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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Wärmebehandlungsprozess für Stahl, der in elektrischen Maschinen verwendet wird.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Elektrostahl ist ein einzigartiger Stahl, der dazu verwendet wird, konkrete magnetische Eigenschaften zu erzeugen. Elektrostahl wird normalerweise in weniger als 2 mm dicken kaltgewalzten Bändern hergestellt. Diese Bänder werden geschnitten, um die Blechpakete für Transformatoren und den Stator und den Rotor von Elektromotoren zu bilden. Der Elektrostahl wird häufig mit unterschiedlichen Verfahren in Form geschnitten, wie etwa Stanzen, Schneiden (z. B. Wasserstrahlbehandlung oder Laserschneiden) und Stanzen, einem Prozess, bei dem ein flacher Abschnitt Stahl in einer Matrize platziert und mit einem Werkzeug gepresst wird, um die gewünschte Fläche zu bilden. Das Stanzen von Elektrostahl kann Restspannung herbeiführen, wobei die Eigenspannungsverteilung in einem Material eingeschlossen wird. Diese Spannung ist selbst dann vorhanden, wenn keine externe Belastung auf das Material angewendet wird.
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Restspannung in elektrischen Komponenten führt zu Kernverlust und einer Abnahme der Energieeffizienz. Kernverlust ist in bestimmten Vorrichtungen vorhanden, die einen Kern beinhalten, der einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt ist, wie etwa Transformatoren, Induktionsspulen, Wechselstrommotoren und Lichtmaschinen. Idealerweise verliert sich das Magnetfeld, das durch die Vorrichtung übertragen wird, im Kern und wird durch Wärme oder Schall oder beides zerstreut. Die Restspannung, und seinerseits der Kernverlust, können durch einen Metallbearbeitungsprozess verringert werden, der Glühen genannt wird. Glühen ist ein Wärmebehandlungsprozess, der die physischen und manchmal die chemischen Eigenschaften des Materials verändert, das behandelt wird. Induktionsglühen ist eine Art des Glühens, die das Erwärmen der elektrischen Komponente durch das Erzeugen von Wirbelströmen innerhalb der Komponente einbezieht.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stators bereitgestellt. Das Verfahren kann das Stanzen von Stahl in Lamellen beinhalten, von denen jede einen inneren Randbereich aufweist, der eine Restspannung definiert, die einer magnetischen Durchlässigkeit zugeordnet ist. Das Verfahren kann ebenfalls beinhalten, dass die Lamellen derartig einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt sind, dass für jede der Lamellen eine Dichte sich ergebender Wirbelströme am größten nahe dem inneren Randbereich ist, um diesen in Bezug auf Mittelbereiche der Lamelle zu erwärmen, um die Restspannung und den Kernverlust zu senken.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorbaugruppe bereitgestellt. Das Verfahren kann das Stanzen von Stahl in Lamellen beinhalten, von denen jede einen äußeren Randbereich aufweist, der eine Restspannung definiert, die einer magnetischen Durchlässigkeit zugeordnet ist. Das Verfahren kann ebenfalls beinhalten, dass die Lamellen derartig einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt sind, dass für jede der Lamellen eine Dichte sich ergebender Wirbelströme am größten nahe dem äußeren Randbereich ist, um diesen in Bezug auf Mittelbereiche der Lamelle zu erwärmen, um die Restspannung und die magnetische Durchlässigkeit zu senken.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Das Verfahren kann das Stanzen von Stahl in Lamellen beinhalten, von denen jede einen inneren und äußeren Randbereich aufweist. Das Verfahren kann ebenfalls beinhalten, dass relative Bewegungen zwischen den Lamellen und einer Spule verursacht werden, was einen sich verändernden Magnetfluss erzeugt, wodurch die Lamellen derartig dem Fluss ausgesetzt werden, dass eine Dichte von sich ergebenden Wirbelströmen am größten nahe den Randbereichen ist, um die Randbereiche in Bezug auf Mittelbereiche der Lamelle zu erwärmen, um die Restspannung zu senken und die magnetische Durchlässigkeit zu erhöhen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess nach dem Stand der Technik veranschaulicht, der traditionelles Spannungsfreiglühen für Elektrostrahl beinhaltet.
