DE102017208719A1

DE102017208719A1 - Weichmagnetisches Blechpaket und Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Blechpakets für einen Stator und/oder Rotor einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102017208719A1
Application number: DE102017208719.6A
Authority: DE
Inventors: Niklas VOLBERS
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2017-11-30
Also published as: US10742077B2; US20170346351A1; GB201708241D0; GB201609085D0; GB2553873A; GB2550593A; GB2553873B

Abstract

Bereitgestellt wird ein weichmagnetisches Blechpaket, das erste Bleche und zweite Bleche, die in einem Stapel mit einer Stapelrichtung angeordnet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptoberfläche der ersten Bleche und der zweiten Bleche verläuft. Die ersten Bleche weisen eine erste weichmagnetische Legierung auf und die zweiten Bleche weisen eine zweite weichmagnetische Legierung auf, die sich von der ersten weichmagnetischen Legierung unterscheidet. Die ersten Bleche und die zweiten Bleche sind im ganzen Stapel in der Stapelrichtung verteilt. die ersten Bleche und/oder die zweiten Bleche weisen eine Isolierbeschichtung auf, die bis zu mindestens 850°C hitzebeständig ist.

Description

Der Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine, wie z.B. eines Motors oder Generators, wird im typischen Fall aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestellt. Der weichmagnetische Werkstoff kann in der Form von Blechen (laminations) vorliegen, die aus einer weichmagnetischen Legierung ausgeschnitten und zur Bildung eines Blechpakets (laminated core) aufeinander gestapelt werden. In Betrieb wird in einer elektrischen Maschine der magnetische Fluss im weichmagnetischen Werkstoff des Stators oder Rotors getragen. Allgemein gesagt: je höher die Flussdichte im Werkstoff bei einer gegebenen Feldstärke ist, desto weniger Werkstoff wird benötigt und desto höher ist das erreichbare Drehmoment. Die Größe des Blechpakets kann daher verringert werden, wenn der vom weichmagnetischen Kernwerkstoff getragene magnetische Fluss stark ist. Eine höhere Flussdichte kann jedoch zu erhöhten Eisenverlusten führen, die den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine beeinträchtigen können. Diese Verluste können dadurch verringert werden, dass man die Dicke der Bleche reduziert und/oder zum Beispiel einen geeigneten weichmagnetischen Werkstoff wählt.
GB 2 484 568 A offenbart einen Elektromotor, bei dem der Stator und/oder Rotor ein weichmagnetisches Blechpaket hat, der aus Blechen der folgenden Gewichtzusammensetzung hergestellt wird: 35–50% Nickel, 0–2% Kobalt, 0–1% Mangan, 0–0,5% Silizium und mindestens 0,5–8% Chrom oder 0,5–8% Molybdän, wobei die Summe von Mo + Cr im Bereich von 0,5–8% liegt, und der Rest Eisen und Verunreinigungen ist. Diese Zusammensetzung der weichmagnetischen Legierung hat einen hohen elektrischen Widerstand und eine geringe Koerzitivfeldstärke, was bei einem Blechpaket aus Blechen dieser Zusammensetzung zu geringeren Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverlusten führt.
Weitere Verbesserungen an weichmagnetischen Blechpaketen sind jedoch wünschenswert.
Gemäß der Erfindung wird ein weichmagnetisches Blechpaket bereitgestellt, der erste Bleche und zweite Bleche umfasst, die in einem Stapel mit einer Stapelrichtung angeordnet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptoberfläche der ersten Bleche und der zweiten Bleche verläuft. Die ersten Bleche bestehen aus einer ersten weichmagnetischen Legierung, und die zweiten Bleche bestehen aus einer zweiten weichmagnetischen Legierung, die sich von der ersten weichmagnetischen Legierung unterscheidet. Die ersten Bleche und die zweiten Bleche sind im ganzen Stapel in der Stapelrichtung verteilt. Die ersten Bleche und/oder die zweiten Bleche weisen eine Isolierbeschichtung auf. Die Isolierbeschichtung ist bis zu mindestens 850°C hitzebeständig.
Anstelle des Blechpakets aus Blechen einer einzigen Zusammensetzung kommen Bleche mit zwei verschiedenen Zusammensetzungen zur Anwendung. Bereitgestellt werden eine Vielzahl der ersten Bleche und eine Vielzahl der zweiten Bleche, die im ganzen Stapel und im ganzen Blechpaket verteilt sind. Das Blechpaket hat Eigenschaften, die von den Eigenschaften der beiden verschiedenen weichmagnetischen Legierungen beeinflusst werden. Wenn zum Beispiel die Anzahl und die Dicke der ersten Bleche der Anzahl und der Dicke der zweiten Bleche gleich ist, enthält das Blechpaket 50% der ersten weichmagnetischen Legierung und 50% der zweiten weichmagnetischen Legierung. Die Eigenschaften des Blechpakets können ungefähr ein Mittel der ersten weichmagnetischen Legierung und der zweiten weichmagnetischen Legierung sein. Diese Eigenschaften können zum Beispiel weichmagnetische Eigenschaften, mechanische Festigkeit und/oder Eisenverluste umfassen. Durch die Verteilung der ersten und zweiten Bleche im ganzen Blechpaket wird eine Mittelung der betreffenden Eigenschaften im ganzen Blechpaket erzielt.
Die weichmagnetischen Eigenschaften des Blechpakets können zum Beispiel einer spezifischen Anwendung angepasst werden, indem entsprechende Anzahlen von Blechen aus zwei verschiedenen weichmagnetischen Legierungen zur Schaffung eines Zwischenwerts der weichmagnetischen Eigenschaft(en) ausgewählt werden, anstatt die Zusammensetzung der alle Bleche des Blechpakets umfassenden weichmagnetischen Legierung zu ändern. Das ermöglicht den Einsatz einer leicht erhältlichen Legierung, die jedoch an sich allein die für das Blechpaket gewünschte Eigenschaft oder Kombination von Eigenschaften nicht aufweist. Die Eigenschaften eines Blechpakets können zum Beispiel durch den Einsatz von Werkstoffen, die an sich allein nicht die Kriterien einer spezifischen Anwendung erfüllen, den Kriterien einer spezifischen Anwendung angepasst werden.
Ein Blech ist auch als eine Folie oder eine Platte (sheet) zu betrachten, dessen Seitenfläche wesentlich größer ist als seine Dicke. Diese Seitenfläche stellt die Hauptoberfläche dar.
Bei einer Ausführungsform sind die ersten Bleche und die zweiten Bleche in der Stapelrichtung gleichmäßig durch den ganzen Stapel verteilt. Diese Anordnung kann eine gleichmäßige Verteilung oder Mittelung der Eigenschaften der ersten weichmagnetische Legierung und der zweiten weichmagnetischen Legierung im ganzen Stapel und im ganzen Blechpaket ergeben.
Bei einer Ausführungsform sind die ersten Bleche und die zweiten Bleche in einem Muster angeordnet, und das Muster wiederholt sich in der Stapelrichtung durch den ganzen Stapel. Das Muster kann zum Beispiel als BAAAB bezeichnet werden und wiederholt sich als BAAABBAAAB. Bei einer Ausführungsform wechseln sich die ersten Bleche und die zweiten Bleche im Stapel ab, d.h. ABABAB; in diesem Fall ist das Muster AB.
Die erste weichmagnetische Legierung und die zweite weichmagnetische Legierung können verschiedenen Legierungsklassen angehören oder innerhalb einer Legierungsklasse unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Bei einer Ausführungsform können die erste weichmagnetische Legierung und die zweite weichmagnetische Legierung zu unterschiedlichen Legierungsklassen gehören, und die ersten Bleche können aus einer auf FeSi basierenden Legierung bestehen bzw. eine FeSi-Basierten Legierung aufweisen, während die zweiten Bleche aus einer auf CoFe basierenden Legierung bestehen bzw. eine CoFe-basierten Legierung aufweisen.
