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Formkörper aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff, Elektromotor, Herstellungsverfahren und Verwendung dazu.
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Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus einem neuen magnetischen Metallkomposit-Werkstoff, insbesondere einem magnetischen Metall-Draht-Komposit, sowie einen Elektromotor, einen derartigen Formkörper aufweisend und weitere Verwendungen des neuen magnetischen Metallkomposit-Werkstoffes.
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In Elektromotoren kommen in fast allen Ausführungsformen Elektrobleche für die magnetische Flussführung zum Einsatz. Die Elektrobleche sind dabei meist gestapelt und/oder senkrecht zur Motorachse angeordnet. Bei Innenläufern werden sie auf die Achse aufgezogen. Die Magnetisierung liegt aus physikalischen Gründen bevorzugt in der Ebene des Elektroblechs. Zur Ausbildung des Drehmoments ist es erforderlich, dass der Fluss innerhalb dieser Ebene des Elektroblechs zur Ausbildung von Polen gekrümmt geführt wird. Dies wird durch Strukturbildung, d.h. üblicherweise subtraktiv, z.B. durch Stanzen, Prägen etc. erreicht.
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Dabei wird aus Gründen der Montage, beispielsweise beim Aufziehen auf die Achse, oder anderen mechanischen Randbedingungen bislang ein erheblicher Teil des flussführenden Materials ohne Nutzen der magnetisch funktionalen Eigenschaft eingesetzt. Speziell in Reluktanzmaschinen enthält der Blechschnitt aus mechanischen Stabilitätsgründen unvermeidliche axiale Verstrebungen. Herkömmlich werden Luftsperrenschnitte aus dem Blechmaterial heraus gestanzt und dadurch so genannte Blechschnitte erzeugt. Dabei wird das Elektroblech in ungünstiger Weise bzw. ohne Funktion eingesetzt und das MotorDrehmoment reduziert. Die bekannten Elektrobleche werden für den Einsatz im Elektromotor, insbesondere im Reluktanzmotor aufwändig paketiert, das heißt zu Paketen gebündelt.
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Alternativ zur Erzeugung des Elektroblech-Schnitts durch subtraktive Verfahren zur Strukturbildung gibt es zwar auch die Möglichkeit, durch den Einsatz so genannter weichmagnetischer Sintermetalle komplexere Formen zu erzeugen, jedoch ist die gerichtete Flussführung dabei nur eingeschränkt möglich und die mechanische Stabilität der Körper wegen der im Elektromotor wirkenden Zentripetalkräfte, Schwingungen und/oder Erschütterungen aufgrund der Sprödigkeit nur unzureichend.
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Durch den Aufbau magnetischer Metallkomposit-Werkstoff-Geweben wie bereits aus der
EP 18164736.3 bekannt, ist es möglich, ein Elektroblech aus einem anisotropen magnetischen Komposit-Werkstoff aus einem Gewebe mit zumindest teilweise magnetischen Fasern zur Herstellung eines Elektromotors, insbesondere einen Reluktanzmotors einzusetzen. Dort wird beschrieben, wie durch den manuellen Aufbau aus Metalldraht-Geweben in Form einer Stapelung von magnetischen Metallkomposit-Laminat-Lagen durch eine einfache Krümmung des flussführenden Materials die maximale Nutzung des Flusses in Vorzugsrichtung ermöglicht wird. Dieser neue magnetische Metallkomposit-Werkstoff auf Gewebebasis wird demnach genau wie die bisher üblichen Elektrobleche eingesetzt.
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Es ist noch keine Lösung bekannt, wie das neue optimierte Material des magnetischen Metallkomposit-Werkstoffs an einen - typischerweise rotationssymmetrischen - Träger angebunden wird, insbesondere, weil in der Anwendung hohe Zentripetalkräfte wirken und die strukturmechanische Festigkeit zu gewährleisten ist.