- 2 ist ein Ablaufdiagramm, dass einen Prozess veranschaulicht, der einen örtlich begrenzten Induktionswärmebehandlungsprozess für Elektrostahl beinhaltet.
- 3 ist eine Draufsicht einer beispielhaften Rotorlamelle, die beispielhafte örtlich begrenzte induktionswärmebehandelte Gebiete veranschaulicht.
- 4 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Toroiden oder Rings, der einem örtlich begrenzten Induktionswärmebehandlungsprozess gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung unterzogen wird.
- 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Rotorbaugruppe, die einem örtlich begrenzten Induktionswärmebehandlungsprozess gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung unterzogen wird.
- 5A ist eine teilweise Draufsicht einer Lamelle und des Magnetflusses und parasitären Magnetflusses, die darin gezeigt sind.
- 6 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Statorbaugruppe, die einem örtlich begrenzten Induktionswärmebehandlungsprozess gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung unterzogen wird.
- 7 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Statorbaugruppe, die einem örtlich begrenzten Induktionswärmebehandlungsprozess gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung unterzogen wird.
- 8 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Statorbaugruppe, die einem örtlich begrenzten Induktionswärmebehandlungsprozess gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung unterzogen wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nach Bedarf werden in dieser Schrift detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; dabei versteht es sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind in dieser Schrift offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
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Dauermagnetmaschinen verfügen über Magnete, die auf einem Rotor, der von einem Stator umgeben ist, montiert oder in ihn eingebettet sind. Die Magnete, die auf dem Rotor montiert oder in ihn eingelagert sind, sind an die strominduzierten internen Magnetfelder des Motors gekoppelt, die von elektrischer Eingabe an den Stator erzeugt sind. Ähnlich wie bei anderen Wechselstrom-(AC-)Induktionsmotoren wird elektrischer Strom durch die Statorwicklungen zugeführt.
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Getrennte Gruppen von Statorzähnen und die Statorwicklungen bilden mehrere Magnetpole, die ein Flussstrommuster erzeugen, wenn die Statorspulen mit einer mehrphasigen Sinusspannung gespeist sind. Eine dreiphasige elektrische Maschine hätte beispielsweise insgesamt 8 Pole und 48 Aussparungen. Eine Gruppe von 6 Aussparungen wäre charakteristisch für jeden Pol der in dieser Schrift offenbarten bestimmten Beispiele einer elektrischen Maschine mit 48 Aussparungen. Der magnetische Fluss, der von den Statorwicklungen erstellt wurde, wirkt derart mit dem Rotorfluss zusammen, der von den Dauermagneten in einem Rotor einer Dauermagnetmaschine erstellt wurde, dass ein Rotordrehmoment erstellt wird, wenn die Statorwicklungen mit einer mehrphasigen Spannung gespeist werden.
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Dauermagnete des Rotors können auf unterschiedliche Weisen positioniert oder ausgerichtet sein, um gewünschte Magnetfelder zu erzeugen. Jeder der Pole kann durch einen einzelnen Dauermagneten gebildet sein, der mit einem Pol (d. h. Nord oder Süd) in die radial nach außen verlaufende Richtung ausgerichtet ist. Die Pole des Rotors können durch Gruppen von Dauermagneten gebildet sein, die angeordnet sind, um kooperativ Magnetpole zu bilden. Eine derartige Anordnung richtet die Magnete in einem V-förmigen Muster aus. Der innere Abschnitt des „Vs“ weist ähnliche magnetische Pole auf, die kooperieren, um einen magnetischen Pol des Rotors zu bilden. Jeder der Dauermagneten kann in Taschen oder Hohlräumen angeordnet sein, um die Dauermagnete festzuhalten. Diese Taschen oder Hohlräume sind typischerweise rechteckig und zum Aufnehmen der Dauermagnete dimensioniert.
