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Die zugrundeliegende Erfindung betrifft die Ablagerung einer elektrisch isolierenden Materialschicht für eine elektrische Rotationsmaschine. Die Erfindung findet bevorzugt jedoch nicht ausschließlich Anwendung im Bereich der Stromgeneratoren für ein Kraftfahrzeug. Ein derartiger Stromgenerator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um kann reversibel sein. Ein reversibler Stromgenerator wird als Anlasser-Stromgenerator bezeichnet und ermöglicht es, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, insbesondere zum Starten des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs. Diese Erfindung kann auch bei einem Elektroantrieb verwendet werden.
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In bekannter Weise umfasst ein Stromgenerator oder Anlasser-Stromgenerator ein Gehäuse und einen darin befindlichen mit einer Welle rotierenden Klauenpolrotor, sowie einen Stator, der den Rotor in Anwesenheit eines Luftspalts umgibt. Das Gehäuse umfasst ein vorderes und ein hinteres Lager, die jeweils zentral ein Kugellager zur drehbaren Lagerung der Welle des Rotors tragen. Das hintere Lager trägt einen Bürstenhalter, der mit Bürsten ausgestattet ist, die zur Reibung an einem Ring eines Kollektors vorgesehen sind, um schleifend an Ringen eines Kollektors anzuliegen, und die Versorgung der Rotorwicklung sicher zu stellen.
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Der Stator umfasst einen Körper in Form eines Stapels aus Metallblechen, die mit Nuten für die Montage der Wicklung des Stators ausgestattet sind. Die Statorwicklung umfasst eine Vielzahl an Phasenspulen, die durch die Nuten des Körpers hindurchgeführt sind und einen vorderen Wickelkopf und einen hinteren Wickelkopf an den beiden Seiten des Körpers des Stators bilden. Die Spulen sind beispielsweise durch einen mit Emaille ummantelten, durchgehenden Draht oder durch stangenförmige leitfähige Elemente, wie Stäbe, gebildet, deren Enden elektrisch mit einander verbunden sind.
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Wenn die Wicklung in den zu diesem Zweck vorgesehenen Freiräumen in dem Körper des aktiven Elements der Maschine (Stator oder Rotor) installiert wird, ist die Wicklung erheblichen Kräften ausgesetzt, die dazu fähig sind, den emaillierten Draht zu beschädigen, indem sich der Emaillemantel partiell ablöst. Derartige Kräfte können insbesondere während des Einlegens der Wicklung in die Nuten des Stators oder bei der Formung der Wickelköpfe beobachtet werden.
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Falls jedoch der die Wicklung ausbildende Draht an einigen Stellen blank liegt, besteht ein Risiko eines Kurzschlusses zwischen der Spulenphase und dem Körper des aktiven Elements, der mit der Masse der Vorrichtung verbunden ist. Um das Vorkommen eines Kurzschließens zu vermeiden, wird ein elektrischer Isolator in Form eines isolierenden Papiers in bekannter Weise zwischen dem emaillierten Draht der Wicklung und dem Körper des entsprechenden aktiven Elements angeordnet. Allerdings verhindert der durch den elektrischen Isolator eingenommene Raum eine maximale Füllrate der Nuten mit Kupfer zur Maximierung der Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine, oder andererseits erfordert es zwingend, die Menge an Eisen im Körper des aktiven Elements zu reduzieren.
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Die Erfindung zielt darauf an, diesen Nachteil wirksam zu überwinden, indem ein Verfahren zur kataphoretischen Abscheidung einer elektrisch isolierenden Materialschicht auf einen Körper eines aktiven Elements einer elektrischen Rotationsmaschine vorgeschlagen wird, das durch gekennzeichnet ist, dass es umfasst:
- – einen Schritt zum Abtragen zumindest eines Teils des besagten Körpers des aktiven Elements,
- – einen Schritt zum Auftragen einer Haftschicht auf zumindest einen Teil des besagten Körpers des aktiven Elements,
- – einen Schritt zur Abscheidung der elektrisch isolierenden Materialschicht durch Elektrolyse auf der besagten Haftschicht, und
- – einen Schritt zum Backen des besagten elektrisch isolierenden Materials.
