DE102018133204A1

DE102018133204A1 - Stanzen und Paketieren von Lamellen aus einem Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102018133204A1
Application number: DE102018133204.1A
Authority: DE
Inventors: Philipp Szary; Abdullah Kahveci; Tobias Lewe; Mark Schrauf
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25
Also published as: WO2020126550A1; EP3898022A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Paketieren von mindestens 2 Lamellen aus einem Verbundwerkstoff durch Tiefen und Verpressen der aufeinander angeordneten Lamellen, ein Lamellenpaket hergestellt nach diesem Verfahren sowie dessen Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Paketieren von mindestens 2 Lamellen aus einem Verbundwerkstoff durch Tiefen und Verpressen der aufeinander angeordneten Lamellen, ein Lamellenpaket hergestellt nach diesem Verfahren sowie dessen Verwendung.
Unter Paketieren versteht man das Fügen einzelner Lagen, sogenannter Lamellen zu einem Paket. Dabei wird ein geordneter Stapel von aufeinander angeordneten Lamellen gebildet, die zueinander unverschiebbar verfügt sind. Solche Verfahren werden zum Beispiel in der DE 102012001744A beschrieben. Insbesondere wird Paketieren bei der Herstellung von Elektromotoren eingesetzt.
Bei der Weiterverarbeitung von Elektroband, z.B. zu einem Motor, werden die einzelnen Stator- und Rotorlamellen häufig mechanisch automatisiert ausgestanzt und paketiert.
Beide Schritte sind für einlagiges (monolithisches) Elektroband Standardvorgänge, die an vielen Stellen in der Literatur beschrieben sind. Aufgrund der Komplexität der Verfahren und deren Abhängigkeit von z.B. der Dicke, der Festigkeit und dem Vorhandensein eines Polymers als Deckschicht, sowie ein Einfluss insbesondere auf die magnetischen Eigenschaften der Motorlamellen ist eine Eignung des Verfahrens und eine Übertragbarkeit der Parameter auf nicht-monolithisches Blech nicht gegeben.
Ferner setzen steigende Anforderungen an die elektrische Maschine dabei Elektroband voraus, welches immer geringere Ummagnetisierungsverluste (Zusammengesetzt aus sogenannten Hystereseverlusten, Wirbelstromverlusten und anormalen Verlusten) aufweist. insbesondere bei hohen Frequenzen, wie sie in modernen elektrischen Maschinen höchster Anforderungen, z.B. im Elektromobilitätsbereich, vorkommen, spielt hierbei die Minimierung der Wirbelstromverluste eine große Rolle. Diese können neben Änderungen der Maschinenauslegung und des Maschinentyps im Wesentlichen durch zwei Ansätze verringert werden: (1) eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit, welche eine materialspezifische Eigenschaften ist und vom Legierungsgehalt abhängt und (2) durch eine Verringerung der Dicke des Elektrobandes, welche durch den Walzprozess gesteuert wird.
Ausgehend von einer nahezu gleichbleibenden Höhe des Stator- oder Rotorpaketes, hat eine Reduktion der Dicke allerdings auch eine größere Anzahl von Trenn- und/oder Paketierschritten zur Folge. Hinzu kommt, dass sehr dünnes Elektroband schwieriger zu prozessieren ist. Dies ist insbesondere schwieriger bei größeren Lamellen und feineren Schnitten an z.B. Stegen oder Zähnen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es ein einfaches Paketierverfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere sollen Verfahren zur Verarbeitung dünner Elektrobänder zur Verfügung gestellt werden. Des Weiteren sollte die Möglichkeit geschaffen werden, Pakete mit den vorhandenen Werkzeugen herzustellen, um aufwändige Änderungen der Prozessschritte im Herstellungsverfahren und in Folgeverwendungen zu vermeiden.
Gelöst werden die Aufgaben durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1.
Mithin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Paketieren von mindestens 2 Lamellen aus einem Verbundwerkstoff durch Tiefen und Verpressen der aufeinander angeordneten Lamellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine 1. und eine 2. Elektrobandschicht und eine dazwischen angeordnete Kunststoffschicht umfasst. Die Elektrobandschicht wird im Folgenden auch als Elektroband, Elektroblech oder Blech bezeichnet. Die Kunststoffschicht wird auch als Polymerschicht oder polymere Schicht bezeichnet. Die beiden Elektrobandschichten sind in Ihren Eigenschaften, wie Dicke, Legierungszusammensetzung, magnetische und mechanische Eigenschaften nicht gleich. In einem Spezialfall weisen beide Elektrobandschichten die gleichen Eigenschaften auf.