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Wünschenswert wäre daher ein optimierter Materialaufbau aus mechanisch belastbarem Konstruktionswerkstoff und magnetisch flussführendem Material sowie ein geeignetes, insbesondere automatisierbares Herstellungsverfahren, das eine einfache Krümmung des flussführenden Materials zur maximalen Nutzung des Flusses in Vorzugsrichtung ermöglicht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, also eine Lösung zur Schaffung eines Formkörpers aus einem magnetischen Metallkomposit-Werkstoff sowie dessen Anbindung an einen Träger wie eine Motorachse und/oder dessen automatisierbare Herstellung.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen definiert wird, gelöst.
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Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Formkörper aus einem magnetischen Metallkomposit-Werkstoff, der in Form einer Drahtwicklung oder eines oder mehrerer Teile einer Drahtwicklung vorliegt, wobei die Drahtwicklung eine Vielzahl von Einzeldrähten umfasst, die jeweils durch ein Matrixmaterial voneinander elektrisch und magnetisch isoliert sind und der magnetische Metallkomposit-Werkstoff als Ganzes oder ein oder mehrere Teile davon den Formkörper bilden. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Elektromotor, einen Stator und einen Rotor umfassend, wobei der Rotor eine Rotorachse hat, die zumindest eine daran angeordnete Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff aufweist. Schließlich ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorachse mit daran angeordneter Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff, zumindest einen Verfahrensschritt der Wicklung des Drahtes und einen Verfahrensschritt der Einbettung des Drahtes in ein isolierendes Matrixmaterial umfassend.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der magnetische Metallkomposit-Werkstoff einen „mechanisch belastbaren Konstruktionswerkstoff“ und ein „magnetisch flussführendes Material“.
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Als „durch ein Matrixmaterial voneinander elektrisch und magnetische isoliert“ wird vorliegend bezeichnet, wenn zwischen den Drähten ein Matrixmaterial vorliegt, das dielektrisch und nicht magnetisch ist. Die Magnetisierung ist dort unterbrochen.
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Als „Draht“ wird vorliegend nicht nur ein einzelner Strang bezeichnet, sondern auch ein Drahtgeflecht, ein Drahtzopf und/oder ein Drahtgewebe, das - beispielsweise bei der Herstellung auf dem Webstuhl - parallel zur Abrolllänge der Geweberolle läuft. Ein Draht kann gemäß der vorliegenden Beschreibung um einen Träger, beispielsweise eine Rotorachse und/oder eine sonstige Motorenkomponente, gewickelt werden, weil ein Draht herstellungsbedingt immer lang aber von im Verhältnis zur Länge ganz geringem Durchmesser oder Breiten/Tiefen-Ausdehnung ist. Das ergibt immer ein extremes Aspektverhältnis des Drahtes. Ein Draht im vorliegenden Sinn ist nicht an etwas mit einem runden oder ellipsoiden Querschnitt gekoppelt, insbesondere kann ein Draht nach der vorliegenden Erfindung auch einen eckigen, insbesondere einen quadratischen Querschnitt haben.
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Ein „Draht“ im vorliegenden Sinn umfasst zumindest eine „Faser“, die magnetisch, insbesondere ferromagnetisch, insbesondere weichmagnetisch ist. Die Faser kann zur Bildung des Drahtes beliebig beschichtet, kombiniert mit weiteren magnetischen und nicht magnetischen Fasern und/oder verwoben vorliegen.
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Der magnetische Metallkomposit-Werkstoff ist dabei insbesondere bevorzugt so aufgebaut, dass sich ein anisotroper Werkstoff ergibt. Beispielsweise können Querfasern, die zur Stabilisierung im Draht vorhanden und ohne magnetische Eigenschaften sind, auch den Draht überragen.