Auf FeSi basierende Legierungen, zum Beispiel mit 2 bis 4,5 Gewichts-% Si, haben im typischen Fall geringere Rohmaterialkosten als auf CoFe basierende Legierungen. Die Induktion von auf FeSi basierenden Legierungen bei typischen Feldstärken in Motoranwendungen ist jedoch geringer als die von auf CoFe basierenden Legierungen, zum Beispiel nur bis zu 1,5 T bis 1,8 T bei 10000 A/m für auf FeSi basierende Legierungen mit 3 Gewichts-% Si, im Gegensatz zu einem Wert von 2,3 T, der von einer auf CoFe basierenden Legierung wie z.B. 40 Gewichts-% Co, 49 Gewichts-% Fe und 2 Gewichts-% V erreicht werden kann. Durch den Einsatz einer Mischung von Blechpaketen aus einer auf FeSi basierenden Legierung oder einer auf CoFe basierenden Legierung im Stapel kann für die Induktion B des Blechpakets ein Wert bereitgestellt werden, der zwischen den Werten der beiden Werkstoffe liegt und daher höher ist als die 1,5 T bis 1,8 T der auf FeSi basierenden Legierungen, und zwar in Verbindung mit Werkstoffkosten, die geringer sind als bei einem Kern aus Blechen aus einer auf CoFe basierenden Legierung.
Bei einer bestimmten Blechdicke sind die Verluste eines Blechpakets aus Blechen aus auf FeSi basierenden Legierungen größer als die eines Blechpakets aus Blechen aus auf CoFe basierenden Legierungen. Durch den Einsatz einer Mischung aus Blechen aus auf FeSi basierenden Legierungen und Blechen aus auf CoFe basierenden Legierungen in einem Blechpaket können daher Verluste erzielt werden, die geringer sind als die eines Blechpakets aus Blechen aus auf FeSi basierenden Legierungen allein, und zwar mit Rohmaterialkosten, die diejenigen eines Blechpakets aus Blechen aus auf CoFe basierenden Legierungen allein unterschreiten. Eine Mischung aus Blechen aus auf FeSi basierenden Legierungen und 50% Blechen aus auf CoFe basierenden Legierungen in einem Blechpaket ermöglicht verbesserte Induktionswerte und geringere Verluste im Vergleich mit einem Blechpaket aus 17% Blechen aus auf CoFe basierenden Legierungen allein, und zwar mit Rohmaterialkosten, die ungefähr denjenigen eines Blechpakets aus 17% Blechen aus auf CoFe basierenden Legierungen allein gleich sind.
Die ersten Blech können eine auf FeSi basierende Legierung enthalten, die insgesamt Si und Al im Bereich von 2 bis 4,5 Gewichts-% aufweist, während der Rest Fe ist. Eine auf FeSi basierende Legierung kann zum Beispiel rund 2,7 Gewichts-% Si und kein Al, 2,4 Gewichts-% Si und 0,5 Gewichts-% Al oder 2,6 Gewichts-% Si und 1,2 Gewichts-% Al enthalten, während der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Die zweiten Bleche können eine auf CoFe basierenden Legierung enthalten, wobei es sich um eine der folgenden Legierungen halten kann:
35 bis 55 Gewichts-% Co, bis zu 2,5 Gewichts-% V, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, zum Beispiel 49 Gewichts-% Co, 49 Gewichts-% Fe und 2 Gewichts-% V.
45 Gewichts-% ≤ Co ≤ 52 Gewichts-%, 45 Gewichts-% ≤ Fe ≤ 52 Gewichts-%, 0,5 Gewichts-% ≤ V ≤ 2,5 Gewichts-% und unvermeidbare Verunreinigungen.
35 Gewichts-% ≤ Co ≤ 55 Gewichts-%, vorzugsweise 45 Gewichts-% ≤ Co ≤ 52 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Ni ≤ 0,5 Gewichts-%, 0,5 Gewichts-% ≤ V ≤ 2,5 Gewichts-%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
35 Gewichts-% ≤ Co ≤ 55 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ V ≤ 2,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ (Ta + 2NB) ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Zr ≤ 1,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Ni ≤ 5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ C ≤ 0,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Cr ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Mn ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Si ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Al ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ B ≤ 0,01 Gewichts-%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
47 Gewichts-% ≤ Co ≤ 50 Gewichts-%, 1 Gewichts-% ≤ V ≤ 3 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Ni ≤ 0,25 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ C ≤ 0,007 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Mn ≤ 0,1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Si ≤ 0,1 Gewichts-%, 0,07 Gewichts-% ≤ Nb ≤ 0,125 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Zr ≤ 0,5 Gewichts-%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, oder
49 Gewichts-% ≤ Co ≤ 51 Gewichts-%, 0,8 Gewichts-% ≤ V ≤ 1,8 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Ni ≤ 0,5 Gewichts-%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Geeignete auf CoFe basierende Legierungen sind unter den Markenbezeichnungen VACOFLUX 50, VACOFLUX 48, VACODUR 49, VACODUR 50, VACODUR 5 Plus, Rotelloy, Hiperco, Permendur, AFK und 1J22 erhältlich.
Unvermeidbare oder zufällige Verunreinigungen können in Mengen bis zu 0,3 Gewichts-% vorliegen und eines oder mehrere der Elemente aus der Gruppe C, O, N, S, P, Ce, Si, Mn, Mg, Be, Cu, Mo und W enthalten.
Die ersten Bleche und die zweiten Bleche können die selbe Dicke oder unterschiedliche Dicken aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen stellen die ersten Bleche ein erstes Volumen V₁ der ersten weichmagnetischen Legierung bereit, und die zweiten Bleche stellen ein zweites Volumen V₂ der zweiten weichmagnetischen Legierung im Blechpaket bereit, wobei V₁ + V₂ = V_total und V_total das Gesamtvolumen des weichmagnetischen Werkstoffs des Blechpakets bildet.
Eine Anzahl und/oder eine Dicke der ersten Bleche kann zur Bereitstellung des ersten Volumens V₁ der ersten weichmagnetischen Legierung im Blechpaket ausgewählt werden. Auf gleiche Weise kann eine Anzahl und/oder eine Dicke der zweiten Bleche zur Bereitstellung des zweiten Volumens V₂ der zweiten weichmagnetischen Legierung im Blechpaket ausgewählt werden.
Bei einer Ausführungsform hat das Blechpaket eine Sättigungspolarisation Js ≥ 2,0 T und/oder eine Induktion B (300 A/m) ≥ 1,5 T und/oder eine Induktion B (1000 A/m) ≥ 1,7 T und/oder eine Induktion B (2500 A/m) ≥ 1,8 T und/oder Eisenverluste bei 1,5 T und 50 Hz unter 2,0 W/kg für eine Blechdicke von 0,35 mm und/oder Eisenverluste bei 2,0 T und 400 Hz unter 80 W/kg für eine Blechdicke von 0,35 mm.
Bei einigen Ausführungsformen ist auf einigen oder allen ersten Bleche und der zweiten Blechen eine Isolierbeschichtung vorgesehen. Bei einigen Ausführungsformen haben zum Beispiel die ersten Bleche eine Isolierbeschichtung, während die zweiten Bleche keine Isolierbeschichtung aufweisen, oder die zweiten Bleche haben eine Isolierbeschichtung, während die ersten Bleche keine Isolierbeschichtung aufweisen. Diese Ausführungsformen können zum Beispiel mit einem ABAB-Stapelmuster zur Anwendung kommen, da zwischen allen aneinander angrenzenden Lagen, d.h. AB, des Stapels eine Isolierschicht angeordnet ist, wenn nur einer der Blechsätze beschichtet ist.
Bei einigen Ausführungsformen können sowohl die ersten Bleche als auch die zweiten Bleche eine Isolierbeschichtung aufweisen. Die Isolierbeschichtung auf den ersten Blechen und die Isolierbeschichtung auf den zweiten Blechen können die gleiche Zusammensetzung oder unterschiedliche Zusammensetzungen haben.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Isolierbeschichtung nur auf einer der Hauptoberflächen der ersten Bleche und/oder der zweiten Bleche vorgesehen sein.
