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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Eisenkerns für eine elektrische Maschine sowie weiterhin einen Eisenkern für eine elektrische Maschine.
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Der Eisenkern ist vorzugsweise einer Spule der elektrischen Maschine zugeordnet. Die elektrische Maschine kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere liegt sie in Form eines Elektromotors oder eines Generators vor. Im Falle des Elektromotors ist sie beispielsweise als Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Der Eisenkern besteht üblicherweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff oder aus einem Ferrit. Er ist entsprechend magnetisierbar. Beispielsweise wird der Eisenkern aus einer Vielzahl von Einzelblechen zusammengesetzt, sodass er in Form eines Blechpakets vorliegt. Eine derartige Herstellung des Eisenkerns ist jedoch vergleichsweise aufwändig.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Eisenkerns für eine elektrische Maschine vorzuschlagen, welches eine flexible, kostengünstige und rasche Herstellung des Eisenkerns ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass der Eisenkern aus mehreren Schichten besteht und aus einem Pulvermaterial schichtweise aufgebaut wird, wobei die Schichten nacheinander und separat voneinander einem Abbinden unterzogen werden.
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Der Eisenkern weist insoweit eine Vielzahl von Schichten auf, welche nacheinander ausgebildet werden. Jede der Schichten wird separat von den anderen der Schichten aus dem Pulvermaterial ausgebildet beziehungsweise aufgebaut. Nach dem Aufbauen beziehungsweise Ausbilden einer ersten der Schichten wird diese zunächst dem Abbinden unterzogen und erst nachfolgend eine zweite der Schichten auf die erste der Schichten aufgebracht und aufgebaut.
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Das Abbinden kann grundsätzlich beliebig erfolgen. Unter dem Abbinden ist ein Befestigen der aufgebauten Schicht zu verstehen, bei welchem das Pulvermaterial fixiert wird. Das Abbinden kann durch eine Materialveränderung des Pulvermaterials selbst erfolgen oder alternativ durch stoffschlüssige Befestigung des Pulvermaterials an einer zuvor aufgebrachten der Schichten vorgenommen werden.
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In anderen Worten ist es vorgesehen, eine Schicht durch Auftragen des Pulvermaterials aufzubauen und die Schicht anschließend abzubinden beziehungsweise dem Abbinden zu unterziehen. Erst anschließend wird auf diese Schicht eine nächste Schicht aufgebracht, nämlich wiederum indem das Pulvermaterial aufgebracht wird. Durch eine Wiederholung dieser Abfolge wird die Vielzahl von Schichten ausgebildet, aus welcher der Eisenkern besteht.
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Besonders bevorzugt werden die Schichten derart aufgebaut, dass der Eisenkern nach dem Abbinden der zuletzt aufgebrachten Schicht bereits seine endgültige Form aufweist. In diesem Fall kann eine aufwändige Nachbearbeitung des Eisenkerns unterbleiben. Selbstverständlich kann jedoch ein derartiges Nacharbeiten vorgesehen sein, beispielsweise ein spanabtragendes Nacharbeiten.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Aufbauen und Abbinden der Schichten automatisch, insbesondere mittels einer geeigneten Einrichtung. Diese kann beispielsweise in Form eines 3D-Druckers vorliegen. In anderen Worten wird das Pulvermaterial mittels des 3D-Druckers schichtweise aufgebracht und auch schichtweise abgebunden, sodass also die Schichten nacheinander und separat voneinander jeweils dem Abbinden unterzogen werden. Der 3D-Drucker wird dabei derart betrieben, dass der Eisenkern nach dem Aufbauen und Abbinden der zuletzt aufgebrachten Schicht bereits seine endgültige Form aufweist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Abbinden ein Auf- und/oder Einbringen von Bindemittel sowie das Aushärten des Bindemittels und/oder ein Wärmebehandeln der jeweiligen Schicht umfasst. Grundsätzlich kann das Pulvermaterial beliebig abgebunden werden, also an der jeweils unmittelbar zuvor aufgebrachten Schicht befestigt werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, das Bindemittel in und/oder auf das Pulvermaterial einzubringen beziehungsweise aufzubringen und nachfolgend auszuhärten. In diesem Fall wird das Pulvermaterial mittels des Bindemittels abgebunden beziehungsweise befestigt.