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Ein Draht im vorliegenden Sinn kann nach beliebigen Webarten hergestellt sein und ein Bündel von „Fasern“ oder „Einzel“-Drähten, ein nach seinem Aspektverhältnis als Draht einsetzbares Gewebe, ein Faserverbund, ein Zopf, einen Maschendraht und/oder eine sonstige Einheit, zumindest eine magnetische Faser umfassend, sein. „Zumindest eine magnetische Faser umfassend“ bedeutet dabei, dass in Wickelrichtung des Drahtes eine Magnetisierung vorliegt, die in der Wicklung einen Flusspfad erzeugt. Dabei können noch andere, insbesondere auch nicht magnetische und/oder nicht metallische, insbesondere auch polymere, metalloxidische, glasartige und/oder mineralische Fasern, insbesondere zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit, im Draht enthalten sein. Letztere werden vorliegend auch als „mechanisch belastbarer Konstruktionswerkstoff“ bezeichnet, weil sie die mechanische Festigkeit des Komposit-Werkstoffes bewirken und/oder unterstützen.
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Wenn mehrere Fasern aus verschiedenen Materialien zu einem Draht verwoben werden, dann spricht man von Hybrid-Draht oder Hybrid-Gewebe. Dies liegt beispielsweise vor, wenn eine metallische, magnetische und/oder weichmagnetische Faser- vorliegend auch als „magnetisch flussführendes Material“ bezeichnet - mit einer Glas- oder Kunststofffaser zu einem Draht - beispielsweise als Zopf - verflochten werden.
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Als magnetisch flussführendes Material können alle magnetischen, ferromagnetischen, weichmagnetischen und magnetisierbaren Materialien eingesetzt werden. Beispielsweise wird Eisen, Cobalt, Nickel und/oder beliebige Legierungen davon und andere magnetische Materialien wie niedrig legierte Stähle oder Weichferrite, insbesondere gegebenenfalls mit Beschichtung, eingesetzt. Die Drähte können - beispielsweise zum Korrosionsschutz - beschichtet sein, beispielsweise verzinkt. Diese Beschichtung ist jedoch nicht Teil des weiter unten ausgeführten Verfahrens der Beträufelung mit flüssigem Matrixmaterial und nachfolgende Einbettung des Drahtes in eine isolierende Matrix.
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Als „Drahtwicklung“ wird vorliegend eine dem Umfang nach umschließende Anbringung eines Drahtes auf oder an einen Träger bezeichnet. Insbesondere hat eine Drahtwicklung bevorzugt eine Mehrzahl von Windungen, die den Träger umfänglich umgeben. Durch die Anzahl der magnetischen Fasern der Einzeldrähte und der in der Drahtwicklung umfassten Menge an magnetisch flussführendem Material kann die zu erzeugende Magnetisierung beeinflusst werden.
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Zur Bildung des Elektromotors kann eine oder mehrere Drahtwicklungen um die Rotorachse vorgesehen sein. Die Drahtwicklung(en) können untereinander gleich oder verschieden sein.
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Der Träger ist beispielsweise die Achse eines Elektromotors, der Kern einer Induktivität und/oder eines Trafos. Insbesondere ist der Träger bevorzugt die Rotorachse eines Elektromotors. Der Träger selbst kann auch Drähte, insbesondere Drahtbündel, umfassen. Schließlich kann der Träger selbst, wie die Wicklung im Wesentlichen auch Drahtbündel, die in einem isolierenden Matrixmaterial eingebettet sind, umfassen.