Die Isolierbeschichtung kann bis zu Temperaturen von mindestens 850°C hitzebeständig sein. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, wenn das Blechpaket nach dem Stapeln wärmebehandelt werden soll. Die Isolierbeschichtung kann insbesondere unter beim Glühen des gestapelten Blechpakets anfallenden Bedingungen bis zu Temperaturen von mindestens 850°C hitzebeständig sein. Die Isolierbeschichtung kann zum Beispiel in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre oder in einer Inertatmosphäre wie z.B. einer Argonatmosphäre bis zu Temperaturen von mindestens 850°C hitzebeständig sein und auch während oder nach einer 2 bis 10 Stunden dauernden Wärmebehandlung bei 700°C bis 880°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre hitzebeständig bleiben.
Gemäß der Erfindung hat mindestens eines der Bleche eine Isolierbeschichtung, die bei Temperaturen von mindestens 850°C, insbesondere bei Temperaturen von mindestens 850°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre, hitzebeständig ist. Die Isolierbeschichtung kann auch bei Temperaturen über 850°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre hitzebeständig sein. Die Isolierbeschichtung kann sich aber auch bei Temperaturen über 850°C, zum Beispiel über 1000°C oder 1200°C, in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre auflösen und dennoch die Anforderungen der Erfindung erfüllen, da sie bei 850°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre hitzebeständig ist.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Hitzebeständigkeit von der Atmosphäre, in der die Isolierbeschichtung wärmebehandelt wird, abhängen. Die Isolierbeschichtung kann zum Beispiel bei 850°C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, z.B. Luft, ihre Hitzebeständigkeit verlieren und sich auflösen und bei 850°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre und/oder in einer Inertatmosphäre wie z.B. einer Argonatmosphäre hitzebeständig bleiben.
Die Eignung einer Isolierbeschichtung kann durch Sichtkontrolle der Beschichtung nach der Wärmebehandlung ermittelt werden, zum Beispiel zur Feststellung, ob die Beschichtung durchgehend ist. Eine durchgehende Beschichtung ergibt nützlicherweise eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen unmittelbar benachbarten Blechen im Kern. Bei einigen Ausführungsformen kann die Beschichtung nach der Wärmebehandlung eine Dicke von mehr als 0,1 µm haben, um eine geeignete Isolierwirkung zwischen benachbarten Blechen des Stapels bereitzustellen. Das Vorliegen einer sehr dünnen Beschichtung kann visuell erkannt werden und mittels optischen Interferenzverfahren ermittelt werden.
Der Begriff "hitzebeständig" bezieht sich im vorliegenden Fall auf eine Isolierbeschichtung, die gemäß der Norm DIN EN ISO 2409:2013-06 ausreichend am Blech anhaftet. Diese Norm definiert eine Prüfung, bei der ein Klebestreifen an einer Beschichtung angebracht und dann abgezogen wird. Wenn die Beschichtung schlecht am darunter liegenden Substrat, z.B. am Blech, haftet, kleben Teile der Beschichtung an der Klebefläche des abgezogenen Klebestreifens und werden vom darunter liegenden Substrat entfernt.
Die Isolierbeschichtung kann auf anorganischen Stoffen, zum Beispiel Oxiden, basieren. Das die Isolierbeschichtung bildende Material kann auch organische Bestandteile enthalten, wenn es auf die ersten und/oder die zweiten Bleche aufgetragen wird. Wenn die Isolierbeschichtung nach dem Auftragen wärmebehandelt wird, werden einige oder alle der organischen Bestandteile entfernt.
Bei einigen Ausführungsformen besteht die Isolierbeschichtung auf den ersten Blechen und/oder auf den zweiten Blechen aus einer anorganischen Beschichtung. Bei einer Ausführungsform umfassen die ersten Bleche eine auf FeSi basierende Legierung und eine anorganische Beschichtung. Die anorganische Beschichtung kann organische Bestandteile und organische Haftvermittler enthalten. Beispiele für derartige Beschichtungen werden unter den Markenbezeichnungen STABOLIT 20, STABOLIT 30 und STABOLIT 60 von Thyssenkrupp Stahl Europa AG, Bochum, Deutschland verkauft.
Bei einigen Ausführungsformen besteht die Isolierbeschichtung auf den ersten Blechen und/oder auf den zweiten Blechen aus einer Mg-, zum Beispiel Magnesiumoxid, enthaltenden dielektrischen Beschichtung.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine Beschichtung in der Form einer Mg-Methylat-Lösung auf die ersten Bleche und/oder auf die zweiten Bleche aufgetragen. Beim Trocknen wird die Mg-Methylat-Lösung in Magnesiumhydroxid und dann in Magnesiumoxid umgesetzt. Nach der Wärmebehandlung enthält die Beschichtung nur Magnesiumoxid. Eine derartige Beschichtung wird hier als DL1 bezeichnet.
Bei einer Ausführungsform umfasst das zweite Blech eine auf CoFe basierende Legierung und eine Mg, zum Beispiel Magnesiumoxid, enthaltende dielektrische Beschichtung. Zur Herstellung einer derartigen Beschichtung kann das Legierungsband mit einer magnesiummethylathaltigen Lösung beschichtet werden. Nach dem Glühen wird diese Beschichtung in Magnesiumoxid umgesetzt.
Eine Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid enthaltende dielektrische Beschichtung kann ebenfalls verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine Beschichtung in der Form einer Zr-Propylatlösung auf die ersten Bleche und/oder auf die zweiten Bleche aufgetragen; diese wird beim Trocknen nach der Wärmebehandlung in Zirkonium umgesetzt. Eine derartige Beschichtung wird hier als HITCOAT bezeichnet. Eine HITCOAT-Beschichtung kann für Bleche einschließlich von auf NiFe besierenden Legierungen verwendet werden.
Die Erfindung stellt auch einen Stator mit dem weichmagnetischen Blechpaket gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen bereit.
Die Erfindung stellt auch einen Rotor mit dem weichmagnetischen Blechpaket gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen bereit.
Die Erfindung stellt auch eine elektrische Maschine wie z.B. einen Motor oder Generator mit einem Stator und/oder Rotor mit einem weichmagnetischen Blechpaket gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen bereit.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Blechpakets für einen Stator und/oder Rotor einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren umfasst:
Formen einer Vielzahl von ersten Blechen aus einer ersten eine weichmagnetische Legierung umfassenden Folie;
Formen einer Vielzahl von zweiten Blechen aus einer zweiten eine weichmagnetische Legierung umfassenden Folie;
Bedecken der ersten Bleche und/oder der zweiten Bleche mit einem Isolierstoff;
Stapeln der ersten Bleche und der zweiten Bleche zur Bildung eines Blechpakets, so dass die ersten Bleche und die zweiten Bleche im ganzen Blechpaket verteilt sind; und
Wärmebehandeln des Blechpakets, wobei die Wärmebehandlung des Blechpakets eine Wärmebehandlung bei 700°C bis 1200°C für 2 bis 10 Stunden oder bei 700°C bis 880°C für 2 bis 10 Stunden umfasst.
Durch Stanzen oder Laserschneiden können die ersten Bleche aus der ersten Folie und/oder die zweiten Bleche aus der zweiten Folie hergestellt werden. Beim Stanzverfahren kann es sich um Folgestanzen, Transferstanzen oder Komplettschnitt handeln.
Bei einigen Ausführungsformen können die ersten Bleche und/oder die zweiten Bleche während des Zusammenbaus des Stapels eine Außenkontur haben, die anders ist als die endgültige Außenkontur. Bei diesen Ausführungsformen können die ersten Bleche und die zweiten Bleche zur Bildung des Blechpakets oder Pakets gestapelt und mittels Kleber zusammengefügt werden, um ihren Zwischenstatus anzudeuten. Das Blechpaket bzw. das Paket kann dann weiter bearbeitet werden, zum Beispiel durch Drahterosion, um die Außenkontur des Blechpakets oder Pakets zu ändern.