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Das von den Statorwicklungen erzeugte Drehmoment und das Rotorflussfeld entwickeln eine gleichmäßige Drehmomentkomponente und eine variierende Drehmomentkomponente. Das Gesamtausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine ist eine Kombination aus beiden Komponenten. Aufgrund der variablen Drehmomentkomponente wird ein Drehmomentwelligkeitsphänomen erstellt, was zu Geschwindigkeitsschwingungen des Motordrehmomentausgangs führt, wenn die elektrische Maschine als ein Motor wirkt. Drehmomentwelligkeit wird in Elektromotoren durch ein Zusammenwirken zwischen den harmonischen Magnetflüssen, die von den Dauermagneten erzeugt werden, und dem Strom in den Statorwicklungen verursacht. Eine Reduzierung des harmonischen Flusses, der von dem Dauermagneten erzeugt wird, führt zu einer Reduzierung der Drehmomentwelligkeit sowie der Eisenverluste.
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Es hat sich herausgestellt, dass örtlich begrenzte Induktionswärmebehandlung bestimmter Komponenten zu einer Abnahme der Eisenverluste führt. Insbesondere führt die örtlich begrenzte Induktionswärmebehandlung zu einer Erhöhung der magnetischen Durchlässigkeit des behandelten Bereichs und einer Kernverlustverringerung zwischen 2% und 10 %. Die Verringerung von Kernverlusten ist an die Abnahme an Energie gekoppelt, die für die Wärmebehandlung benötigt wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die örtlich begrenzte Induktionswärmebehandlung verwendet werden, um die magnetische Durchlässigkeit bestimmter Bereiche der Lamelle zu senken, um den parasitären magnetischen Fluss zu senken. Auch wenn vorstehend Beispiele von Elektromotoren erwähnt sind, zielt diese Offenbarung darauf ab, Eisenverluste zu verringern, die durch Restspannung verursacht werden, die an oder nahe gestanzter Ränder von Elektrostahl gefunden wird, und ist nicht nur auf die vorher beschrieben Komponenten beschränkt.
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Elektrostahl wird in elektrischen Anwendungen verwendet, um die vorstehend erwähnten elektrischen Vorrichtungen zu konstruieren. Elektrostahl kann eine Reihe von Legierungen beinhalten, die vorteilhafte magnetische Eigenschaften für die Konstruktion von elektrischen Maschinen aufweisen. Für Elektrostahl geeignete Eisenlegierungen können einen Prozentanteil von Silizium von bis zu 6,5 % beinhalten. Elektrostahl wird typischerweise zu Blechen ausgeformt, die geschnitten oder ausgestanzt werden können, um Lamellen zu bilden. Im Betrieb zerstreut die zyklische Änderung des angewendeten Magnetfelds Energie im Elektrostahl, ein Phänomen, das als Kernverlust bezeichnet wird. Die Wirksamkeit der elektrischen Komponente kann durch das Verringern des Kernverlusts im Elektrostahl erhöht werden.
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Ein Ablaufdiagramm 10 des herkömmlichen Herstellungsprozesses beinhaltet das Empfangen eines vollständig verarbeiteten Elektrostahls 12 und das Ausstanzen der Elektrostahlbleche zu einer endbearbeiteten Form durch einen Stempel und eine Matrize 14. Vollständig verarbeiteter Stahl bezieht sich auf Elektrostahl, der mit einer isolierenden Beschichtung, vollständiger Wärmebehandlung und definierten magnetischen Eigenschaften geliefert wird. Nach dem Ausstanzen 14 können die Lamellen gestapelt und wie bei 16 dargestellt montiert werden. Am Ausstanzprozess, der dem Vorgang 16 vorangeht, sind starke Scherkräfte an der Schnittkante der Formen beteiligt und führen daraufhin zu plastischer Verformung in diesen Bereichen. Die plastische Verformung oder Belastung führt zu Restspannung, die sich auf die magnetischen Eigenschaften des Kerns auswirkt. Insbesondere kann die Restspannung, die häufig örtlich auf die Nähe der Stanzrandes begrenzt ist, zu einer Erhöhung der magnetischen Durchlässigkeit des Bereichs nahe des Stanzrandes führen. Die Abnahme der magnetischen Durchlässigkeit und die Erhöhung der Hystereseschleife kann Kernverluste erhöhen, welche die Leistung und Wirksamkeit der elektrischen Vorrichtung senken. Kernverluste können als Eisenverluste bezeichnet werden und sind als austauschbar zu verstehen.