Beim Paketieren im Sinne der Erfindung erfolgt ein Tiefen der oberen Lamellen, d. h. es wird mittels Druck durch einen Stempel eine Durchsetzung erzeugt. Dadurch wird mindestens ein Bereich einer Lamelle nach unten gedrückt, also in eine darunterliegende Ebene verschoben. Die obere und die darunterliegende Lamelle, gegebenenfalls mehrere Lamellen werden dadurch miteinander verpresst. Gegebenenfalls wird eine Durchsetzung auch durch mehrere Lamellen erzeugt. In einer Ausführung weist die Durchsetzung einer Lamelle eine Tiefe auf, die größer als die Dicke einer Elektrobandschicht ist. Bevorzugt gleich oder maximal im Wesentlichen der Dicke einer Lamelle. In einer anderen Alternative ist die Tiefe der Durchsetzung geringer als die Dicke einer Elektrobandschicht. D.h., die Durchsetzung hat in dieser Alternative eine Tiefe entsprechend im Wesentlichen der 40%, 50% oder mehr der Dicke einer Elektrobandschicht. im Wesentlichen bedeutet, dass maximal eine Abweichung von 50%, 40%, 30%, bevorzugt 20% besonders bevorzugt 10%, insbesondere 5%, 3%, 2% oder 1% zwischen zwei Werten gegeben ist.
Das erfindungsgemäße Paketieren erfolgt in einem Werkzeug bei einem Stanzvorgang und wird auch als Stanzpakettieren bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Stanzen in einem Stanzschritt, also einem einzigen Stanzhub des Verbundwerkstoffes, der eine 1. und eine 2. Elektrobandschicht und eine dazwischen angeordnete Kunststoffschicht umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff zur Verfügung gestellt wird und
ein Stanzen in einem Stanzschritt mittels Stempel und Matrize erfolgt.
Das erfindungsgemäße Stanzen basiert im Wesentlichen auf folgenden Schritten oder besteht daraus:

- Einbringen des Verbundwerkstoffes zwischen Stempel (Schneidewerkzeug) und Matrize;
- Aufsetzen des Stempels auf das oben angeordnete Blech und Druck darauf ausüben;
- dadurch erfolgt eine Verformung des oberen Blechs und gegebenenfalls der darunter angeordneten Bleche;
- Eindringen des Stempels in das obere Blech und dadurch Anschneiden des oberen Blechs;
- Durchbrechen der Bleche, also auch des mindestens eines darunter angeordneten Blechs, welches nicht in direktem Kontakt zum Stempel ist;
- gegebenenfalls erfolgt zusätzlich und zeitgleich mit dem Anschneiden des oberen Blechs auch, ein im Vergleich dazu geringeres Anschneiden des unteren Bleches von der unteren Seite durch die Matrizenwand.

Dadurch wird eine Stanzkante gebildet die einen Schnitt- und einen Bruchanteil aufweist. Der Bruchanteil ist dadurch gekennzeichnet, dass hier die Trennung der Blechteile i.d.R. an der Korngrenze erfolgt, während im Schnittanteil auch Körner des Metallgefüges geschnitten und dadurch beschädigt werden und plastische Verformungen eingebracht werden.
Mithin werden auch die Begriffe oben und unten definiert: oben bedeutet stempelseitig und unten matrizenseitig.
Die Stanzkante der 2 Bleche des Verbundwerkstoffs weisen unterschiedliche Verhältnisse des Schnitt- zu Bruchanteils auf. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis des Schnitt- zu Bruchanteil in der jeweiligen Stanzkante im oberen Blech größer als im unteren Blech.
Bevorzugt weist das untere Blech einen Bruchanteil von mindestens 30%, 40%, 50 %, 52 %, 54 %, 56 %, 58 %, besonders bevorzugt 60 %, 61 %, 62 %, 63 %, 64 %, insbesondere 65 %, 66 %, 67 %, 68 %, 69 %, 70 %, 71 %, 72 %, 73 %, 74 %, 75 % oder mehr auf. Das Verhältnis von Schnitt- zu Bruchanteil wird dadurch bestimmt, dass an der Stanzkante die Höhe des Schnittbereichs und die Höhe des Bruchbereichs auf Basis der Kornbeschädigung zum Beispiel mittels Mikroskop bestimmt wird und zueinander ins Verhältnis gesetzt wird.
Eine Lamelle im Sinne der Erfindung ist ein Halbzeug welches unmittelbar ohne weiteren Arbeitsschritt aus einem Stanzprozess hervorgeht. Als Stanzen wird ein Trennverfahren, insbesondere Scherschneiden bezeichnet, welches mittels Stempel und Matrize durchgeführt wird, gegebenenfalls sind weitere Hilfsmittel wie zum Beispiel Führungen, Halter, Abstreifer etc. einzusetzen, die jedoch nicht unmittelbar in den Trennvorgang des Blechs eingreifen.
Der Verbundwerkstoff liegt als Ausgangsmaterial in Form von Coils oder Platinen vor.