Die erste Folie und die zweite Folie können zum Beispiel zu Platten zugeschnitten und ggf. geglüht werden, und die Oberfläche kann wahlweise in Dampf oder durch Erwärmen in Luft oxidiert werden, zum Beispiel bei Temperaturen im Bereich von 350°C bis 550°C für 1 bis 10 Stunden. Die ersten und die zweiten Platten werden dann so aufeinander gestapelt, dass die ersten und die zweiten Platten im ganzen Stapel verteilt werden. Die ersten und die zweiten Platten werden zur Bildung eines Pakets zusammengeklebt, und das Paket wird zur Herstellung eines Blechpakets mit der gewünschten Außenkontur und im ganzen Blechpaket verteilten Blechen aus der ersten und der zweiten Folie der Drahterosion unterzogen.
Wenn die Folie in Fertigform vorliegt, werden die Platten ggf. vor dem Stapeln nicht geglüht. Platten aus einer auf FeSi basierenden Legierung sind zum Beispiel typischerweise in Fertigform zu haben, so dass weiteres Glühen entfallen kann.
Bei einigen Ausführungsformen werden die ersten Bleche und die zweiten Bleche in einem Muster gestapelt. Das Muster kann sich über die gesamte Höhe des Stapels wiederholen. Bei einer Ausführungsform werden die ersten Bleche und die zweiten Bleche abwechselnd gestapelt.
Die ersten Bleche und die zweiten Bleche können miteinander verbunden werden. Die ersten Bleche und die zweiten Bleche können durch Schweißen miteinander verbunden werden.
Bei einigen Ausführungsformen wird nach dem Auflegen eines der ersten Bleche oder der zweiten Bleche auf den Stapel das eine der ersten Bleche oder der zweiten Bleche mit einem darunter liegenden Blech des Stapels verbunden. Bei diesen Ausführungsformen werden die Bleche jeweils der Reihe nach miteinander verbunden, während sie zum Stapel hinzugefügt werden. Das eine der ersten Bleche oder der zweiten Bleche kann zum Beispiel durch Schweißen mit dem darunter liegenden Blech verbunden werden.
Das eine der ersten Bleche oder der zweiten Bleche und das darunter liegende Blech können in ein Stanzwerkzeug eingebracht werden, und der Stapel kann mit dem Stanzwerkzeug gebildet werden. Die ersten Bleche und die zweiten Bleche können im Stanzwerkzeug im gewünschten Muster gestapelt werden, indem in der Reihenfolge des Musters ein erstes Blech aus einer ersten Folie und ein zweites Blech aus einer zweiten Folie ausgestanzt wird.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiter die Wärmebehandlung der ersten Folie vor der Bildung der ersten Bleche. Diese Ausführungsform kann zur Anwendung kommen, wenn die erste Folie zum Beispiel aus einer auf CoFe basierenden Legierung besteht. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiter die Wärmebehandlung der zweiten Folie vor der Bildung der ersten Bleche. Diese Ausführungsform kann zur Anwendung kommen, wenn die erste Folie zum Beispiel aus einer auf FeSi basierenden Legierung besteht.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiter die Wärmebehandlung des Blechpakets. Diese Wärmebehandlung kann nach der Fertigstellung des Blechstapels für das Blechpaket und nach der Verbindung der Bleche, zum Beispiel durch Schweißen, ausgeführt werden. Die Wärmebehandlung kann bei 700°C bis 1200°C für 2 bis 10 Stunden ausgeführt werden und kann im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre oder in einer wasserstoffhaltigen reduzierenden Atmosphäre erfolgen. Eine Schutzgasatmosphäre kann von einem Inertgas wie z.B. Argon oder Stickstoff bereitgestellt werden. Eine wasserstoffhaltige Atmosphäre kann von einer Mischung von Wasserstoff und Stickstoff, einer Mischung von Wasserstoff und Argon oder von reinem Wasserstoff bereitgestellt werden. Die Atmosphäre sollte einen ausreichend niedrigen Taupunkt haben, zum Beispiel unter 0°C.
Die Bedingungen der Wärmebehandlung können von der Zusammensetzung der Bleche und wahlweise von der Zusammensetzung der Beschichtung abhängen. Für Bleche aus einer NiFe-Legierung und einer FeSi-Legierung oder aus NiFe-Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung und mit einer Zirkoniumoxid enthaltenden Isolierbeschichtung kann die Maximaltemperatur zum Beispiel 1200°C sein. Für ein Blechpaket mit Blechen aus einer SiFe-Legierung und einer CoFe-Legierung kann der Temperaturbereich auf 700°C bis 880°C für 2 bis 10 Stunden begrenzt sein.
Bei einigen Ausführungsformen werden die ersten Bleche und die zweiten Bleche mit einer Isolierbeschichtung beschichtet. Die Zusammensetzung kann für die ersten Bleche und die zweiten Bleche gleich sein. Bei einigen Ausführungsformen werden die ersten Bleche mit einem Isolierstoff einer ersten Zusammensetzung beschichtet, und die zweiten Bleche werden mit einem Isolierstoff einer zweiten Zusammensetzung beschichtet, die sich von der ersten Zusammensetzung unterscheidet.
Bei einigen Ausführungsformen wird nach dem Zusammenfügen und der Wärmebehandlung des Blechpakets eine weitere Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre ausgeführt. Diese Wärmebehandlung kann zur Bildung einer isolierenden Oxidbeschichtung eingesetzt werden, die die ersten Bleche und/oder die zweiten Bleche bedeckt. Die Bedingungen der Wärmebehandlung können so gewählt werden, dass α-Fe₂O₃ gebildet wird, das einen höheren elektrischen Widerstand hat als Fe₃O₄.
Die oxidierende Wärmebehandlung kann in Luft, zum Beispiel als Wärmebehandlung in Luft bei einer Temperatur im Bereich von 350°C bis 550°C für 30 Minuten bis 3 Stunden ausgeführt werden. Anderenfalls kann die oxidierende Wärmebehandlung unter Dampf ausgeführt werden. Das Blechpaket kann zum Beispiel in einer Stickstoffatmosphäre auf 500°C erwärmt werden, wodurch Dampf mit einer Temperatur von 360°C oder mehr eingeführt wird; daraufhin wird die Temperatur für ca. 1 Stunde auf 500°C gehalten, und schließlich wird ohne Dampf auf 360°C und dann unter Stickstoff auf 200°C abgekühlt. Die Dicke der Oxidschicht kann so gering sein, dass ihre Haftung am Blechpaket verbessert wird und weniger Spannungen eingeführt werden. Durch Mindern der Spannungen kann die Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften vermieden werden.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Stapeln von Blechen zur Bildung eines Blechpakets mit mindestens einer vorgegebenen magnetischen Eigenschaft Z bereit. Das Verfahren umfasst:
Bestimmen eines Volumens X einer ersten weichmagnetischen Legierung mit einem Wert Z_A einer magnetischen Eigenschaft Z und eines Volumens X einer zweiten weichmagnetischen Legierung mit einem Wert Z_B der magnetischen Eigenschaft Z, wobei Z_A ≠ Z_B, zur Schaffung eines Werts Z_C der magnetischen Eigenschaft Z in einem Blechpaket gemäß der Formel Z_C = Z_A·(X/(X + Y)) + Z_B·(Y/(X + Y)), wobei Z die magnetische Eigenschaft, Z_C der Wert der magnetischen Eigenschaft Z des Blechpakets, Z_A der Wert der magnetischen Eigenschaft Z der ersten weichmagnetischen Legierung, Z_B der Wert der magnetischen Eigenschaft Z der zweiten weichmagnetischen Legierung, X das Volumen der ersten weichmagnetischen Legierung im Blechpaket, Y das Volumen der zweiten weichmagnetischen Legierung im Blechpaket und (X + Y) das Gesamtvolumen des Blechpakets ist;
Bestimmen einer Anzahl N₁ von ersten Blechen mit einer Dicke x aus der ersten weichmagnetischen Legierung zur Bereitstellung des Volumens X und einer Anzahl N₂ von zweiten Blechen mit einer Dicke y aus der zweiten weichmagnetischen Legierung zur Bereitstellung des Volumens Y, wobei x = y (X/Y); und
Stapeln der Anzahl N₁ von ersten Blechen und der Anzahl N₂ von zweiten Blechen zur Herstellung eines Blechpakets mit der magnetischen Eigenschaft Z_C.