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Es können unterschiedliche Methoden verwendet werden, um die durch den Schneidprozess induzierten Restspannungen zu beseitigen. Es kann zum Beispiel Spannungsfreiglühen (stress relief annealing - SRA) 18 verwendet werden. An dem SRA sind Wärmebehandeln des ausgestanzten elektrischen Elektrobleches oder des montierten Kerns bei erhöhten Temperaturen über einen längeren Zeitraum beteiligt. Vorherige Spannungsfreiglühmethoden setzten das gestanzte Elektroblech oder die Baugruppe einer Temperatur von 750 ° für mindestens dreißig Minuten aus. Unter bestimmten Umständen kann die Zeit, die für das Glühen benötigt wird, mehr als 240 Minuten betragen. Der lange Zeitraum, der für das Glühen benötigt wird, erhöht die Kosten aufgrund der langen Zykluszeit. Es wird während des SRA eine Vakuum- oder Schutzgasumgebung benötigt, um eine Oxidation des Elektrostahls zu verhindern. Andere Verfahren des SRA können Induktionserwärmen des ausgestanzten Elektroblechs oder des montierten Kerns beinhalten. SRA durch Induktionserwärmen kann das Versorgen einer Spule oder eines Magnetkerns oder beider mit Strom beinhalten, sodass der elektromagnetische Fluss das gesamte Elektroblech oder den montierten Kern durchdringt.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Ablaufdiagramm 100 veranschaulicht, dass einen Prozess veranschaulicht, der ein örtlich begrenztes Wärmebehandeln einer Lamelle durch Induktionserwärmen beinhaltet. Es ist zu beachten, dass das Ablaufdiagramm in 2 lediglich veranschaulichenden Zwecken dient und dass das Verfahren nicht auf das Ablaufdiagramm in 2 beschränkt ausgelegt werden soll. Einige Schritte des Verfahrens 100 können neu angeordnet werden, während andere vollständig entfallen können.
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Vollständig verarbeiteter Elektrostahl wird, wie bei 102 dargestellt, empfangen und in der gewünschten Form und Größe ausgestanzt, wie bei 104 dargestellt. Wie vorstehend erwähnt, bezieht sich vollständig verarbeiteter Stahl auf Elektrostahl, der mit einer isolierenden Beschichtung, vollständiger Wärmebehandlung und definierten magnetischen Eigenschaften geliefert wird. Nach dem Ausstanzen bei 104 werden die Lamellen gestapelt und wie bei 106 dargestellt montiert. Die Baugruppe kann für einen Rotor, einen Stator oder einen Transformator oder beliebige geeignete Komponenten dienen, die eine elektrische Maschine bilden, wenn sie montiert sind. Die Baugruppe oder der Stapel von Lamellen kann dann einen örtlich begrenzten Wärmebehandlungsprozess durch Induktionserwärmen durchlaufen, wie bei 108 dargestellt. Der Stapel von Lamellen kann an andere Baugruppen montiert werden, um eine elektrische Maschine oder einen Transformator zu bilden, wie bei 110 dargestellt.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Draufsicht einer Lamelle, wie etwa eine Rotorlamelle 120, veranschaulicht. Wie vorher erwähnt, ist die Rotorlamelle 120 eine von vielen, die gestapelt werden können, um einen Rotorkern oder den Stapel von Lamellen 128 zu bilden. Die Rotorlamelle 120 beinhaltet einen äußeren Rand 140, der einen äußersten Abschnitt der Lamelle 120 ausmacht, und einen inneren Rand 142, der durch eine zentrale Öffnung 143 definiert ist. Die Lamelle 120 kann eine Vielzahl von Gewichtsverringerungsdurchbrüchen 141 beinhalten, die radial um die zentrale Öffnung 143 angeordnet sind. Die Lamelle 120 kann eine Vielzahl von Magnetöffnungen 144 definieren. Die Magnetöffnungen 144 können in einem Satz von Paaren angeordnet sein, die einander symmetrisch gegenüberliegen (z. B. gespiegelt). Insbesondere können die Magnetöffnungen 144 angeordnet sein, um eine V-Form zu bilden. Im Allgemeinen wird der äußere Rand 120 durch einen Schneid- oder Stanzvorgang und die zentrale Öffnung gebildet. Die Gewichtsverringerungsdurchbrüche und Magnetöffnungen 144 des inneren Rands 142 können durch einen Bohrvorgang gebildet werden. Die Magnetöffnungen 144 beinhalten einen äußeren Rand 146, der am nächsten zum äußeren Rand 140 der Lamelle 120 positioniert ist. Der Bereich zwischen dem äußeren Rand 146 der Magnetöffnungen 144 und dem äußeren Rand 140 der Lamelle 120 kann als ein Brückenbereich 148 der Lamelle bezeichnet werden.