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Es kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass das Pulvermaterial bereits in dem Bindemittel vorliegt und die Schicht aus dem das Pulvermaterial enthaltenden Bindemittel aufgebaut wird. In diesem Fall liegt das Bindemittel bevorzugt in flüssiger beziehungsweise pastöser Form vor. Das Aushärten des Bindemittels erfolgt beispielsweise durch Wärmebehandeln. Alternativ kann das Pulvermaterial auch allein durch das Wärmebehandeln abgebunden werden. In diesem Fall wird das Pulvermaterial während des Wärmebehandelns auf eine Temperatur gebracht, welche ein Aushärten des Pulvermaterials bewirkt.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Pulvermaterial ein weichmagnetischer Pulverwerkstoff verwendet wird. Dieser kann auch als SMC-Werkstoff (SMC: Soft Magnetic Composite) bezeichnet werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Pulvermaterial ein Kompositmaterial verwendet wird. Das Kompositmaterial kann aus mehreren Materialien bestehen. Beispielsweise weist das Kompositmaterial den weichmagnetischen Pulverwerkstoff sowie zusätzlich das Bindemittel auf. Insoweit enthält das Kompositmaterial bereits ein Bindemittel, welches das Abbinden der Schichten vereinfacht. Das Bindemittel kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen. Beispielsweise wird als Bindemittel ein pulverförmiges Bindemittel verwendet, welches insoweit mit dem Pulverwerkstoff vermischt beziehungsweise vermengt wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Kompositmaterial ein Werkstoff verwendet wird, der wenigstens zwei Materialien mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit aufweist. Wie vorstehend bereits erwähnt, setzt sich das Kompositmaterial insoweit aus unterschiedlichen Materialien zusammen. Diese verfügen über unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit. In anderen Worten weist ein erstes der Materialien eine größere elektrische Leitfähigkeit auf als ein zweites der Materialien. Beispielsweise ist ein erstes der Materialien der weichmagnetische Pulverwerkstoff und ein zweites der Materialien ein Kunststoff und/oder das Bindemittel.
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Bevorzugt ist im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Schichten abwechselnd aus ersten Schichten und zweiten Schichten aufgebaut werden, wobei die ersten Schichten aus dem Pulvermaterial und die zweiten Schichten aus einem von dem Pulvermaterial verschiedenen Zwischenschichtmaterial bestehen. Zumindest die ersten Schichten bestehen insoweit aus dem Pulvermaterial, welches nach dem Aufbauen der jeweiligen Schicht abgebunden wird. Eine derartige Vorgehensweise kann auch für die zweiten der Schichten vorgesehen sein, sodass also zunächst die jeweilige zweite Schicht aus dem Zwischenschichtmaterial aufgebaut wird und anschließend abgebunden wird.
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Das Zwischenschichtmaterial ist bevorzugt ebenfalls ein pulverförmiges Material, sodass es mittels einer identischen Vorgehensweise wie das Pulvermaterial verarbeitet werden kann. Die ersten Schichten und die zweiten Schichten werden insoweit in diesem Fall mittels identischer Arbeitsschritte aufgebaut und abgebunden, wobei jedoch für die ersten Schichten das Pulvermaterial und für die zweiten Schichten das Zwischenschichtmaterial verwendet wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Zwischenschichtmaterial ein Material mit einer von dem Pulvermaterial verschiedenen elektrischen Leitfähigkeit verwendet wird. Grundsätzlich sind das Zwischenschichtmaterial und das Pulvermaterial voneinander verschieden. Beide Materialien können beliebig ausgestaltet sein. So können eines oder beide der Materialien jeweils als Kompositmaterial vorliegen, sich also aus unterschiedlichen Materialien zusammensetzen.
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Bevorzugt verfügt das Zwischenschichtmaterial über eine geringere elektrische Leitfähigkeit als das Pulvermaterial. Beispielsweise dient das Zwischenschichtmaterial als elektrischer Isolator, sodass die aus dem Zwischenschichtmaterial ausgebildete zweite Schicht als Isolierschicht vorliegt. Durch eine Ausgestaltung des Eisenkerns aus den ersten Schichten und den zweiten Schichten, wobei die zweiten Schichten als Isolierschichten ausgestaltet sind, können Wirbelströme innerhalb des Eisenkern während eines Betriebs der elektrischen Maschine deutlich verringert werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Zwischenschichtmaterial ein Isoliermaterial verwendet wird. Auf eine derartige Vorgehensweise wurde vorstehend bereits hingewiesen. Aus dem Isoliermaterial wird insoweit die bereits erwähnte Isolierschicht ausgebildet.