Die vorgegebene magnetische Eigenschaft Z kann die Induktion B bei einem Magnetfeld H sein, so dass Z = B(H).
Bei einigen Ausführungsformen x = y, so dass die Dicke der ersten und der zweiten Bleche im Wesentlichen gleich ist. Anderenfalls x ≠ y, so dass die Dicke der ersten und der zweiten Bleche unterschiedlich ist. Bei einigen Ausführungsformen N₁ = N₂, so dass die Anzahl der ersten und die Anzahl der zweiten Bleche gleich ist. Anderenfalls N₁ ≠ N₂, so dass die Anzahl der ersten und die Anzahl der zweiten Bleche unterschiedlich ist.
Die ersten Bleche und die zweiten Bleche werden so gestapelt, dass die ersten Bleche und die zweiten Bleche im ganzen Blechpaket verteilt sind. Bei einigen Ausführungsformen sind die ersten Bleche und die zweiten Bleche gleichmäßig im ganzen Blechpaket verteilt. Die ersten Bleche und die zweiten Bleche können in einem Muster gestapelt werden, das sich über die ganze Höhe des Blechpakets wiederholt.
Ausführungsformen werden jetzt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Beispiele beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines Blechpakets mit einem Stapel von ersten und zweiten Blechen mit einem ersten Muster.
2 ist eine schematische Darstellung eines Blechpakets mit einem Stapel von ersten und zweiten Blechen mit einem zweiten Muster.
3 ist eine schematische Darstellung eines Blechpakets mit einem Stapel von ersten Blechen und zweiten Blechen unterschiedlicher Dicke.
4 zeigt ein Diagramm der bei verschiedenen Feldstärken (H) gemessenen Induktion B für die Blechpakete und Rechnungswerte der Induktion B bei verschiedenen Feldstärken (H).
5 zeigt ein Diagramm der bei 1,5 T und einer Frequenz von 50 Hz gemessenen Verluste der Blechpakete.
6 zeigt ein Diagramm der bei 1,5 T und einer Frequenz von 400 Hz gemessenen Verluste der Blechpakete.
7 zeigt ein Diagramm der bei 1,7 T und einer Frequenz von 50 Hz gemessenen Verluste der Blechpakete.
8 zeigt ein Diagramm der bei 1,7 T und einer Frequenz von 400 Hz gemessenen Verluste der Blechpakete.
9 zeigt ein Diagramm der bei 2,0 T und einer Frequenz von 50 Hz gemessenen Verluste der Blechpakete.
10 zeigt ein Diagramm der bei 2,0 T und einer Frequenz von 400 Hz gemessenen Verluste der Blechpakete.
Tabelle 1 gibt die für Blechpakete nach der Erfindung und für Vergleichspakete gemessene Koerzitivfeldstärke, Permeabilität, Induktion und Polarisation an.
Tabelle 2 gibt die für die Blechpakete gemessenen Verluste an.
1 ist eine schematische Darstellung eines Blechpakets 10 mit einer Vielzahl von ersten Blechen 11 und Vielzahl von zweiten Blechen 12. Die ersten Bleche 11 enthalten eine weichmagnetische Legierung einer ersten Zusammensetzung, und die zweiten Bleche 12 enthalten eine weichmagnetische Legierung einer zweiten Zusammensetzung, die sich von der ersten Zusammensetzung unterscheidet. Bei dieser spezifischen Ausführungsform enthalten die ersten Bleche 11 eine FeSi-basierte Legierung und die zweiten Bleche 12 enthalten eine CoFe-basierte Legierung. Die ersten Bleche 11 und die zweiten Bleche 12 sind in einem abwechselnden Muster zur Bildung eines Stapels 13 angeordnet, dessen Stapelrichtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptoberfläche der ersten Bleche und der zweiten Bleche verläuft. In der Zeichnung wird die Stapelrichtung von einem Pfeil angedeutet. Das Muster kann als ABAB bezeichnet werden.
Im Blechpaket 10 sind die Dicke der ersten Bleche 11 und die Dicke der zweiten Bleche 12 im Wesentlichen gleich. Die Anzahl der ersten Bleche 11 und die Anzahl der zweiten Bleche 12 sind daher ebenfalls gleich, wobei das Blechpaket 10 50% der die ersten Bleche 11 bildenden ersten weichmagnetischen Legierung und 50% der die zweiten Bleche 12 bildenden zweiten weichmagnetischen Legierung enthält.
Da die die ersten Bleche 11 bildende erste weichmagnetische Legierung und die die zweiten Bleche 12 bildende zweite weichmagnetische Legierung unterschiedliche Zusammensetzungen haben, sind auch die weichmagnetischen Eigenschaften der ersten Bleche 11 und der zweiten Bleche 12 verschieden. Das Blechpaket 10 hat daher Eigenschaften, die einen Durchschnittswert der Eigenschaften der ersten weichmagnetischen Legierung und der zweiten weichmagnetischen Legierung bilden. So hat zum Beispiel, wenn die erste weichmagnetische Legierung eine Induktion B(H)_A und die zweite weichmagnetische Legierung eine Induktion B(H)_B aufweist, das Blechpaket eine Induktion B(H)_core, die im Wesentlichen (B(H)_A + B(H)_B)/2 entspricht.
Das Stapelmuster BABA wiederholt sich über die ganze Höhe des Stapels 13, so dass die ersten Bleche 11 und die zweiten Bleche 12 in der Stapelrichtung gleichmäßig im ganzen Stapel 13 verteilt sind.
Das Blechpaket kann auch andere Stapelmuster aufweisen. Das Stapelmuster kann zum Beispiel auf zwei zweiten Blechen gestapelte zwei erste Bleche enthalten, was ein Muster AABB ergibt, das bei Wiederholung im ganzen Stapel in der Stapelrichtung in AABBAABB resultiert.
Bei einigen Ausführungsformen, wie zum Beispiel bei der in 2 gezeigten, unterscheidet sich die Anzahl der ersten Bleche 11 innerhalb des Blechpakets 10' von der Anzahl der zweiten Bleche 12. Die unterschiedlichen Anzahlen der ersten Bleche 11 und der zweiten Bleche 12 können unterschiedliche Anteile der ersten weichmagnetischen Legierung und der zweiten weichmagnetischen Legierung innerhalb des Blechpakets 10' ergeben. Wenn zum Beispiel die ersten Bleche 11 und die zweiten Bleche 12 die selbe Dicke haben, kann zur Herstellung eines Kerns mit einem Drittel der ersten weichmagnetischen Legierung und zwei Dritteln der zweiten weichmagnetischen Legierung ein Stapelmuster ABBABB vorgesehen sein; dies ist in 2 für das Blechpaket 10' gezeigt.
Bei einigen Ausführungsformen, wie zum Beispiel bei der in 3 gezeigten, haben die ersten Bleche 11' und die zweiten Bleche 12' des Blechpakets 10" unterschiedliche Dicken. Diese unterschiedlichen Dicken können ebenfalls zur Änderung des Anteils der ersten weichmagnetischen Legierung und der zweiten weichmagnetischen Legierung innerhalb des Blechpakets 10" genutzt werden. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform sind die Anzahl der ersten Bleche 11' und die Anzahl der zweiten Bleche 12' gleich, und die Dicke der ersten Bleche 11' is geringer als die Dicke der zweiten Bleche 12'. Das Stapelmuster ABAB entspricht dem in 1 gezeigten. Infolge der unterschiedlichen Dicken beträgt jedoch der Anteil der ersten weichmagnetischen Legierung im Blechpaket 10" weniger als 50%, und der Anteil der zweiten weichmagnetischen Legierung beträgt mehr als 50%. Um 60% der zweiten weichmagnetischen Legierung und 40% der ersten weichmagnetischen Legierung zu erhalten, können zum Beispiel die zweiten Bleche 12' eine Dicke von 0,525 mm und die ersten Bleche 11' eine Dicke von 0,35 mm haben, wenn die ersten und die zweiten Bleche 11', 12' in der selben Anzahl vorliegen.
