DE102016221619A1

DE102016221619A1 - Bauteil und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102016221619A1
Application number: DE102016221619.8A
Authority: DE
Inventors: Inga Schellenberg; Jens Burghaus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2018-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil. Dieses weist einen Grundkörper (60) auf, der aus einem ferritischen metallischen Glas besteht. Mindestens ein amagnetischer Bereich (81, 82) ist in den Grundkörper (60) eingebettet. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine. In dieser ist das Bauteil als Rotor (40) ausgeführt. Weiterhin weist sie einen Stator (50) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, das insbesondere als Aktor oder als Rotor ausgeführt sein kann. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, welche den Rotor enthält.
Stand der Technik
Bauteile aus magnetischen Materialien werden beispielsweise als schnellschaltende Aktoren aber auch als Rotoren oder Statoren einer elektrischen Maschine eingesetzt. Bei der Optimierung des Magnetkreises müssen hierfür häufig Bereiche ausgewiesen werden, die schlechte magnetische Eigenschaften aufweisen. Dies bedeutet insbesondere eine geringe magnetische Permeabilität. Auf diese Weise werden Streuflüsse reduziert, umso den Wirkungsgrad der Maschine zu erhöhen. Hierzu sind geometrische Abänderungen der Bauteilgeometrie notwendig. Alternativ können auch nachträgliche Modifikationen des verwendeten Materials durchgeführt werden, wie beispielsweise die Eintragung einer plastischen Deformation, ein Umschmelzen oder eine Umwandlung eines ferritischen Gefüges in ein austenitisches Gefüge.
Offenbarung der Erfindung
Das Bauteil weist einen Grundkörper auf, der aus einem ferritischen metallischen Glas besteht. In diesem ist mindestens ein amagnetischer Bereich (beispielsweise aus einem nicht-ferritischen metallischen Glas) eingebettet. Ein solches Bauteil ist einfach zu fertigen, da ein metallisches Glas einfacherweise hergestellt werden kann, indem amorphe Ausgangspulver und oder -granulate durch eine induktive Heizung abhängig vom Verarbeitungsschritt konsolidiert werden. Hierfür sind Temperaturen oberhalb der Glastemperatur und unterhalb der Kristallisationstemperatur notwendig. Diese liegen insbesondere im Bereich von 400°C bis 600°C. Metallische Gläser weisen üblicherweise einen Schrumpf von weniger als 0,2 % während der thermischen Konsolidierung auf, da kein Phasenübergang stattfindet. Das Bauteil fällt entsprechend endkonturnah an.
Es ist bevorzugt, dass das ferritische metallische Glas eine magnetische Maximalpermeabilität (µ_max)vοn mindestens 1000 aufweist. Hierzu kann als Ausgangsmaterial für das ferritische metallische Glas insbesondere eine ferritische Eisen-Basis-Legierung genutzt werden. Diese magnetische Permeabilität liegt deutlich über jener von Elektroblechen, wie sie üblicherweise in derartigen Bauteilen Verwendung finden. Dies könnte zur Verstärkung magnetischer Streuflüsse führen. Dem wirkt allerdings die Anwesenheit des mindestens einen amagnetischen Bereiches entgegen. Dieser weist bevorzugt eine magnetische Maximalpermeabilität von maximal 100, besonders bevorzugt von maximal 10, ganz besonders bevorzugt von maximal 2 auf.
Grundsätzlich kann der amagnetische Bereich aus jedem Material bestehen, welches die geforderte magnetische Permeabilität aufweist. Hierzu kann beispielsweise ein niederpermeabler Stahl oder ein mechanisch vorgeschädigte Werkstoff verwendet werden. Es ist allerdings bevorzugt, dass der amagnetische Bereich ebenfalls aus einem metallischen Glas besteht. Dies ermöglicht es dem Grundkörper und den amagnetischen Bereichen in einfacher Weise in einem einzigen Herstellungsschritt zu produzieren. Dabei können die Ausgangspulver beispielsweise mittels eines Spritzgießverfahrens in eine Matrize eingebracht werden, wo zunächst mittels Stempeln Druck auf sie ausgeübt wird, bevor eine Temperaturbehandlung stattfindet. Insbesondere sind amagnetische Zirkonium-Basis-Legierungen als Ausgangsmaterial für den amagnetischen Bereich geeignet. Diese weisen eine gute Glasbildungsfähigkeit auf, und können auch in den für Eisen-Basis-Legierungen notwendigen Temperaturfenstern eingesetzt werden. Dies ermöglicht ihre gemeinsame Verarbeitung mit einem ferritischen Eisen-Basis-Legierungspulver aus welchem der Grundkörper gebildet werden soll.