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Die Erfindung erlaubt es somit die Dicke der auf dem Körper des aktiven Elements abgeschiedenen isolierenden Materialschicht genau einzustellen, so dass eine Abscheidung geringer Dicke erreicht wird. Hierdurch wird der vom isolierenden Material beanspruchte Raum in dem aktiven Element minimiert, was eine Erhöhung der Kupferfüllrate oder der Eisenmenge ermöglicht, um die magnetische Leistungsfähigkeit der Maschine zu verbessern oder bei gleicher Leistung den Bauraum der Maschine zu reduzieren.
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Die Verwendung eines kataphoretischen Verfahrens ermöglicht hier, den Körper des aktiven Elements und die elektrische Wicklung des aktiven Elements mittels einer elektrisch isolierenden Materialschicht elektrisch zu isolieren.
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Die Verwendung der Abscheidung durch Elektrolyse erlaubt die Verwendung eines elektrisch Isolierenden Materials, das zu Beginn in flüssiger Form vorliegt. Dies ermöglicht, dass die Abscheidung der elektrisch isolierenden Materialschicht homogen erfolgt, um eine übermäßige Dicke des Materials, insbesondere in den Ecken des Körpers des aktiven Elements, zu vermeiden.
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Der Schritt des Auftragens der Haftschicht stellt eine höhere Zuverlässigkeit des Verfahrens sicher, indem eine bessere Haftung der elektrisch isolierenden Materialschicht auf dem Körper des aktiven Elements garantiert wird.
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Der Backschritt erlaubt, dass das Material polymerisiert, was ein Aushärten der elektrisch isolierenden Materialschicht ermöglicht, um eine gute Verschleißfestigkeit der Schicht zu gewährleisten.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung beträgt eine Dicke der abgeschiedenen elektrisch isolierenden Materialschicht weniger als 80 μm, bevorzugt kleiner als 50 μm, beispielsweise etwa 25 μm plus oder minus 5 μm. Zum Beispiel ist die Dicke der elektrisch isolierenden Materialschicht 20 μm.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung wird der genannte Abtragungsschritt durch Eintauchen in einen Tank durchgeführt, der eine alkalische Lösung enthält. Dies macht es möglich Beschädigungen des Emaillemantels auf den Leitern der Wicklung in dem Fall zu vermeiden, dass der aus laminierten Stahlblechen bestehende Stator oder Rotor verformt.
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Gemäß einer Ausführungsvariante wird der Schritt zum Auftragen der Haftschicht durch Phosphatierung durchgeführt.
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Gemäß einer Ausführungsvariante wird der Backschritt bei einer Temperatur zwischen 150°C und 200°C durchgeführt.
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Das genannte Verfahren kann einen Spülschritt umfassen, der nach dem Abtragungsschritt, dem Schritt zur Auftragung der Haftschicht und dem entsprechenden Schritt zur Abscheidung durch Elektrolyse durchgeführt wird.
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Gemäß einer Ausführungsvariante wird jeder Spülschritt durch Eintauchen des Körpers des aktiven Elements in einen mit destilliertem, mittels Ultraschall gefiltertem Wasser gefüllten Tank durchgeführt.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst das Verfahren zusätzlich einen Hochdruck-Reinigungsschritt des Körpers des aktiven Elements, der vor dem Schritt zur Auftragung der Haftschicht und entsprechend dem Backschritt durchgeführt wird.
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Gemäß einer Ausführung wird die besagte elektrisch isolierende Materialschicht auf einer gesamten äußeren Oberfläche des Körpers des aktiven Elements abgeschieden.