In einer weiteren Ausführung werden vor dem Paketieren die einzelnen Lamellen aufeinandergestapelt.
Die Lamelle kann einen komplizierten Umriss aufweisen. Dieser ist durch eine in sich geschlossene Polylinie gekennzeichnet, die eine zusammenhängende Folge von Liniensegmenten darstellt, wobei mindestens 2 gerade Liniensegmente unterschiedlicher Länge vorliegen und gegebenenfalls mindestens ein gekrümmtes Liniensegment oder Kombinationen davon. In einer Alternative weisen die Halbzeuge als zusätzliches Merkmal eine relativ große Fläche auf, bevorzugt eine Fläche größer als 15 cm², 20 cm² 25 cm², besonders bevorzugt größer als 40 cm², 50 cm², insbesondere 75 cm² oder 100 cm² und bevorzugt kleiner als 10.000 cm², besonders bevorzugt kleiner 1000 cm², insbesondere kleiner 500 cm², 250 cm², 200 cm².
Ein erfindungsgemäß einzusetzender Verbundwerkstoff weist folgende Merkmale auf:

Vorzugsweise weist der Verbundwerkstoff spezifische Ummagnetisierungsverluste bei P1,0; 50 Hz im Bereich von 0,7 bis 7 W/kg und bei P1,5; 50 Hz im Bereich von 1,9 bis 15 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1,49 T bis 1,7 T und bei J5000 im Bereich von 1,6 T bis 1,8 T, ermittelt in Anlehnung an DIN EN 60404-2, auf.

In einer bevorzugteren Ausführungsform weist der Verbundwerkstoff spezifische Ummagnetisierungsverluste bei P1,0; 50 Hz im Bereich von 0,8 bis 3,5 W/kg und bei P1,5; 50 Hz im Bereich von 2,0 bis 8,0 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1,49 bis 1,71 T und bei J5000 im Bereich von 1,60 bis 1,80 T, ermittelt in Anlehnung an DIN EN 60404-2, auf.
In einer besonders bevorzugteren Ausführungsform weist der Verbundwerkstoff spezifische Ummagnetisierungsverluste bei P1,0; 50 Hz im Bereich von 1,0 bis 1,5 W/kg und bei P1,5; 50 Hz im Bereich von 2,4 bis 3,3 W/kg und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1,49 bis 1,57 T und bei J5000 im Bereich von 1,60 bis 1,65 T, ermittelt in Anlehnung an DIN EN 60404-2, auf.
Vorzugsweise weist der Verbundwerkstoff spezifische Ummagnetisierungsverluste bei P1,0; 400 Hz im Bereich von 8 bis 120 W/kg; bei P1,5; 400 Hz von 18 bis 360 W/kg; und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1,45 T bis 1,75 T und bei J5000 im Bereich von 1,45 T bis 1,85 T und bei J 10.000 im Bereich von 1,50 und 1,95 T ermittelt in Anlehnung an DIN EN 60404-2 auf.
In einer bevorzugteren Ausführungsform weist der Verbundwerkstoff spezifische Ummagnetisierungsverluste bei P1,0; 400 Hz im Bereich von 10 bis 25 W/kg; bei P1,5; 400 Hz von 25 bis 49 W/kg; und/oder eine Polarisation bei J2500 im Bereich von 1,45 T bis 1,75 T und bei J5000 im Bereich von 1,45 T bis 1,85 T und bei J 10.000 im Bereich von 1,50 und 1,95 T ermittelt in Anlehnung an DIN EN 60404-2 auf.
Vorzugsweise weist der Verbundwerkstoff eine Streckgrenze in Längsrichtung bei Raumtemperatur von 190 bis 610 MPa und eine maximale Zugfestigkeit von 310 bis 740 MPa und eine mindest Bruchdehnung A80 von 6 bis 48 % gemessen in Anlehnung an DIN EN ISO 6892-1 sowie eine Härte Hv5 von 100 - 250 auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verbundwerkstoff eine mindest Streckgrenze in Längsrichtung bei Raumtemperatur von 310 bis 510 MPa und eine maximale Zugfestigkeit von 400 bis 640 MPa und eine mindest Bruchdehnung A80 von 7 bis 32 % gemessen in Anlehnung an DIN EN ISO 6892-1 sowie eine Härte Hv5 von 130 - 250 auf.
Das Material weist eine Anisotropie bei P1,0; 400 Hz im Bereich von 6 bis 17 % auf.
Der erfindungsgemäß einzusetzende Verbundwerkstoff weist im Anwendungsbereich eines Stator- und/oder Rotorpakets für einen Elektromotor oder Generator einen vergleichbaren Eisenfüllfaktor (wie unten beschrieben) auf.
