseite und der Unterseite des weichmagnetischen Kernmaterials 1 treppenförmig durch das Material erstrecken. Hierdurch kann die elektrische Weglänge effektiv beeinflusst werden. Das gezeigte weichmagnetische Kernmaterial 1 kann dabei zusätzlich innere Schlitze 4 in der zuvor beschrieben Art aufweisen. Die gezeigten Schlitze 5 können auch als Kombination von inneren Hohlräumen in der Art von Schlitzen 4, die Öffnungen 6 aufweisen und in äußere Schlitze 5 münden, interpretiert und gefertigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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