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Die Erfindung hat auch ein aktives Element einer elektrischen Rotationsmaschine zum Gegenstand, umfassend:
- – einen Körper,
- – eine elektrische Wicklung,
- – eine elektrisch isolierende Materialschicht, die zumindest zwischen dem Köper und der elektrischen Wicklung liegt, um diese voneinander elektrisch zu isolieren, wobei die besagte elektrisch isolierende Materialschicht durch einen Überzug gebildet ist, die sich über den Körper erstreckt, durch ein kataphoretisches Verfahren abgeschieden worden ist und eine Dicke von weniger als 80 μm, bevorzugt weniger als 50 μm, aufweist.
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Die Erfindung erlaubt es somit, die Dicke der auf dem Körper des aktiven Elements abgeschiedenen isolierenden Materialschicht genau einzustellen, so dass eine Abscheidung geringer Dicke erreicht wird. Dadurch wird der vom Isolator im aktiven Element eingenommene Raum minimiert, was eine Erhöhung der Kupferfüllrate oder der Eisenmenge ermöglicht, um die magnetische Leistungsfähigkeit der Maschine zu verbessern oder bei gleicher Leistung den Bauraum der Maschine zu reduzieren.
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Diese Beschichtung hat zudem den Vorteil, eine gegenüber Papier bessere Verschleißfestigkeit zu haben und einen Schmiereffekt bereitzustellen, der eine Beschädigung der Emaille der elektrischen Wicklungen beim Einführen in den Körper des aktiven Elements verhindert.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Dicke der elektrisch isolierenden Materialschicht etwa 25 μm plus oder minus 5 μm. Zum Beispiel ist die Dicke der elektrisch isolierenden Materialschicht 20 μm.
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Gemäß einer Ausführungsvariante besteht die elektrisch isolierende Materialschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, das ein kationischen Bindemittel und eine Pigmentpaste umfasst, die mineralische, mit einem kationischen Harz beschichtete Füllstoffe beinhaltet.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist ein Reibungskoeffizient der elektrisch isolierenden Materialschicht kleiner als 0,43 ist. Dies ermöglicht ein erleichtertes Einführen der Leiter in die Nuten des Stators oder des Rotors der elektrischen Maschine.
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Gemäß einer Ausführungsvariante liegt die elektrisch isolierende Materialschicht auf einer gesamten äußeren Oberfläche des Körpers des aktiven Elements vor.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist das aktive Element ein Rotor oder ein Stator einer elektrischen Rotationsmaschine ist.
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Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Rotationsmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die besagte Maschine zumindest ein aktives Element wie zuvor beschrieben, aufweist. Die elektrische Rotationsmaschine kann beispielsweise ein Stromgenerator oder ein Anlasser-Stromgenerator sein oder wieder eine reversible Maschine.
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Die Erfindung lässt sich besser durch Lesen der folgenden Beschreibung und durch Untersuchung der diese begleitenden Figuren verstehen. Diese Figuren sind nur als rein veranschaulichende, und in keinem Fall einschränkenden Grundlage der Erfindung gegeben.
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1 ist ein Längsschnitt durch eine elektrische Rotationsmaschine gemäß der Erfindung.
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2 zeigt eine Draufsicht eines Statorkörpers, der mit einer elektrisch isolierenden Materialschicht gemäß der Erfindung überzogen ist.
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3a und 3b sind perspektivische Darstellungen eines Polrades aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln, das mit einer elektrisch isolierenden Materialschicht gemäß der Erfindung überzogen ist.
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4 ist ein Diagramm der Verfahrensschritte zur Abscheidung einer elektrisch isolierenden Materialschicht gemäß der Erfindung.
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5 ist eine schematische Darstellung der verschiedenen Verfahrensschritte gemäß der Erfindung.
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Identische, ähnliche oder entsprechende Komponenten behalten von einer Figur zur nächsten dasselbe Bezugszeichen.
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1 zeigt einen kompakten multiphasigen Stromgenerator 10, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der in der Lage ist, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und der reversibel ist. Ein reversibler Stromgenerator, bekannt als Anlasser-Stromgenerator, ermöglicht es, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, um insbesondere den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu starten.