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Zur Bildung der Drahtwicklung werden entweder bereits beschichtete Drähte eingesetzt, und/oder unbeschichtete Drähte werden während und/oder nach der Wicklung mit isolierenden Polymeren, insbesondere isolierenden Vergussmassen vergossen, beschichtet und/oder in diese - beispielsweise durch Einsprühen und/oder Einbringen in ein Tauchbad - eingebettet. Als geeignete isolierende Vergussmassen, Lacke und/oder Isolierlacke können prinzipiell alle bekannten, elektrisch isolierenden Polymere, wie beispielsweise Thermoplaste, Duroplaste, Adhesives, also Klebstoffe, und/oder Elastomere, alle vorgenannten Polymere gefüllt oder ungefüllt vorliegend, beispielsweise Epoxidharz-haltige Polymere und/oder sonstige Vergussmassen, eingesetzt werden. Diese dienen dazu, Einzeldrähte, die magnetisch und/oder elektrisch leitend sind, voneinander magnetisch und/oder elektrisch zu isolieren. Es können als Füllstoffe Partikel in verschiedenen oder einer Fraktion, nach Größe, Material und/oder Partikelform verschieden oder gleich, beispielsweise Keramikpartikel, mineralische Partikel Mikro- und/oder Nanopartikel, Partikel mit speziellen Eigenschaften, Beschichtungen und/oder Dotierungen, wie wärmeleitfähige Partikel, alle vorgenannten in beliebigen Kombinationen, eingesetzt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Formkörper nicht aus einem Stück Drahtwicklung, sondern in einem oder mehreren Teil(en) vor. Beispielsweise liegt die Drahtwicklung segmentiert, in Form von Segmenten vor. Dazu wird nach erfolgter und gehärteter Wicklung des Drahtes dieser geteilt und/oder geschnitten und/oder durch sonstige Mittel segmentiert. Ein derartiges Teilstück einer Drahtwicklung nach der Erfindung wird dann als „Segment“ bezeichnet. Zur Bildung des Formkörpers können mehrere Segmente, die aus unterschiedlichen Drahtwicklungen ausgeschnitten sind, eingesetzt werden. Ebenso gut können ungeschnittene Drahtwicklungen mit einem oder mehreren Segment(en) einer oder mehrerer weiterer Drahtwicklung(en) zur Herstellung des Formkörpers eingesetzt werden. Es handelt sich also um ein Baukastenprinzip zur Herstellung des Formkörpers, das ganze Drahtwicklungen und beliebige Segmente als Bauteile liefert.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird zur Herstellung der Drahtwicklung und Formgebung des Formkörpers und/oder eines Teilstückes davon, eines Segments, die Wicklung der Einzeldrähte oder Drahtbündel durch Andrückrollen und/oder Stößel auf dem Träger unterstützt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zur Herstellung der Drahtwicklung und Formgebung des Formkörpers wird eine oder mehrere Andrückhilfe(n) wie beispielsweise Stempel die von der, dem Träger gegenüberliegenden, Seite auf die Wicklung einwirken, eingesetzt.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Drahtwicklung aus Drahtbündel(n) hergestellt.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Drahtwicklung noch über Mittel zur Halterung wie beispielsweise Bolzen etc. am Träger fixiert.
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Durch die Integration eines magnetischen Metallkomposit-Werkstoffs in Form von eingebetteten Drähten wird die Funktion der magnetischen Flussführung von der mechanischen Stabilitätsfunktion weitgehend entkoppelt. Hierdurch können vorteilhaft magnetische Pole ortsaufgelöst dargestellt werden. Darüber hinaus ist eine Erhöhung der Polzahl im Vergleich zu herkömmlichen Blechschnitten in Elektromotoren leichter zu realisieren. Beispielsweise kann für einen Motor, der mit einer Drahtwicklung nach einer Ausführungsform der Erfindung bestückt ist, eine deutlich erhöhte Leistung bei hohen Drehzahlen erwartet werden.
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Weitere Vorteile der Drahtwicklung aus einem magnetischen Metallkomposit-Werkstoff im Vergleich zu herkömmlichen Elektroblechen oder Blechschnitten zur Flussführung im Elektromotor sind auch die Möglichkeit großer Hohlwellen, weil der magnetische Nutzfluss eine geringe Eindringtiefe in den Rotor hat. Hinzu kommen geringe Drehmomentwelligkeit, geringe Schwinganregung und geringe Geräuschentwicklung durch eine homogene Feldverteilung. Herkömmlich wird in Elektroblechen oder Blechschnitten Silizium zulegiert, um den elektrischen Widerstand zu erhöhen und Wirbelstromverluste zu reduzieren. Zugleich reduzieren diese jedoch die Sättigungsmagnetisierung und somit den leitbaren magnetischen Fluss. Wegen der Flussführung in Drähten sind Wirbelstromverluste aufbaubedingt stark reduziert und es kann auf Legierungselemente wie Silizium verzichtet werden. Dies erhöht die erreichbare Sättigungsmagnetisierung und damit die Flussleifähigkeit mit günstiger Auswirkung auf die erreichbare Motorperformance.