Vorzugsweise beträgt der Eisenfüllfaktor in einem Stator- und/oder Rotorpaket unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs zwischen 85,0% und 99,7 %, mehr bevorzugt 93,0 % bis 99,0 %, noch mehr bevorzugt 98,0 % bis 99,0 % und am meisten bevorzugt 98,3 % bis 98,8 %.
Durch den Einsatz des Verbundwerkstoffs kann nicht nur aktiv der entstehende Körperschall im Elektromotor signifikant reduziert, sondern zudem durch beispielsweise Variation der eingesetzten Elektrobandblechdicken entweder ein weiterer Kostenvorteil und/oder ein erhöhter Wirkungsgrad des Elektromotors oder Generators generiert werden.
Der Verbundstoff verhindert und/oder dämpft die erzeugten Schwingungen an ihrer Quelle. Dadurch wird eine Übertragung auf das Gehäuse und benachbarte Bauteile verhindert. Der von dem Elektromotor erzeugte Körperschall aber zusätzlich auch der vom Gehäuse erzeugte Luftschall wird dadurch deutlich reduziert. Mithin findet eine Verringerung der akustischen Emission des gesamten Elektromotors statt.
Die spezifischen Ummagnetisierungsverluste von Elektrobandblechen hängen sehr stark von den Dicken bzw. von dem Querschnitt der eingesetzten Bleche ab. In der Regel gilt, dass je kleiner die Schichtdicke des Elektrobands ist, desto geringer fallen die Wirbelstromverluste und somit die spezifischen Ummagnetisierungsverluste aus. insbesondere bei hohen elektrischen Frequenzen steigen die Ummagnetisierungsverluste überproportional. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundblechs können - im Vergleich zu einem monolithischen Elektroband mit einer Dicke von beispielsweise 0,5 mm - zwei Elektrobänder der gleichen Qualität mit einer Dicke von 0,25 mm miteinander verklebt werden. Bezogen auf einen Motortyp kann dadurch entweder die Effizienz des Motors signifikant erhöht oder der Bau eines kleineren Motors mit gleicher Effizienz ermöglicht werden. Letzteres würde einen Gewichtsvorteil mit sich bringen. Ferner ist auch die Verwendung eines Elektrobands geringerer Qualität möglich.
In der Praxis kommen die Verbundwerkstoffe selbst als auch die daraus erzeugten Bauteile teilweise in Kontakt mit unterschiedlichen teils sehr aggressiven Ölen, die die polymere Schicht angreifen können und somit zu einer Beschädigung der Polymerschicht bis hin zur Delamination führen. Es ist daher wünschenswert, dass die polymere Schicht gegen solche technischen Öle beständig ist.
Die Polymerschicht ist in einer Alternative ein viskoelastisches Material und enthält oder besteht im Wesentlichen aus einem viskoelastischen Polymer. Im Sinne der Erfindung bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“, dass mindestens 50 %, 55%, 60 %, 65%, 70 %, 72% 74% 76%, 78%, bevorzugt 80 %, 82%,84% ,86%, 88%, besonders bevorzugt 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, insbesondere 96%, 97%, 98%, 99% oder 100 % (Volumen oder Gewichtsprozent) eines Materials, wie hier zum Beispiel des vikoelastischen Materials, aus einem bestimmten Stoff, hier viskoelastisches Polymer, besteht.
Die Polymere können in einer Alternative isotrope, in einer weiteren Alternative anisotrope Materialien sein, insbesondere im Hinblick auf ihre elastischen Eigenschaften.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden viskoelastische Polymere eingesetzt, Ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus: Urethankautschuke, Elastomere auf Fluorbasis, Kautschuke auf Fluorbasis, Silikonkautschuke, Nitrilkautschuke, Butylkautschuke, Acrylkautschuke, Naturkautschuke, Styrol-Butadien-Kautschuke, Polyester, Polyurethane, Polyamide, Ethylen-VinylacetatCopolymere, Polyvinylbutyral, Polyvinylbutyral-Polyvinylacetat-Copolymere und Epoxy-Acrylat-Netzwerke und Kombinationen davon;
bevorzugt Polyester, Polyurethane, Polyamide und Kombinationen davon.
In einer weiteren Ausführung werden thermoplastische Polymere eingesetzt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Polyacrylaten, Polycarbonaten, Polyetherimiden besteht. Polyester, Polysulfone, Polystyrole, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Blockcopolymere, Polypropylene, Acetalpolymere, Polyamide, Polyvinylchloride, Polyethylene, Polyurethane und Kombinationen davon; bevorzugt Polyester, Polyurethane, Polyamide und Kombinationen davon enthält oder daraus besteht.