In einer Ausführungsform des Bauteils handelt es sich bei diesem um einen Aktor. Herkömmliche Aktoren weisen eine nachträgliche Schlitzung auf, um verschiedene Bereiche der Aktoren elektrisch voneinander zu isolieren. Um diese Isolierung mittels des mindestens einen amagnetischen Bereiches erreichen zu können, ist es bevorzugt, dass der elektrische Widerstand mindestens 10 µΩm aufweist. Derartige hohe elektrische Widerstände können mit metallischen Gläsern auf der Grundlage einer Zirkonium-Basis-Legierung realisiert werden.
Weiterhin ist es in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass der Grundkörper mehrere Bereiche aufweist, die durch den mindestens einen amagnetischen Bereich vollständig voneinander getrennt sind. Während es mittels Schlitzung nicht möglich ist, Bereiche eines Aktors vollständig voneinander zu isolieren, da dies zum Zerfallen des Aktors mehrere Teile führen würde, können durch die Trennung der Bereiche mittels des amagnetischen Bereiches in einer derartigen Bauform besonders vorteilhafte Unterdrückung der Wirbelströme in einer Anwendung des Aktors realisiert werden.
Dies wird in besonders vorteilhafter weise dadurch verwirklicht, dass das Bauteil einen zylinderförmigen Bereich seines Grundkörpers aufweist, welcher parallel zu Längsachse des Bauteils verläuft. Außerdem weist er mehrere weitere Bereiche seines Grundkörpers auf, welche identische Abmessungen aufweisen. Hierbei sind alle Bereiche des Grundkörpers durch einen einzigen amagnetischen Bereich voneinander getrennt. Auf diese Weise können die weiteren Bereiche beispielsweise rotationssymmetrisch um den zylinderförmigen Bereich angeordnet werden, um die elektrischen Eigenschaften des Aktors so zu optimieren.
In einer anderen Ausführungsform des Bauteils ist dieses als Rotor einer elektrischen Maschine ausgeführt. Die elektrische Maschine weist neben dem Rotor ein Stator auf.
In herkömmlichen elektrischen Maschinen sind Permanentmagnete in Luftkammern innerhalb des Grundkörpers angeordnet. Dabei kommt es allerdings zu magnetischen Streuflüssen, durch welche ein Teil des magnetischen Flusses am Rand der Luftkammern entlang von dem Stator fortgelenkt wird. Dieses Problem wird vorzugsweise gelöst, indem in dieser Ausführungsform jeder amagnetischer Bereich eine Luftkammer in dem Grundkörper mit einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator verbindet. Auf diese Weise werden die magnetischen Streuflüsse durch den amagnetischen Bereich unterbunden.
Da die Verwendung eines ferritischen metallischen Glases für den Grundkörper des Rotors diesem eine höhere magnetische Permeabilität verleiht, als sie für Rotoren aus herkömmlichen Elektroblechen üblich ist, ist es weiterhin bevorzugt, dass der Stator ebenfalls aus einem ferritischen metallischen Glas besteht, wobei er besonders bevorzugt aus demselben ferritischen metallischen Glas besteht, wie der Grundkörper des Rotors. Auf diese Weise wird der magnetische Fluss im Stator an den magnetischen Fluss im Rotor angeglichen.