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Die Formgebung der Segmente der Drahtwicklung erfolgt durch Wicklung des Drahts um einen Träger nachfolgende Segmentierung der Drahtwicklung. Dabei kann der zu umwickelnde Körper an die gewünschte Segmentgeometrie angepasst werden. Beispielsweise können Kreissegmente, flache Formen, Quader, oder parabelförmige Segmente erzeugt werden. Die Wicklungstechnik ermöglicht es, den Aufbau über die gesamte Länge der Motorwelle durchzuführen.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Aufbau für einen Elektromotor zur Verfügung, der eine Drahtwicklung eines magnetischen Metallkomposit-Werkstoffs mit einer integrierten Anbindung an einen - beispielsweise - nicht ferromagnetischen Kern, zeigt. Für die Polbildung sind die magnetischen Drähte in den magnetischen Metallkomposit-Werkstoff integriert. Ein vorteilhafter Aufbau umfasst wicklungstechnisch integrierte metallische Drähte, die entsprechend der gekrümmten Flussführung zu Segmenten zusammengefasst und/oder direkt oder anschließend auf einen Träger, beispielsweise den Kern, aufgebracht und/oder damit verbunden werden. Dabei sind die einzelnen Drähte magnetisch und elektrisch isoliert. Dies kann bereits während des Wickelvorgangs erfolgen und beschleunigt den Herstellprozess für die Herstellung einer Rotorachse mit daran angeordneter Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand ausgewählter Beispiele, die einige Ausführungsformen der Erfindung wiedergeben, näher erläutert.
- 1a und 1b zeigen zwei Querschnitte einer Rotorachse eines Reluktanzmotors im Vergleich, Elektrobleche nach dem Stand der Technik links in 1a und gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung rechts in 1b.
- 2 zeigt schematisch die Wicklung von Draht mit Beschichtung.
- 3 zeigt Beispiele für die Geometrievariabilität der Segmente aus Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff.
- 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die schematische Wicklung von Draht auf einen Träger.
- 5 zeigt schematisch die Segmentierung von Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff und Querschnitts-Beispiele für Ausführungsbeispiele für einen Draht.
- 6 und 7 zeigen Befestigungsvariationen für die Drahtwicklung auf dem Träger.
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1a zeigt links den Stand der Technik für einen Reluktanzmotor 1, den Träger, die Rotorachse, oder die Welle 2 mittig mit Blechschnitt 3 mit gestanzten Flusssperren 4. Demgegenüber zeigt 1b eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Träger 5, Befestigungsbolzen 6 und dem magnetischen Metallkomposit-Werkstoff 7 in Form von Segmenten 8 einer Drahtwicklung, die in 1a nicht gezeigt sind, weil der Stand der Technik ohne Draht ist. Die Befestigungsbolzen 6 sind bevorzugt aus nicht ferromagnetischem Material, damit sie den magnetischen Fluss - beispielsweise eines Elektromotors - nicht stören.
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2 zeigt schematisch wie die Wicklung des Drahtes nach einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt: Der Draht 9 wird auf einen Träger 5 aufgewickelt. Unmittelbar vor der AufWicklung wird der Draht 9 mit einem isolierenden Matrixmaterial 10, das als Tropfen symbolisiert dargestellt ist, benetzt, so dass der Draht 9, eingebettet in Matrixmaterial 10 aufgewickelt wird. So wird ein magnetischer Metallkomposit-Werkstoff 7 erzeugt. Rechts in 2 ist noch durch Pfeil 11 dargestellt wie die Drahtwicklung von einem Ende des Rotor-Kerns 5 zum anderen Ende erfolgt.
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3 zeigt unterschiedliche Geometrien für die Flussführung anhand der Wicklung auf verschiedene Träger 5. Durch die Wicklung auf den Träger 12 können Segmente 13 und 14 von Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff erzeugt werden. Durch eine Wicklung auf den Träger 15 hingegen kann das Segment 16 von Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff erzeugt werden.