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Dieser Stromgenerator 10 umfasst ein Gehäuse 11 und einen darin befindlichen auf einer Welle 13 befestigten Klauenpolrotor 12, sowie einen Stator 16, der den Rotor 12 in Anwesenheit eines Luftspalts 17 zwischen dem Außenumfang des Rotors 12 und dem Innenumfang des Stators 16 umgibt.
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Wie in dem Beispiel in 2 erkennbar ist, umfasst der Stator 16 mit der Achse X, die der Drehachse der Maschine entspricht, einen Körper 19, der aus einem axialen Stapel laminierter Stahlblechen besteht. Beispielsweise weist der Körper 19 Zähne 18 auf, die in gleichen Winkelabständen am Innenumfang eines Jochs 22 verteilt sind. Diese Zähne 18 begrenzen Nuten 23 derart, dass jede Nut 23 von zwei aufeinanderfolgenden Zähnen 18 begrenzt ist. Das Joch 22 entspricht hier dem gesamten äußeren ringförmigen Abschnitt, der sich zwischen dem Grund der Nuten 23 und dem Außenumfang des Statorkörpers erstreckt.
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Die Nuten 23 öffnen sich an den axialen Stirnseiten des Körpers 19. Die Nuten 23 sind ferner in radialer Richtung zum Inneren des Körpers 19 hin offen.
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Phasenspulen liegen in den Nuten 23 ein, um eine Wicklung 26 zu bilden, die einen vorderen Wickelkopf 20 und einen hinteren Wickelkopf 21 an den beiden Seiten des Körpers 19 hat. Die Phasenspulen werden beispielsweise durch die Verwendung eines durchgängigen Drahts, der mit Emaille ummantelt ist, oder durch die Verwendung stangenförmiger leitender Elemente, wie Stäbe, erhalten, die beispielsweise mittels Schweißen elektrisch miteinander verbunden sind. Diese Spulen sind beispielsweise im Dreieck oder Stern verschaltete dreiphasige Spulen, deren Ausgänge mit zumindest einer Gleichrichterbrücke verbunden sind, die gleichrichtende Elemente wie Dioden oder Transistoren vom Typ MOSFET aufweist.
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Der Rotor 12 umfasst einen Körper 27, der aus zwei Polrädern 24, 25 gebildet ist, die in den 3a und 3b deutlich zu sehen sind. Jedes Polrad 24, 25 hat einen quer orientierten Flansch 28, der am Außenumfang mit Klauen 29 versehen ist, die beispielsweise trapezförmig axial orientiert sind. Die Klauen 29 eines Rades 24, 25 sind axial zum Flansch des anderen Rades gerichtet. Jede Klaue 29 eines Polrades 24, 25 durchdringt den Raum, der zwischen zwei benachbarten Klauen 29 des anderen Polrads existiert, so dass die Klauen 29 der Polräder 24, 25 ineinander geschachtelt sind.
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Ein zylindrischer Kern 30 ist axial zwischen den Flanschen 28 der Räder 24, 25 eingefügt. In diesem Fall besteht der Kern 30 aus zwei Halb-Kernen, die jeweils zu einem der Flansche 28 gehören. Dieser Kern 30 trägt auf seinem Außenumfang eine Erregerwicklung 31.
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Die Welle 13 kann kraftschlüssig in der zentralen Bohrung der Polräder 24, 25 befestigt sein. Seitens ihres Vorderendes kann die Welle 13 einen Gewindeabschnitt zur Befestigung einer Riemenscheibe 57 aufweisen. Die Riemenscheibe 57 gehört zu einem bewegungsübertragenden Gerät zwischen dem Stromgenerator 10 und dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs.
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Zusätzlich weist das Gehäuse 11 ein vorderes und ein hinteres Lager 36, die miteinander verbunden sind. Die Lager 35, 36 sind in ihrer Form hohl und tragen jeweils zentral ein Kugellager 37, 38 zur drehbaren Lagerung der Welle 16 des Rotors. Das hintere Lager 36 trägt einen Bürstenhalter 40, der mit Bürsten 41 ausgestattet ist, die ausgebildet sind, an Ringen 41 eines Kollektors 45 zu schleifen, um die Versorgung der Wicklung des Rotors 12 sicherzustellen.