In einer Alternative sind die Polymere auch vernetzbar, um ihre Festigkeit zu erhöhen. Üblicherweise werden diese als wärmehärtbare oder strahlenhärtbare Harze klassifiziert. Ein solches Harz befindet sich vor der Herstellung des Verbundwerkstoffes in einem thermoplastischen Zustand. Während des Herstellungsprozesses wird das wärmehärtbare oder strahlenhärtbare Harz typischerweise zu einem festen Zustand gehärtet und / oder vernetzt. In Abhängigkeit von dem speziellen verwendeten Harz kann mindestens ein Härtungsmittel, z. B. ein Katalysator, enthalten sein, welcher, bei Aussetzen einer geeigneten Energiequelle (wie Wärmeenergie oder Strahlung wie zum Beispiel IR-, UV-Herr, Röntgen-, Elektronen-Strahlung) die Polymerisation des wärmehärtbaren Harzes initiiert. Besonders bevorzugte viskoelastische Polymere sind solche auf Basis von Acrylaten.
Erfindungsgemäß können auch Mischungen von beliebigen der vorstehenden Polymere, bzw. deren Ausgangsstoffen verwendet werden.
In einer Ausführung, einer besonders bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird als Polymer ein Acrylat - basiertes Copolymer, bevorzugt hochmolekular und/oder vernetzt eingesetzt. Insbesondere wird ein Copolymer vorzugsweise aus einer copolymerisierten Mischung von mindestens einer Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylatester-Monomereinheit, wobei beide eine Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen aufweisen, einer Glycidyl-Monomereinheit, einer ungesättigte Carbonsäure-Monomereinheit, und einem Vernetzer zusammensetzt, erfindungsgemäß verwendet. Hierbei ist kein Aufquellen der polymeren Schicht oder Delamination des Verbundwerkstoffs erkennbar ist.
im Sinne der Erfindung bedeutet Acrylat - basiert, dass als Edukt im Wesentlichen ein Acrylat eingesetzt wird (mit der Definition des Begriffs „im Wesentlichen“ wie oben beschrieben; zusätzlich betreffen die Prozentangaben in einer Alternative das Mol-Verhältnis. Als Acrylat wird ein Edukt erfindungsgemäß bezeichnet, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus: Acrylsäure, Methacrylsäure, (Meth)Acrylsäureester mit einer Alkylgruppe die ein bis 12 Kohlenstoffatomen aufweist, bevorzugt 4-12; oder Mischungen hiervon.
In einer mehr bevorzugten Ausführungsform setzt sich das vernetzte hochmolekulare Acrylat-basierte Copolymer ausschließlich aus den beiden Komponenten, der copolymerisierten Mischung und dem Vernetzer, zusammen.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform besteht die copolymerisierte Mischung aus mindestens einer Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylatester-Monomereinheit, wobei beide eine Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen aufweisen, einer Glycidyl-Monomereinheit und einer ungesättigten Carbonsäure-Monomereinheit.
Vorzugsweise ist die Glycidyl-Monomereinheit ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus Allylglycidylether, Glycidylacrylatester, Glycidylmethacrylatester und/oder Mischungen hiervon.
Vorzugsweise weist die Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylatester-Monomereinheit eine Alkylgruppe mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen auf.
Sofern die polymere Schicht eine Glassübergangstemperatur von höher -15 °C aufweist kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der zu copolymerisierenden Mischung eine Alkyl-acrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylatester-Monomereinheit mit einer Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen zugegeben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform setzt sich das vernetzte hochmolekulare Acrylat-basierte Copolymer aus einer copolymerisierten Mischung von mindestens 55 bis 85 Gew.-% einer Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylatester-Monomereinheit, wobei beide eine Alkylgruppe mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen aufweisen, 0 bis 35 Gew.-% einer Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylatester-Monomereinheit, wobei beide eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen aufweisen, 0,01 bis 2 Gew.-% einer Glycidyl-Monomereinheit, 1 bis 15 Gew.-%, mehr bevorzugt 3 bis 13 Gew.-% einer ungesättigte Carbonsäure-Monomereinheit, und 0,05 bis 1 Gew.-% eines Vernetzers zusammen.
Vorzugsweise weist die copolymerisierte Mischung eine mittlere molare Masse im Bereich von 500 bis 1500 kDa, mehr bevorzugt 600 bis 1000 kDa, noch mehr bevorzugt 700 bis 900 kDa, am meisten bevorzugt 800 kDa ± 20 kDa auf. Die mittlere molare Masse wird hierbei mittels GPC ermittelt. Zur Kalibrierung wurde Polystyrolstandard verwendet.
Vorzugsweise wird die Alkylacrylatester-Monomereinheit und/oder Alkylmethacrylatester-Monomereinheit, aufweisend eine Alkylgruppe mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen ausgewählt aus 2-Ethylhexylacrylat, Isooctylacrylat, Acrylsäurebutylester, 2-Methylbutyl-acrylat, 4-Methyl-2-pentyl-acrylat, Isodecylmethacrylat, Acrylsäuremethylester, Acrylsäureethylester, Meth-acrylsäuremethylester und/oder einer Mischung hiervon.