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Schließlich kann im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Aufbauen und Abbinden der Schichten mittels eines 3D-Druckers vorgenommen wird. Auch hierauf wurde bereits hingewiesen. Unter dem 3D-Drucker ist eine Einrichtung zu verstehen, welche den Eisenkern schichtweise aus den Schichten aufbaut. Er arbeitet nach dem Prinzip der additiven Fertigung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Eisenkern für eine elektrische Maschine, hergestellt mittels eines Verfahrens gemäß den vorstehenden Ausführungen. Dabei ist vorgesehen, dass der Eisenkern aus mehreren Schichten besteht und aus einem Pulvermaterial schichtweise aufgebaut ist, wobei die Schichten nacheinander und separat voneinander abgebunden sind.
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Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung des Eisenkerns beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Sowohl der Eisenkern als auch das Verfahren zu seiner Herstellung können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
- Figur eine schematische Darstellung eines Eisenkerns für eine elektrische Maschine.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Eisenkerns 1 für eine elektrische Maschine. Der Eisenkern 1 ist aus einer Vielzahl von Schichten 2 aufgebaut, von welchen hier lediglich einige beispielhaft gekennzeichnet sind. Die Schichten 2 liegen abwechselnd in Form von ersten Schichten 3 und zweiten Schichten 4 vor. Die ersten Schichten 3 bestehen beispielsweise aus einem Pulvermaterial und die zweiten Schichten 4 aus einem Zwischenschichtmaterial. Es kann alternativ jedoch selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass sowohl die ersten Schichten 3 als auch die zweiten Schichten 4 aus demselben Pulvermaterial hergestellt werden.
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Der Eisenkern 1 wird während seiner Herstellung mittels einer geeigneten Einrichtung, beispielsweise einem 3D-Drucker, schichtweise aufgebaut. Nach dem Aufbauen einer der Schichten 2 wird diese zunächst einem Abbinden unterzogen, also beispielsweise mittels einer Wärmebehandlung ausgehärtet, bevor die nächste der Schichten 2 aufgebracht wird. Insoweit wird der Eisenkern 1 aus dem Pulvermaterial schichtweise aufgebaut, wobei die Schichten 2 nacheinander und separat voneinander einem Abbinden unterzogen werden.
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Der Eisenkern 1 kann grundsätzlich eine beliebige Gestaltung aufweisen. Die hier dargestellte Ausführungsform weist insoweit eine rein beispielhafte Geometrie auf.
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Bestehen die Schichten 3 und 4 aus unterschiedlichen Materialien, so ist es bevorzugt vorgesehen, dass die ersten Schichten 3 aus dem Pulvermaterial und die zweiten Schichten 4 aus dem Zwischenschichtmaterial bestehen, wobei das Pulvermaterial und das Zwischenschichtmaterial unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten aufweisen.
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Besonders bevorzugt wird als Zwischenschichtmaterial ein Isoliermaterial verwendet, sodass die zweiten Schichten 4 als Isolierschichten ausgebildet sind. Durch eine derartige Ausgestaltung des Eisenkerns 1 können Wirbelströme innerhalb des Eisenkerns deutlich verringert werden.
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Die Herstellung des Eisenkerns 1 mittels des 3D-Druckers hat zahlreiche Vorteile. So kann der Eisenkern 1 mit beliebiger Geometrie schnell und einfach hergestellt werden, sodass insbesondere die rasche Realisierung von Prototypen gewährleistet ist. Beispielsweise ist es vorgesehen, einen Prototyp des Eisenkerns 1 mittels der erfindungsgemäßen Vorgehensweise auszubilden. In einer Serienausführung kann der Eisenkern 1 hingegen durch Sintern ausgebildet werden, wobei das Pulvermaterial in der gewünschten Form angeordnet und anschließend durch Wärmebehandeln ausgehärtet wird. Bei dem Sintern erfolgt also gerade kein schichtweises Aufbauen des Eisenkerns 1. Vielmehr wird der gesamte Eisenkern 1 zunächst aus dem Pulvermaterial ausgebildet und anschließend ausgehärtet.