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 besitzt die elektrische Rotationsmaschine eine Schicht 59 aus elektrisch isolierendem Material, die auf einem Körper eines aktiven Elements 48 der elektrischen Maschine ausgebildet ist.
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Dieser aktive Elementkörper 48 kann beispielsweise durch den Statorkörper 19 oder den Rotorkörper 27 gebildet sein. Die Schicht 59 bildet einen elektrisch isolierenden Überzug, der zumindest zwischen dem Körpern 19, 27 und der elektrischen Wicklung 26, 31 angeordnet ist, um diese elektrisch voneinander zu isolieren. Die Schicht 59 erstreckt sich zumindest über denjenigen Teil des Körpers 19, 27, der der entsprechenden Wicklungen 26, 31 gegenüberliegt.
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Die Schicht 59 hat eine Dicke von weniger als 80 μm, bevorzugt weniger als 50 μm. Die Dicke liegt typischerweise in der Größenordnung von 25 μm plus oder minus 5 μm. Beispielsweise hat die Schicht 59 eine Dicke von 20 μm.
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Vorzugsweise ist ein Reibungskoeffizient der Schicht 59 kleiner als 0,43.
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Bezugnehmend auf 1–3 wird das Verfahren zur kataphoretischen Abscheidung der Schicht 59 elektrisch isolierenden Materials auf ein aktives Element 48 der elektrischen Maschine im Folgenden beschrieben. Der beschriebene Prozess kann gleichzeitig auf eine Vielzahl aktiver Elemente 48 angewendet werden, die von einem beweglich montierten Aufhänger 50 herabhängen, der einer Schiene 51 folgt, um von einer Station zur anderen überzugehen (siehe 5).
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Konkret umfasst das Verfahren einen ersten Schritt 101 zur Abtragung des Körpers des aktiven Elements 48. Dieser Abtragungsschritt 101 wird ausgeführt, indem der Körper des aktiven Elements 48 in einen Tank 53 mit einer vorzugsweise alkalischen Lösung getaucht wird. Dies ermöglicht die Verhinderung einer Beschädigung des Emaillemantels auf den Leitern der Wicklung im Falle einer nachfolgenden Verformung des aus laminierten Stahlblechen bestehenden Stator-Körpers 19 oder Rotor-Körpers 27.
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Die abgetragenen aktiven Elemente 48 werden anschließend in einem Schritt 102 abgespült, beispielsweise durch Eintauchen in einen Tank 54 mit destilliertem, ultraschall-gefilterten Wasser. Alle im Folgenden beschriebenen Spülschritte können nach diesem Prinzip durchgeführt werden.
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Während eines Schritts 103 durchlaufen die Teile eine Hochdruckreinigung, beispielsweise durch Bestrahlung mit einem Fluid 55, wie z. B. Luft oder Wasser, mit einem Druck im Bereich von 10 bar bis 15 bar.
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Während eines Schritts 104 wird eine Haftschicht 56 beispielweise durch Phosphatierung aufgetragen. Diese Haftschicht 56 zielt auf eine Erhöhung der Haftung der elektrisch isolierenden Schicht 59 auf der äußeren Oberfläche des Körpers des aktiven Elements 48 ab. Die Haftschicht 56 kann auf Basis einer Ferronickel- oder einer Ferromangan-Legierung verwirklicht sein.
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Anschließend kommt ein Schritt 105 zu Abspülung der Haftschicht 56.
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Während des Schritts 106 wird die Abscheidung mit einer elektrisch isolierenden Materialschicht 59 durch Elektrolyse durchgeführt. Für diesen Zweck wird ein elektrischer Strom durch den Körper des aktiven Elements 48 geleitet, der sich in einem Tank 60 mit Wasser-basierter Farbe getaucht ist, so dass die Farbpartikel an der äußeren Oberfläche des Körpers des aktiven Elements 48 anhaften. Beispielsweise ist der Strom derart, dass die Stromdichte in dem Tank zwischen etwa 0,2 mA/cm2 bis 5 mA/cm2 liegt.