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4 zeigt schematisch die direkte Wicklung von Draht 9 mit Beschichtung (nicht gezeigt), wobei eine komplexe Gestalt eines Formkörpers mit einer Drahtwicklung direkt erzeugt wird, also ohne Bildung von Segmenten, sondern durch direkte Wicklung des Drahtes 9 auf einen komplex geformten Träger 17.
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5a zeigt ein weiteres Beispiel gemäß den Beispielen von 3, wie Segmente 20 einer Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff 7 zu erzeugen sind. Durch Drahtwicklung 22 um einen runden Träger 21 und Aushärten des Matrixmaterials 10 entsteht der magnetische Metallkomposit-Werkstoff 7, der, wenn er entlang der Schnittlinien 19 geschnitten wird, die Segmente 20 ergibt.
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5b zeigt einen Querschnitt durch ein magnetisches Metallkomposit-Werkstoff-Segment mit Drähten 9 zur magnetischen Flussführung. Die Querschnittsfläche der Drähte 9 kann beispielsweise rund oder eckig sein. Die einzelnen Drähte haben beispielsweise einen Querschnitt im Bereich von 10µm bis 1mm, insbesondere von 50µm bis 700µm, und besonders bevorzugt von 100µm bis 500µm. Bei Drähten 9 mit eckiger, insbesondere quadratischer Querschnittsfläche kann ein hoher Füllgrad des Segments 20 mit flussführendem magnetischem Material 9 der Drähte 9 erreicht werden. In 5b unten ist ein Kanal 18 im Segmentquerschnitt zur erkennen, der einen Kanal für einen Befestigungsbolzen 6 bildet. Durch den hier gezeigten Kanal 18 können beispielsweise die in 1b gezeigten Befestigungsbolzen 6 durch Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff 7 hin zum Träger 5 getrieben werden und damit die Stabilität des Verbunds steigern.
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6 zeigt Befestigungsvariationen der Segmente 13, 14, 16 und 20 oder einer nicht segmentierten Drahtwicklung 7 aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff 7 an einem Träger, wie dem Kern 5 eines Reluktanzmotors 1. Die Ansichten sind mit denen aus 1b vergleichbar. Zu erkennen ist wieder der Kern 5 eines Reluktanzmotors 1, an den Segmente 13,14,16 und 20 über zwei verschiedene Befestigungsmethoden, einmal - siehe links und 1b - über Befestigungsbolzen 6 und einmal siehe 6 rechts - über am Kern 5 angebrachte Strukturelemente 23 mit gegebenenfalls am Segment angebrachten Gegenstrukturelementen zur Bildung einer formschlüssigen Verbindung 23.
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7a und 7b zeigen weitere Variationen, wie die Drahtwicklung aus magnetischem Metallkomposit-Werkstoff 7, insbesondere in Form von Segmenten 13,14,16 und 20 an einem Träger 5 fixierbar sind.
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Zum einen können die Segmente 13,14,16 und 20 in Taschen 25 des Trägers 5 eingeschoben und dann dort fixiert werden. Andererseits können die Segmente 13,14,16 und 20 auch durch Andrückhilfen 26 in Position am Träger 5 gehalten werden. Bevorzugt wird dann die Konstruktion aus Träger 5, Segment 13,14, 16 oder 20 und Andrückhilfe 26 noch mittels einer Bandage 24, die beispielsweise den Verbund vollumfänglich wie ein Gürtel umgibt, stabilisiert.
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Schließlich wird in 7b noch gezeigt, wie eine Bandage im Querschnitt links und in der Aufsicht, rechts, den Verbund aus Träger 5 und Segmenten 13,14,16 und 20 stabilisiert.