Vorzugsweise wird die ungesättigte Carbonsäure-Monomereinheit ausgewählt aus Acrylsäure, Methacrylsäure, Fumarsäure und/oder einer Mischung hiervon. Bevorzugte Mischungen setzen sich zusammen aus Acrylsäure und Methacrylsäure, aus Acrylsäure und Fumarsäure oder aus Methacrylsäure und Fumarsäure.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Copolymerisation unter Zuhilfenahme eines Lösungsmittelgemisches, vorzugsweise eines Gemisches aus Essigsäureethylester und Aceton, durchgeführt. Bevorzugt weist das Lösungsmittelgemisch ein Verhältnis aus, das einen Rückfluss im Bereich von 68 bis 78 °C erlaubt.
Vorzugsweise beträgt der Feststoffanteil während der Copolymerisation im Bereich von 40 bis 60 Gew.-%.
Für die Copolymerisation wird vorzugsweise AlBN als Radikalstarter verwendet.
Weiterhin wird die Copolymerisation vorzugsweise unter einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, so dass ein hochmolekulares Copolymer, vorzugsweise mit einer mittleren Molmasse von ≥ 500 kDa erzielt wird. Vorzugsweise ist der Vernetzer ausgewählt aus Aluminiumacetylacetonat (AIACA) Eisenacetyl-acetonat (FeACA), Titanacetylacetonat (TiACA) oderZirkoniumacetylacetonat (ZrACA).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrobandschicht eine Dicke von jeweils mindestens 0,05 mm, bevorzugt 0,1 mm, besonders bevorzugt 0,2 mm, 0,25 mm, 0,27 mm, insbesondere 0,3 mm, 0,32 mm, 0,35 mm, 0,4 mm, oder 0,5 mm auf und maximal 1,5 mm, bevorzugt 1 mm, besonders bevorzugt 0,75 mm, insbesondere 0,65 mm auf.
Zur Herstellung des erfindungsgemäß einzusetzenden Verbundwerkstoffs können zwei gleich dicke oder unterschiedlich dicke Elektrobandschichten verwendet werden.
Bevorzugt ist das Elektroband ein nicht-kornorientiertes Elektroband.
Die Erfindung ist darstellbar auf Basis eines beliebigen nicht kornorientieren Elektrobandes oder -blechs. Bevorzugt besteht das nicht kornorientierte Elektroband oder -blech aus einem Stahl, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen 0,1 bis 3,50 Gew.-% Si, 0,01 bis 1,60 Gew.-% Al, 0,07 bis 0,65 Gew.-% Mn und bis zu 0,25 Gew.- % P enthält, sowie einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,13 bis 0,70 µΩm bei einer Temperatur von 50 °C, besonders bevorzugt aus einem Stahl, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen 2,3 bis 3,40 Gew.-% Si, 0,3 bis 1,1 Gew.-% Al, 0,07 bis 0,250 Gew.-% Mn und bis zu 0,030 Gew.- % P enthält, sowie einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,40 bis 0,70 µΩm bei einer Temperatur von 50 °C.
In einer weiteren Variante besteht das nicht kornorientierte Elektroband oder -blech aus einem Stahl, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen 1,20 bis 2,50 Gew.-% Si, 0,10 bis 0,60 Gew.-% Al, 0,10 bis 0,30 Gew.-% Mn und bis zu 0,070 Gew.- % P enthält, sowie einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,29 bis 0,44 µΩm bei einer Temperatur von 50 °C
Die Kunststoffschicht weist eine Dicke von mindestens 2 µm, bevorzugt mindestens 3 µm, besonders bevorzugt mindestens 4 µm, insbesondere mindestens 4,5 µm und von maximal 50 µm, bevorzugt maximal 20 µm, besonders bevorzugt 10 µm, 8 µm, insbesondere maximal 7,5 µm auf.
Um Kurzschlüsse zwischen zwei Elektrobändern zu verhindern werden die Elektrobandschichten gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung mit einer Isolationsschicht versehen, um eine elektrische Isolation zu erzielen. Vorzugsweise weist die Elektrobandschicht eine Isolationsschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von mindestens 0,5 µm, bevorzugt mindestens 1,0 µm, besonders bevorzugt mindestens 1,5 µm bis maximal 10 µm, bevorzugt maximal 5 µm, besonders bevorzugt bis 2,5 µm, insbesondere bis 1,5 µm auf.
Die Isolationsschicht kann aus einem organischen Polymer wie beispielsweise einem Acrylat-, Alkyd-, Epoxid-, Melamin-, Phenol-, Polyamid-, Polyester- und Polyurethanharz oder einer Mischung hiervon bestehen. Gemäß einer anderen bevorzugten Variante kann das organische Polymer weitere anorganische Komponenten, beispielsweise Aluminiumphosphat, Pigmente und/oder Füllstoffe, wie beispielsweise Titandioxid, Bariumsulfat, Calciumcarbonat (Kaolin), Siliziumdioxid oder Zinksulfid) enthalten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante besteht die Isolationsschicht aus einem thermisch, chemisch oder strahlungs aktivierbaren Klebstoff.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Lamellenpaket hergestellt in einem wie oben beschriebenen Verfahren.