Die Verwendung metallischer Gläser in dem Bauteil ermöglicht es weiterhin Oberflächenstrukturierungen des Bauteils zu realisieren, welche an der Oberfläche herkömmlicher Elektroblechen nicht möglich sind. Dies kann beispielsweise zur Vergrößerung der Oberfläche zur besseren thermischen Erwärmung dienen. Weiterhin können auch Sicherheitsmerkmale in die Oberfläche integriert werden. Dies kann beispielsweise durch Hinterlegung eines QR-Codes als Negativ in ein Presswerk zu erfolgen, mit dem das Bauteil aus seinen Ausgangspulvern hergestellt wird.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine isometrische Darstellung eines Bauteils, welches in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Aktor ausgeführt ist.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung, einer elektrischen Maschine, welche ein Bauteil enthält, das im Ausführungsbeispiel der Erfindung als Rotor ausgeführt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Bauteils in dem dieses als Aktor 10 ausgeführt ist. Dieser weist die Form eines Kreiszylinders auf. Der Aktor 10 besteht aus einem Grundkörper 20, der aus einem ferritischen metallischen Glas besteht, und aus einem amagnetischen Bereich 30, der aus einem amagnetischen metallischen Glas besteht. Der amagnetische Bereich 30 unterteilt den Grundkörper 20 in mehrere Bereiche 21, 22, 23, 24. Hierbei verläuft ein kreiszylinderförmiger Bereich 21 parallel zur Längsachse L des Aktors 10. Die weiteren Bereiche 22, 23, 24, 25 erstrecken sich jeweils mit identischen Abmessungen über die gesamte Länge des Aktors 10. Der Aktor 10 kann hergestellt werden, indem eine Matrize mit einem ferritischen Eisen-Basis-Legierungspulver als Ausgangsmaterial des Grundkörpers 20 und mit einem amagnetischen Zirkonium-Basis-Legierungspulver als Ausgangsmaterial des amagnetischen Bereiches 30 gefüllt wird. Dieses Füllen kann mittels eines Spritzgießverfahrens erfolgen. Anschließend werden die Ausgangsmaterialien in einem einzigen Herstellungsschritt unter Temperierung zu metallischen Gläsern gepresst, welche den Aktor 10 bilden.
2 zeigt einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine, welche einen Rotor 40 und einen Stator 50 aufweist. Diese werden durch einen Luftspalt 51 getrennt. Der Rotor 40 stellt dabei ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung da. In dem Rotor 60 sind zwei Luftkammern 61, 62 angeordnet. Jede der Luftkammern 61, 62 enthält einen Permanentmagneten 71, 72. Verbindungsbereiche zwischen den Luftkammern 61, 62 und dem Luftspalt 51, in denen magnetische Streuflüsse auftreten könnten, sind durch amagnetische Bereiche 81, 82 gebildet, welche diese Streuflüsse unterbinden. Der Grundkörper 60 besteht aus einem metallischen Glas auf der Grundlage einer ferritischen Eisen-Basis-Legierung und die amagnetischen Bereiche 81, 82 bestehen aus einem metallischen Glas auf der Grundlage einer amagnetischen Zirkonium-Basis-Legierung. Der Grundkörper 60 und die amagnetischen Bereiche 81, 82 können analog dem Herstellungsverfahren, das für den Aktor 10 beschrieben wurde, gemeinsam hergestellt werden, indem Ausgangspulver mittels Spritzgießens in eine Matrize eingebracht und anschließend verpresst und thermisch behandelt werden. Der Stator 50 besteht ebenfalls aus einem ferritischen metallischen Glas. Dies besteht aus derselben ferritischen Eisens-Basis-Legierung, wie der Grundkörper 60.

Claims

Bauteil, aufweisend einen Grundkörper (20, 60), der aus einem ferritischen metallischen Glas besteht, und mindestens einen amagnetischen Bereich (30, 81, 82), der in den Grundkörper (20, 60) eingebettet ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ferritische metallische Glas eine magnetische Maximalpermeabilität von mindestens 1.000 aufweist und der amagnetische Bereich eine magnetische Permeabilität von maximal 100 aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der amagnetische Bereich (30, 81, 82) aus einem metallischen Glas besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauteil um einen Aktor (10) handelt.
Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der amagnetische Bereich (30) einen elektrischen Widerstand von mindestens 10 mQm aufweist.
Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) mehrere Bereiche (21, 22, 23, 24, 25) aufweist, durch den amagnetischen Bereich (30) vollständig voneinander getrennt sind.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einen zylinderförmigen Bereich (21) seines Grundkörpers (20) aufweist, welcher parallel zur Längsachse (L) des Bauteils verläuft und mehrere weitere Bereiche (22, 23, 24, 25) seines Grundkörpers (20) aufweist, welche identische Abmessungen aufweisen, wobei alle Bereiche (21, 22, 23, 24, 25) des Grundkörpers (20) durch einen einzigen amagnetischen Bereich (30) voneinander getrennt sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Rotor (40) einer elektrischen Maschine handelt.
Elektrische Maschine, aufweisend Rotor (40) nach Anspruch 8 und einen Stator (50).
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder amagnetische Bereich (81, 82) eine Luftkammer (61 62) in dem Grundkörper (60), in welcher ein Permanentmagnet (71, 72) angeordnet ist, mit einem Luftspalt (51) zwischen dem Rotor (40) und dem Stator (50) verbindet.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (50) aus einem ferritischen metallischen Glas besteht.