Bei einigen Ausführungsformen können die Anzahl und die Dicke der ersten und der zweiten Bleche so gewählt werden, dass eine magnetische Eigenschaft des Blechpakets der folgenden Gleichung entspricht: Z_C = Z_A·(X/(X + Y)) + Z_B·(Y/(X + Y)), wobei Z die magnetische Eigenschaft, Z_C der Wert der magnetischen Eigenschaft Z des Blechpakets, Z_A der Wert der magnetischen Eigenschaft Z der ersten weichmagnetischen Legierung, Z_B der Wert der magnetischen Eigenschaft Z der zweiten weichmagnetischen Legierung, X das Volumen der ersten weichmagnetischen Legierung im Blechpaket, Y das Volumen der zweiten weichmagnetischen Legierung im Blechpaket und (X + Y) das Gesamtvolumen des Blechpakets ist. Z kann zum Beispiel die Induktion B(H) sein.
Der Stapel kann durch Vorformen der ersten und der zweiten Bleche gebildet werden, zum Beispiel durch Zuschneiden von Blechen der gewünschten Form aus Legierungsfolie der beiden gewünschten Zusammensetzungen und durch Stapeln der ersten und der zweiten Bleche im gewünschten Muster zur Herstellung des Blechpakets. Bei einigen Ausführungsformen wird das Stapeln in einem Stanzwerkzeug so ausgeführt, dass die ersten und die zweiten Bleche in der Reihenfolge des Musters aus der Folie ausgeschnitten werden. So wird zum Beispiel ein Blech aus einer eine erste weichmagnetische Legierung enthaltenden Folie ausgestanzt, das nächste Blech wird aus einer die zweite weichmagnetische Legierung enthaltenden Folie ausgestanzt, das nächste Blech wird aus einer die erste weichmagnetische Legierung enthaltenden Folie ausgestanzt, und so weiter der Reihe nach zur Bildung eines Stapels mit einem Muster ABAB im Stanzwerkzeug.
Nach der Bildung des Stapels aus ersten und zweiten Blechen können die ersten und die zweiten Bleche durch Schweißen miteinander verbunden werden. Bei einigen Ausführungsformen wird ein jedes Blech, das zum Stapel hinzugefügt wird, mit dem darunter liegenden Blech des Stapels verschweißt. Die ersten und die zweiten Bleche können auch durch Kleben oder Verklammern miteinander verbunden werden.
Zum Kleben können die erste und/oder die zweite Folie zu Platten zugeschnitten werden, woraufhin die Bleche, zum Beispiel durch Stanzen oder Laserschneiden, aus den Platten ausgeschnitten werden. Die ersten und/oder die zweiten Bleche können geglüht und wahlweise in Luft oder Dampf oberflächenoxidiert und dann so gestapelt werden, dass die ersten und die zweiten Bleche im ganzen Stapel verteilt und zur Bildung eines Blechpakets zusammengeklebt sind, in dem die ersten und die zweiten Bleche im ganzen Stapel verteilt sind.
Nach seiner Herstellung kann das Blechpaket zur Bereitstellung der gewünschten magnetischen Eigenschaften wärmebehandelt werden, Für ein Blechpaket aus Blechen mit einer auf CoFe basierenden Legierung kann die Wärmebehandlung zum Beispiel für 2 bis 10 Stunden bei 700°C bis 880°C erfolgen. Die Wärmebehandlung kann im Vakuum oder unter Schutzgas, wie zum Beispiel Argon oder einem wasserstoffhaltigen Gas, ausgeführt werden. Die Wärmebehandlung kann statisch oder kontinuierlich erfolgen.
In den Beispielen werden sieben Blechpakete hergestellt. In allen Fällen beträgt die Dicke der Bleche 0,35 mm, und die Messungen werden an ringförmigen Blechen mit einem Außendurchmesser von 28,5 mm und einem Innendurchmesser von 20,0 mm ausgeführt. Die ersten Bleche bestehen aus einer auf FeSi basierenden Legierung mit 3% Silizium. Die zweiten Bleche bestehen aus einer auf CoFe basierenden Legierung, insbesondere VACODUR 49. Ein Referenzblechpaket, Beispiel 7, enthält Bleche aus einer auf CoFe basierenden Legierung mit 17% Co, insbesondere VACOFLUX 17.
Das Blechpaket von Beispiel 1 ist ein Vergleichsbeispiel und enthält ausschließlich Bleche aus der auf FeSi basierenden Legierung und hat daher ein Muster AAAA.
Das Blechpaket von Beispiel 6 ist ein Vergleichsbeispiel und enthält ausschließlich Bleche aus der auf CoFe basierenden Legierung und hat daher ein Muster BBBB.
Das Blechpaket von Beispiel 2 enthält zwei Drittel FeSi-Bleche und ein Drittel CoFe-Bleche und hat ein Stapelmuster AABAAB.
Das Blechpaket von Beispiel 3 enthält 50% FeSi-Bleche und 50% CoFe-Bleche und hat ein Stapelmuster ABABAB.
Das Blechpaket von Beispiel 4 enthält ebenfalls 50% FeSi-Bleche und 50% CoFe-Bleche und hat ein anderes Stapelmuster AAABBB.
Das Blechpaket von Beispiel 5 enthält ein Drittel FeSi-Bleche und zwei Drittel CoFe-Bleche und hat ein Stapelmuster ABBABB.
Tabelle 1

Die an Beispielen 1 bis 7 gemessene Koerzitivfeldstärke, Permeabilität und Induktionspolarisation sind in Tabelle 1 zusammengefasst und im Diagramm von 7 veranschaulicht. Die Blechpakete der Beispiele 2 bis 5 enthalten sowohl FeSi-basierte Bleche als auch CoFe-basierte Bleche und haben eine bei 300 A/m, 1000 A/m, 2500 A/m, 5000 A/m und 10000 A/m gemessene Induktion B, die höher ist als die am Blechpaket von Beispiel 1 gemessene, der nur aus FeSi-Blechen besteht. Beispiele 2 bis 5 haben zum Beispiel bei 300 A/m eine Induktion B über 1,6 T, was höher ist als der an Beispiel 1 gemessene Wert von 1,39 T. Die für Beispiele 2, 3 und 5 gemessenen Werte von B(H) entsprechen den B(H)-Werten, die wie in 4 gezeigt durch Berechnung vorausgesagt sind.

Nr.	Werkstoffe	Stapelfolge	P (1,5 T; 50 Hz) in W/kg	P (1,5 T; 4000 Hz) in W/kg	P (1,7 T; 50 Hz) in W/kg	P (1,7 T; 400 Hz) in W/kg	P (2,0 T; 50 Hz) in W/kg	P (12,0 T; 400 Hz) in W/kg
1	nur 3% SiFe	AAAAAA	2,45	44,1	3,11	56,6	-	-
2	2/3 SiFe 1/3 CoFe	AABAAB	2,11	40,2	2,73	54,4	3,97	77,4
3	1/2 SiFe 1/2 CoFe	ABABAB	1,94	37,7	2,52	51,8	3,40	73,7
4	1/2 SiFe 1/2 CoFe	AAABBB	1,96	37,6	2,52	51,7	3.58	74,8
5	1/3 SiFe 2/3 CoFe	ABBABB	1,87	35,6	2,39	48,5	3,46	68,2
6	nur 50% CoFe	BBBBBB	1,79	32,6	2,23	44,5	2,99	63,7
7	Referenz: 17% CoFe	CCCCCC	3,8	54,1	4,8	69,1	7,0	88,0

Tabelle 2

Die an Beispielen 1 bis 7 gemessenen Verluste (P) sind in Tabelle 2 zusammengefasst und in den Kurvenbildern von 5 bis 10 veranschaulicht. Die bei 50 Hz und 400 Hz bei 1,5 T und 1,7 T gemessenen Verluste sind bei den Blechpaketbeispielen 2 bis 5 geringer als beim Vergleichsbeispiel 1. Während außerdem die bei 2,0 T gemessenen Verluste des Blechpaketbeispiels 1 so hoch sind, dass dieser für Einsatz als Blechpaket ungeeignet ist, haben die Blechpakete der Beispiele 2 bis 5 Verluste im Bereich von 3,97 bis 3,40 W/kg (bei 50 Hz und 2,0 T). Die Verluste das Blechpakete der Beispiele 2 bis 5 sind geringer als die für den Bezugskern 7 mit FeCo-Legierung und 17% Kobalt gemessenen.