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Insgesamt erfolgt die Formgebung der Segmente 13,14,16 und 20 durch Wicklung des Drahts um einen Träger 5 und anschließender Segmentierung der Drahtwicklung 7 entlang von Schneidelinien 19. Dabei kann der zu umwickelnde Träger 5 an die Segmentgeometrie angepasst werden, um z.B. Kreissegmente, flache Formen, wie beispielsweise Quader, oder parabelförmige Segmente zu erzeugen. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung des magnetischen Materials im Vergleich zur klassischen Elektroblechvariante - siehe 1a - bei der Luftsperrenschnitte aus dem Material heraus gestanzt werden. Weiterhin ermöglicht die Wicklungstechnik, den Aufbau über die gesamte Länge der Motorwelle, siehe 2, linke Hälfte, durchzuführen. Die aufwändige Paketierung analog zu Elektroblechen entfällt. Auch gegenüber dem Aufbau aus Drahtgewebeschichten ist die Drahtwicklung vorteilhaft, weil höhere Füllfaktoren erzielbar sind.
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Für eine bessere Drahtposition und Konsolidierung kann der Wickelprozess durch Andrückhilfen 26, wie Andrückrollen und/oder Stößel unterstützt werden. Alternativ ist das Ablegen von Draht, auch unter Verwendung von Andrückhilfen 26, in der benötigten Endgeometrie eine Möglichkeit.
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Der Draht (beschichtet oder unbeschichtet) kann vor oder während des Wickelns mit einem zweiten Material beschichtet werden, das als magnetisch und elektrisch isolierende Matrix des magnetischen Metallkomposit-Werkstoffs fungiert. Wird beispielsweise ein in situ härtendes Matrixmaterial verwendet, z.B. thermoplastisch, könnte auch direkt auf den Kern gewickelt werden, so dass eine spätere Befestigung entfällt. Alternativ kann z.B. ein isolierter Draht gewickelt und anschließend mit einem zweiten Material als Matrix für den magnetischen Metallkomposit-Werkstoff infiltriert werden.
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Bevorzugt ist der Anteil an unmagnetischen Materialien im magnetischen Metallkomposit-Werkstoff möglichst gering. So kann anstelle des herkömmlichen runden oder kreisförmigen Draht-Querschnitts ein rechteckiger Draht-Querschnitt eingesetzt werden, wie in
5b gezeigt. Dies ermöglicht höhere Füllgrade des Komposits mit magnetisch leitendem Material. Auch können mit der Wickeltechnik höhere Füllfaktoren realisiert werden, als bei der Verwendung von - beispielsweise - Drahtgeweben, wie sie aus der
EP 18164736.3 bekannt sind.
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Für die Befestigung der Segmente 13,14,16 und 20 auf dem Träger 5 können senkrecht zum Drahtverlauf 9 im magnetischen Metallkomposit-Werkstoff 7 Kanäle 18 - siehe 5 - integriert werden, durch die nicht magnetischen Schrauben und/oder Befestigungsbolzen 6 gesteckt werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Segmente 13, 14, 16 und 20 mit einer Bandage 24 auf den Träger gewickelt. Hierfür ist es auch möglich, Haltestrukturen während des Wickelvorgangs in die Segmente 13,14,16 und 20 zu integrieren. Des Weiteren ist durch die gezielte Einbringung von Strukturelementen 23 auf einer Seite des Segments 13,4,16 und 20 und gegengleicher Strukturelemente auf dem Träger 5 eine formschlüssige Verbindung möglich.
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Weiterhin kann der Träger 5 Taschen 25 aufweisen, in die die Segmente 13,14, 16 und 20 eingeschoben und fixiert werden. Auch ein gradierter Aufbau mit einem Wechsel von nichtferromagnetisch zu ferromagnetischem Material ist denkbar.
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Durch die vorliegende Erfindung wird erstmals eine Lösung angegeben, wie Formkörper, beispielsweise magnetische und gekrümmte Konstruktions-Teile, insbesondere eines Elektromotors, anders als aus gestanzten und geschnittenen Elektroblechen herstellbar sind. Dazu wird ein magnetischer Metallkomposit-Werkstoff angegeben, der in Draht-Wickeltechnik auf einem Träger hergestellt wird und dann in einem Stück und/oder in beliebig geformte Segmente unterteilbar und/oder als Drahtwicklung und/oder in Form eines oder mehrerer verbundener, Segmente einsetzbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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