Weiterer Gegenstand ist ein Lamellenpaket aus mindestens 2 Lamellen eines Verbundwerkstoffs der eine 1. und eine 2. Elektrobandschicht und eine dazwischen angeordnete Kunststoffschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das 1. und das 2. Elektroband unterschiedliche Stanzkanten bezüglich des Schnittzu Bruchanteils aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Statorpaket und ein Rotorpaket enthaltend ein Lamellenpaket wie oben beschrieben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Verwendung eines Lamellenpaketes wie oben beschrieben in elektrischen Verbraucher oder Erzeuger. So werden die Lamellenpakete in elektrischen Motoren und Generatoren verwendet.
Mithin ist Gegenstand der Erfindung auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen hergestellten Lamellenpakets in einem Stator. Ferner ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen hergestellten Lamellenpaketes in einem Rotor. Somit ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen hergestellten Lamellenpaketes in einem elektrischen Motor oder Generator.
Ein solches Stator- und/oder Rotorpaket kann vorzugsweise einen homogenen oder heterogenen Aufbau aufweisen. Ein homogener Aufbau besteht aus einer Vielzahl Lagen des Verbundwerkstoffs. Ein heterogener Aufbau besteht aus einer Vielzahl Lagen, also Lamellen, des erfindungsgemäß einzusetzenden Verbundwerkstoffs und dazwischen angeordneten monolithischen Elektrobandlagen. Beispielsweise kann der Aufbau eine Anordnung aufweisen, in der jede dritte Lage aus einem monolithischen Elektroband besteht. In einer Alternative kann das Paket auch nur eine, mindestens eine, mindestens 2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30, 40, 50, 100, 500, 1000, 10000, 20000, 30000, 50000 oder mehr Lagen haben, bis zu 100000 einzelnen Lamellen (Lagen).
Weiterer Gegenstand ist ein Elektromotor enthaltend ein Stator- und/oder Rotorpaket wie oben beschrieben.
Weiterer Gegenstand ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Lamellenpaketes in einem Generator sowie ein Generator enthaltend ein solches Lamellenpaket.
Neben Pakettieren als Fügeverfahren oder zusätzlich dazu werden erfindungsgemäß nieten, schrauben, löten, kleben oder schweißen eingesetzt.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Paketieren ein sicherer Zusammenhalt der Lamellen gewährleistet ist ohne dabei nachteilige Änderungen der Eigenschaften zu bewirken. Insbesondere werden dadurch weder die magnetischen, akustischen, noch isolierenden Eigenschaften des Verbundwerkstoffes im Vergleich zum Stand der Technik negativ beeinflusst. Gegebenenfalls wird durch den Erhalt der Körner im Gefüge des unteren Bleches des Verbundwerkstoffes eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften im Vergleich zu monolithischen Blech erzielt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere aufgrund der Kombination von Ausgangsmaterial mit Trenn- und Paketierschritten kann auch nicht-monolithisches Blech analog zu monolithischen Blech bearbeitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den Einsatz dünner Elektrobänder und die Nutzung der damit verbundenen Vorteile, insbesondere bezüglich der magnetischen Eigenschaften, in vorliegenden Vorrichtungen, Arbeitsprozessen und Verarbeitungstechniken die auf monolithisches Blech ausgelegt sind ohne oder nur mit geringen Änderungen.
In einer Ausführung des Verfahrens wird für die Bearbeitung des Verbundwerkstoffes als Ausgangsmaterial dasselbe Werkzeug verwendet wie für ein einlagiges, monolithisches, einzelnes Blech mit einer Dicke die gleich der Dicke eines der Bleche des mehrlagigen Ausgangsmaterials ist. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne oder mit geringfügigen Änderungen der Werkzeuge ausgeführt werden und nahtlos in eine bestehende Prozessfolge integriert werden.
In einer Ausführung des Verfahrens wird für die Bearbeitung des Verbundwerkstoffes als Ausgangsmaterial ein Werkzeug verwendet wie für ein vergleichbar dickes einlagiges, monolithisches, einzelnes Blech mit einer Dicke die gleich der Dicke des mehrlagigen Ausgangsmaterials ist.