Während in den Ausführungsformen und Beispielen das Blechpaket Bleche aus zwei verschiedenen weichmagnetischen Legierungen enthält, ist er nicht auf zwei verschiedene weichmagnetische Legierungen beschränkt und kann auch Bleche aus drei oder mehr weichmagnetischen Legierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften enthalten.
Gemäß der Erfindung enthält mindestens eines der Bleche eine Isolierbeschichtung, die bis zu Temperaturen von mindestens 850°C hitzebeständig ist, insbesondere nach einer Wärmebehandlung bei mindestens 850°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre.
Die Eignung einer Beschichtung kann durch Sichtkontrolle der Beschichtung nach der Wärmebehandlung zur Ermittlung, ob die Beschichtung durchgehend ist, kontrolliert werden. Nach der Wärmebehandlung kann die Beschichtung eine Dicke von mehr als 0,1 µm haben, was eine ausreichende Isolierwirkung zwischen benachbarten Blechen im Stapel bereitstellt. Das Vorhandensein einer sehr dünnen Beschichtung ist visuell zu erkennen und kann unter Anwendung von optischen Interferenzverfahren ermittelt werden.
Der Begriff "hitzebeständig" bezieht sich auf eine Isolierbeschichtung, die gemäß der Norm DIN EN ISO 2409:2013-06 ausreichend am Blech anhaftet. Diese Norm definiert eine Prüfung, bei der ein Klebestreifen an einer Beschichtung angebracht und dann abgezogen wird. Wenn die Beschichtung schlecht am darunter liegenden Substrat, z.B. am Blech, haftet, kleben Teile der Beschichtung an der Klebefläche des abgezogenen Klebestreifens und werden vom darunter liegenden Substrat entfernt.
Die Eignung verschiedener Werkstoffe als Isolierbeschichtungen in Blechpaketen mit aus verschiedenen Legierungen hergestellten Blechen wurde untersucht.
Beispiel 1
In Beispiel 1 wird ein Blechpaket mit Blechen aus auf CoFe basierenden Legierungen und Blechen aus auf NiFe basierenden Legierungen hergestellt.
Ein 50%-CoFe-Legierungsband (VACODUR 49) wurde mit einer magnesiumhaltigen Beschichtung, insbesondere DL1, versehen, die nach der Wärmebehandlung Magnesiumoxid enthält. DL1 bezeichnet eine Beschichtung, die in der Form einer Mg-Methylatlösung aufgetragen und während des Trocknens in Magnsiumhydroxid und schließlich Magnesiumoxid umgesetzt wird. Nach der Wärmebehandlung enthält die Beschichtung nur Magnesiumoxid.
50%-CoFe-Bleche können zum Einstellen der magnetischen Eigenschaften für 6 Stunden bei 880°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre wärmebehandelt werden. Zur Ermittlung ihrer Eignung für Einsatz im Blechstapel wurde also die Isolierbeschichtung der Wärmebehandlung unterzogen. Nach der Wärmebehandlung bestätigte die Sichtkontrolle, dass auf dem 50%-CoFe-Band eine durchgehende Beschichtung verhanden war.
Eine 50%-NiFe-Legierung (PERMENORM 5000 V5) wurde mit einer zirkoniumhaltigen Beschichtung, insbesondere HITCOAT, versehen, die nach der Wärmebehandlung Zirkoniumoxid enthält. HITCOAT bezeichnet eine Beschichtung, die in der Form einer Zr-Propylatlösung, die während des Trocknens nach der Wärmebehandlung in Zirkoniumoxid umgesetzt wird, auf eine Oberfläche aufgetragen wird. Das 50%-NiFe-Band wurde zur Ermittlung seiner Eignung für Einsatz im Blechstapel 6 Stunden bei 880°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung bestätigte die Sichtkontrolle, dass auf dem 50%-NiFe-Band eine durchgehende Beschichtung vorhanden war.
Ein Blechpaket mit alternierenden Blechen mit 50%-CoFe und 50%-NiFe kann daher unter Anwendung von Isolierbeschichtungen DL1 und HITCOAT hergestellt werden, da beide Beschichtungen bei Temperaturen bis zu mindestens 850°C hitzebeständig sind, insbesondere nach einer Wärmebehandlung bei Temperaturen über 850°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre.
Beispiel 2
In Beispiel 2 ist ein Blechpaket mit Blechen aus auf CoFe basierenden Legierungen und Blechen aus auf NiFe basierenden Legierungen herzustellen.
Eine FeSi-Legierung (M400-65A) wurde mit STABOLIT 20 beschichtet und zur Ermittlung ihrer Eignung für Einsatz im Blechstapel 6 Stunden bei 900°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung wurde die Beschichtung der Klebestreifenprüfung unterzogen, und man fand, dass nur einige wenige Teilchen von der Beschichtung abgezogen wurden und am Klebestreifen hafteten.
Für die Bleche aus einer auf CoFe basierenden Legierung kann wie in Beispiel 1 DL als Beschichtung eingesetzt werden.
Ein Blechpaket aus alternierenden Blechen, die diese FeSi-Legierung und 50%-CoFe enthalten, kann daher unter Anwendung von Isolierbeschichtungen HITCOAT und DL1 hergestellt werden, da beide Beschichtungen bei Temperaturen bis zu mindestens 850°C hitzebeständig sind, insbesondere in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre.
Beispiel 3
In Beispiel 3 ist ein Blechpaket mit Blechen aus auf FeSi basierenden Legierungen und Blechen aus auf NiFe basierenden Legierungen herzustellen.
Zur Herstellung eines Kerns mit Blechen, die 50% NiFe-Legierung enthalten (PERMENORM 5000 V5) ist zur Justierung der magnetischen Eigenschaften der 50%-NiFe-Legierung die Wärmebehandlung des Kerns für 5 Stunden bei 1150°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre erwünscht. Die die 50% NiFe-Legierung enthaltenden Bleche wurden mit HITCOAT beschichtet, während die FeSi enthaltenden Bleche keine Isolierbeschichtung erhielten. Die Bleche der unterschiedlichen Zusammensetzung wurden abwechselnd gestapelt, so dass eine HITCOAT-Schicht zwischen benachbarten 50% NiFe- und FeSi-Blechen im Stapel liegt.
Nach der Wärmebehandlung für 5 Stunden bei 1150°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre war auf den beschichteten Oberflächen ein Schimmereffekt zu sehen, was das Vorhandensein der Beschichtung nach der Wärmebehandlung bestätigt.
Vergleichsbeispiel 1
Beim Vergleichsbeispiel 1 wurde ein FeSi-Legierungsband (NO20) mit einem Harz beschichtet, das unter der Einwirkung von Wärme, zum Beispiel bei Temperaturen von rund 200°C, aushärtet. Diese Harze können zum Ankleben der Bleche aneinander zur Bildung des Stapels eingesetzt werden und bilden die Isolierbeschichtung zwischen benachbarten Blechen. STABOLIT 70, das von Thyssenkrupp Stahl Europa AG, Bochum, Deutschland verkauft wird, ist ein Beispiel für ein derartiges Harz. Das Band und die Beschichtung wurden für 1 Stunde bei 500°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre wärmebehandelt. Nach dieser Wärmebehandlung wies die Sichtkontrolle nicht das Vorhandensein einer Beschichtung nach. Eine derartige auf Harz basierende Beschichtung ist daher bei Temperaturen von mindestens 850°C nicht hitzebeständig.