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Die verwendete Farbe ist beispielsweise ein Material, das auf einem kationischen Bindemittel und einer Pigmentpaste enthaltend mineralische Füllstoffe, welche mit einem kationischen Harz beispielsweise Epoxidharz umhüllt sind, basiert. Die Farbe kann ferner organische Lösungsmittel und demineralisiertes Wasser aufweisen. Die Menge organischen Lösungsmittels in der Farbe ist generell kleiner als 5%.
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Ein solches Verfahren erlaubt eine genaue Einstellung der Dicke der auf dem Körper des aktiven Elements 48 abgeschiedenen isolierenden Schicht 59, so dass die Abscheidung einer geringen Dicke erreicht wird. Tatsächlich ist die Dicke der abgeschiedenen isolierenden Schicht 59 kleiner als 80 μm, bevorzugt kleiner als 50 μm. Vorzugsweise ist für die Dicke der isolierenden Schicht 59 etwa 25 μm plus oder minus 5 μm. Zum Beispiel hat die Schicht 59 eine Dicke von 20 μm.
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Anschließend kommt ein Spülschritt 107 und ein Hochdruckreinigungsschritt 108.
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Die Körper der aktiven Elemente 48 werden in einem Backschritt 109 in einen Ofen 63 verbracht, um das Verbacken der elektrisch isolierenden Materialschicht 59 zu gewährleisten.
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Der Backschritt 109 wird bei einer Temperatur zwischen 150°C und 200°C, beispielsweise bei 180°C, durchgeführt. Die Dauer des Backens kann beispielsweise 20 bis 90 Minuten für 15 bis 80 μm im Falle eines Harzes wie beispielsweise vom Epoxid Typ.
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Am Ende von Schritt 109, bei dem es durch den Ofen geht, wird ein aktiver Elementkörper 48, dessen gesamte äußere Oberfläche homogen mit der isolierenden Schicht 59 überzogen ist, erhalten. Somit ist beim Stator 16 die gesamte äußere Oberfläche des Jochs 22, der Zähne 18 und der entsprechenden Nuten 23 mit der isolierenden Schicht 59 überzogen, was in 2 durch kleine Punkte angedeutet ist. Beim Rotor 12 ist die gesamte äußere Oberfläche der Flansche 28, der Klauen 29 und des Kerns 30 mit einer isolierenden Schicht 59 überzogen, die durch kleine Punkte in den 3a und 3b angedeutet ist.
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In einer alternativen Ausführungsvariante erfolgt das kataphoretische Abscheidungsverfahren nur auf einem Teil des Körpers des aktiven Elements 48. Somit hat nur ein Teil des Körpers des aktiven Elements 48 eine elektrisch isolierende Materialschicht. Dies ist vorzugsweise derjenige Teil des Körpers, der der elektrischen Wicklung des aktiven Elements 48 zugewandt ist. Bei dem Stator 16 betrifft dies beispielsweise die Nuten 23 und bei dem beim Rotor 12 betrifft das den Kern 30 sowie die inneren Oberflächen der Klauen 29 und Flansche 28.
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Die vorliegende Erfindung findet insbesondere auf dem Gebiet der Rotoren und Statoren für Stromgeneratoren, Anlasser-Stromgeneratoren und reversiblen Maschinen eines Kraftfahrzeugen Anwendung. Insbesondere findet die Erfindung bei elektrischen Rotationsmaschinen mit sehr geringer Spannung, beispielsweise weniger als 100 V Anwendung. Dennoch kann die vorliegende Erfindung auch für beliebige Arten von Rotationsmaschinen eingesetzt werden.
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Selbstverständlich ist die vorherige Beschreibung nur beispielhaft gegeben und beschränkt den Schutzbereich der Erfindung nicht, von dem es auch keine Abweichung wäre, wenn die verschiedenen Elemente durch Äquivalente ersetzt werden.