Durch das vorliegende Verfahren können mit derselben Anzahl von Trenn- und Paketierschritten doppelt so viele Einzelbleche bzw. Rotor- oder Statorpakete hergestellt und weiter verarbeitet werden im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren. Dies führt zu einer weitaus effektiveren Nutzung der Werkzeuge da sich der Schnittbereich bzw. Schnittanteil im Vergleich zum Stanzen einzelner Bleche nicht oder nur gering verändert. Außerdem wird die Anzahl der Stanzschritte sowie die Anzahl der manuellen Schritte bei nachgelagerten Prozessschritten wie z.B. Lamellenhandling oder -bearbeitung, Reinigung, Beschichtung, Paketierung verringert.
Beispiel 1
Für das Beispiel wurden einzelne Bleche mit einer Dicke von 0,3 mm als Vergleich gestanzt. Außerdem wurden Bleche die über eine Kunststoffschicht stoffschlüssig miteinander vollflächig verfügt waren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit denselben Werkzeugen wie die einzelnen Bleche gestanzt. Das Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren wies Bleche mit einer Dicke von ebenfalls 0,3 mm auf und einer Kunststoffschicht von 6 µm. Die gestanzten Halbzeuge wurden jeweils übereinandergelegt und mikroskopisch untersucht. Das Ergebnis ist in 1 dargestellt.
Ein Stapel einzelgestanzter Bleche ist auf der linken Seite zu sehen. Zwei nach dem Stanzen übereinander angeordnete Bleche sind mit Klammern auf der linken Seite markiert. Auf der rechten Seite sind übereinandergestapelte erfindungsgemäße Halbzeuge dargestellt. Eines davon ist auf der rechten Seite mit einer Klammer markiert.
Die hellen Bereiche zeigen den Schnittbereich, bzw. Schnittanteil, die dunklen Bereiche den Bruchbereich, bzw. Bruchanteil. Deutlich erkennbar ist, dass der Bruchanteil auf der rechten Seite, dem erfindungsgemäß hergestellten Halbzeug im unteren Blech deutlich größer als im oberen Blech ist. Der Schnittbereich im unteren Blech ist am unteren Rand des unteren Blechs angeordnet.
Beispiel 2
Beispiel 2 ist ein Schnitt durch ein Lamellenpaket dargestellt (Aufnahme am Mikroskop): links monolithische Bleche mit einer Dicke von 0,3 mm; rechts ein Grundwerkstoff aus 2 Elektrobändern mit einer Dicke von jeweils 0,3 mm mit einer dazwischen gelagerten Kunststoffschicht von 6 µm. Das rechte Lamellenpaket wurde mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt mit Werkzeugen ausgelegt auf die Verarbeitung von monolithischem Blech mit einer Dicke von 0,3 mm. Die Klammer links und rechts der jeweiligen Abbildungen kennzeichnen die Dicke jeweils einer Lamelle. Deutlich ist rechts die Durchsetzung mit einer Tiefe von ca. 2 Elektrobändern zu erkennen. Ebenso deutlich ist zu erkennen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zu keiner Beschädigung im Vergleich zu monolithischen Blechen führt, sondern die einzelnen Blechlagen zeigen eine intakte Struktur.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012001744 A [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 60404-2 [0013, 0014, 0015, 0016, 0017]
DIN EN ISO 6892-1 [0018, 0019]

Claims

Verfahren zum Paketieren von mindestens 2 Lamellen aus einem Verbundwerkstoff durch Tiefen und Verpressen der aufeinander angeordneten Lamellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine 1. und eine 2. Elektrobandschicht und eine dazwischen angeordnete Kunststoffschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen durch Stanzen hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die 1. und die 2. Elektrobandschicht jeweils an der der Kunststoffschicht abgewandten Seite eine Isolationsschicht aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen zu einem Rotor oder Stator eines Elektromotors paketiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 1. und das 2. Elektrobandschicht jeweils eine Dicke von mindestens 0,05 mm und maximal 1,5 mm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht eine Dicke von mindestens 2 µm und von maximal 50 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht aus einem vernetzten hochmolekularen Acrylat basierten Copolymer besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff in einem Stanzschritt mittels Stempel und Matrize ausgestanzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das 1. und das 2. Elektroband unterschiedliche Stanzkanten bezüglich des Schnitt- zu Bruchanteils aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchsetzung einer Lamelle eine Tiefe aufweist, die größer als die Dicke einer Elektrobandschicht ist.
Lamellenpaket hergestellt in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10.
Lamellenpaket aus mindestens 2 Lamellen eines Verbundwerkstoffs der eine 1. und eine 2. Elektrobandschicht und eine dazwischen angeordnete Kunststoffschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das 1. und das 2. Elektroband unterschiedliche Stanzkanten bezüglich des Schnittzu Bruchanteils aufweisen.
Statorpaket oder Rotorpaket enthaltend ein Lamellenpaket nach Anspruch 11 oder 12.
Elektromotor enthaltend ein Stator- und/oder Rotorpaket nach Anspruch 13.
Generator enthaltend ein Lamellenpaket nach Anspruch 11 oder 12.