Vergleichsbeispiel 2
Beim Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Band mit einer FeSi-Legierung, insbesondere M400-65A, mit STABOLIT 20 beschichtet und zur Ermittlung seiner Eignung für einen Kern mit Blechen aus einer FeSi-Legierung und einer 50%-NiFe-Legierung (PERMENORM 5000 V5) bei 1000°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre wärmebehandelt. Zur Justierung der magnetischen Eigenschaften ist die 50%-NiFe-Legierung für 5 Stunden bei 1150°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre der Wärmebehandlung zu unterziehen. Nach einer Wärmebehandlung bei 1000°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre wurde die Beschichtung der Klebestreifenprüfung nach DIN EN ISO 2409:2013-06 unterzogen. Auf der abgezogenen Klebefläche wurde eine durchgehende Schicht vorgefunden, was andeutet, dass eine Beschichtung mit STABOLIT 20 nicht für Kerne geeignet ist, die bei Temperaturen von 1000°C oder mehr wärmebehandelt werden.
Beschichtungen mit STABOLIT 20 erwiesen sich jedoch als hitzebeständig bei 900°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre und daher bei Temperaturen bis zu mindestens 850°C.
Vergleichsbeispiel 3
Beim Vergleichsbeispiel 3 wurden Bleche aus einer 50%-CoFe-Legierung (VACODUR 49) und Bleche aus einer FeSi-Legierung (NO10) zur Bildung eines Kerns abwechselnd gestapelt. Beide Zusammensetzungen blieben unbeschichtet. Zur Justierung der magnetischen Eigenschaften der 50%-CoFe-Legierung wurde der Stapel für 6 Stunden bei 880°C in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre der Wärmebehandlung unterzogen. Nach der Wärmebehandlung fand man, dass wenigstens einige der Bleche des Stapels miteinander verschweißt waren. Weitere Kontaktstellen können sich infolge des Drucks entwickeln, der während des Betriebs auf den Kern einwirkt. Es wurden höhere Wirbelstromverluste festgestellt. Diese höheren Wirbelstromverluste sind unseres Erachtens wenigstens teilweise das Ergebnis des Mangels an elektrischer Isolierung zwischen den Blechen des Kerns.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2484568 A [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN EN ISO 2409:2013-06 [0028]
Norm DIN EN ISO 2409:2013-06 [0095]
DIN EN ISO 2409:2013-06 [0110]

Claims

Weichmagnetisches Blechpaket, umfassend: erste Bleche und zweite Bleche, die in einem Stapel mit einer Stapelrichtung angeordnet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptoberfläche der ersten Bleche und der zweiten Bleche verläuft, wobei die ersten Bleche eine erste weichmagnetische Legierung aufweisen und die zweiten Bleche eine zweite weichmagnetische Legierung aufweisen, die sich von der ersten weichmagnetischen Legierung unterscheidet, wobei die ersten Bleche und die zweiten Bleche im ganzen Stapel in der Stapelrichtung verteilt sind und wobei die ersten Bleche und/oder die zweiten Bleche eine Isolierbeschichtung aufweisen, die bis zu mindestens 850°C hitzebeständig ist.
Weichmagnetisches Blechpaket nach Anspruch 1, wobei die ersten Bleche eine FeSi basierte Legierung aufweisen und die zweiten Bleche eine CoFe-basierte Legierung aufweisen.
Weichmagnetisches Blechpaket nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten Bleche eine FeSi basierte Legierung aufweisen, die 2 bis 4,5 Gewichts-% von mindestens einem Element aus der Gruppe Si und Al, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen aufweist.
Weichmagnetisches Blechpaket nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweiten Bleche eine CoFe-basierte Legierung aufweisen, die 35 bis 55 Gewichts-% Co und bis zu 2,5 Gewichts-% V, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen aufweist.
Weichmagnetisches Blechpaket nach Anspruch 4, wobei die CoFe-basierte Legierung 45 Gewichts-% ≤ Co ≤ 52 Gewichts-%, 45 Gewichts-% ≤ Fe ≤ 52 Gewichts-%, 0,5 Gewichts-% ≤ V ≤ 2,5 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen aufweist.
Weichmagnetisches Blechpaket nach Anspruch 4, wobei die CoFe-basierte Legierung 35 Gewichts-% ≤ Co ≤ 55 Gewichts-%, vorzugsweise 45 Gewichts-% ≤ Co ≤ 52 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Ni ≤ 0,5 Gewichts-%, 0,5 Gewichts-% ≤ V ≤ 2,5 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen aufweist.
Weichmagnetisches Blechpaket nach Anspruch 4, wobei die CoFe-basierte Legierung 35 Gewichts-% ≤ Co ≤ 55 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ V ≤ 2,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ (Ta + 2Nb) ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Zr ≤ 1,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Ni ≤ 5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ C ≤ 0,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Cr ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Mn ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Si ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Al ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ B ≤ 0,01 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen aufweist.
Weichmagnetisches Blechpaket nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ersten Bleche eine erste Isolierbeschichtung aufweisen und die zweiten Bleche eine zweite Isolierbeschichtung aufweisen und die erste Isolierbeschichtung und die zweite Isolierbeschichtung die selbe Zusammensetzung oder unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen.
Weichmagnetisches Blechpaket nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ersten Bleche und/oder die zweiten Bleche eine anorganische Beschichtung aufweisen.
Weichmagnetisches Blechpaket nach Anspruch 9, wobei die ersten Bleche eine FeSi-basierte Legierung und die anorganische Beschichtung aufweisen.
Weichmagnetisches Blechpaket nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ersten Bleche und/oder die zweiten Bleche eine dielektrische Beschichtung aufweisen, die Magnesiumoxid oder Zirkoniumoxid aufweist.
Weichmagnetisches Blechpaket nach Anspruch 11, wobei die zweiten Bleche eine CoFe basierte Legierung aufweisen und die dielektrische Beschichtung Magnesiumoxid aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Blechpakets für einen Stator und/oder Rotor einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren aufweist: Formen einer Vielzahl von ersten Blechen aus einer ersten eine weichmagnetische Legierung umfassenden Folie; Formen einer Vielzahl von zweiten Blechen aus einer zweiten eine weichmagnetische Legierung umfassenden Folie; Bedecken der ersten Bleche und/oder der zweiten Bleche mit einem Isolierstoff; Stapeln der ersten Bleche und der zweiten Bleche zur Bildung eines Blechpakets, so dass die ersten Bleche und die zweiten Bleche im ganzen Blechpaket verteilt sind; und Wärmebehandeln des Blechpakets, wobei das Wärmebehandeln des Blechpakets eine Wärmebehandlung bei 700°C bis 1200°C für 2 bis 10 Stunden aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die ersten Bleche und die zweiten Bleche in einem Stanzwerkzeug in einem Muster gestapelt werden, indem in der Reihenfolge des Musters ein erstes Blech aus der ersten Folie und ein zweites Blech aus der zweiten Folie ausgestanzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, weiter umfassend ein Verbinden der ersten Bleche und der zweiten Bleche.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die ersten Bleche und die zweiten Bleche durch Schweißen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei nach dem Auflegen eines der ersten Bleche oder der zweiten Bleche auf den Stapel, das eine der ersten Bleche oder der zweiten Bleche mit einem darunter liegenden Blech des Stapels verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei das Wärmebehandeln des Blechpakets im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre oder in einer wasserstoffhaltigen reduzierenden Atmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das Wärmebehandeln des Blechpakets eine Wärmebehandlung bei 700°C bis 880°C für 2 bis 10 Stunden aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, weiter umfassend ein Wärmebehandeln des Blechpakets in einer oxidierenden Atmosphäre.