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Der Stanzvorgang, der den äußeren Rand 140 der Lamelle bildet, führt zu einer plastischen Verformung und Restspannung innerhalb dem äußeren Randbereich 150 der Lamelle 120. Die Restspannung innerhalb des äußeren Randbereichs 150 nimmt ab, wodurch die magnetische Durchlässigkeit den Kernverlust des äußeren Randbereichs 150 und insbesondere des Brückenbereichs der Lamelle 120 erhöht. Die Restspannung des äußeren Randbereichs 150 kann durch das Wärmebehandeln der Lamelle gesenkt werden. Deshalb kann sich die magnetische Durchlässigkeit erhöhen und der Kernverlust im äußeren Rand kann verringert werden. Da die Restspannung vorwiegender im äußeren Randbereich 150 besteht, kann das örtlich begrenzte Wärmebehandeln des äußeren Randbereichs 150 wirksamer sein als das Wärmebehandeln der gesamten Lamelle 120. Das örtlich begrenzte Wärmebehandeln der Lamelle 120 kann weniger Zeit (wodurch die Zykluszeit verringert wird) und weniger Leistung erfordern.
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Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, kann die Lamelle 120 örtlich begrenzt durch Induktionserwärmen wärmebehandelt werden. Induktionserwärmen bezieht das Anwenden eines Wechselstroms auf einen gewickelten Draht ein, entweder um sich selbst oder um einen Magnetkern, der nahe der Lamelle 120 der dem Stapel von Lamellen 128 positioniert ist. Der Wechselstrom erzeugt ein Magnetwechselfeld, der Wirbelströme innerhalb der Lamelle 120 auslöst, um die Lamelle zu erwärmen und die Restspannung zu verringern, die darin vorhanden ist. Bei zunehmender Erhöhung der Frequenz des Wechselstroms werden Wirbelströme innerhalb der Randbereiche (z. B. äußerer Randbereich 150) in Bezug auf die zentralen Bereiche der Lamellen konzentriert. Die Konzentration des Wirbelstroms innerhalb des Randbereichs ist als ein „Skineffekt“ bekannt. Der Skineffekt ist die Tendenz eines elektrischen Wechselstroms, innerhalb einer Leitung derartig verteilt zu werden, dass die Stromdichte nahe der Oberfläche der Leitung am größten ist und mit zunehmender Tiefe in der Leitung abnimmt. Der schattierte äußere Randbereich 150 zeigt den Bereich der Lamelle 120, in dem die Stromdichte am größten ist. Die Stromdichte weist eine Tiefe 8 auf, die zwischen dem äußeren Rand 140 und dem inneren Rand des äußeren Randbereichs 150 gemessen wird. Ein zweiter schattierter Bereich 154 ist ein konzentrischer Ring, der in dem äußeren Randbereich 150 angeordnet ist und eine Stromdichte darstellt, die geringer als die Stromdichte des äußeren Randbereichs 150 ist.
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Auch wenn in 3 eine Rotorlamelle gezeigt ist, gelten die Beschreibung der Wärmebehandlung und das vorstehend erwähnte Skineffektprinzip auch für Statorlamellen, Toroiden und andere Komponenten für elektrische Maschinen.
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Unter Bezugnahme auf 4-6 werden unterschiedliche Veranschaulichungen von örtlich begrenzten wärmebehandelnden elektrischen Komponenten durch Induktionserwärmen bereitgestellt. Unter konkreter Bezugnahme auf 4 kann der Prozess eine C-förmige Induktionserwärmungseinrichtung 122 beinhalten, die einen Magnetkern 126 und einen Draht 124 beinhaltet, der den Kern 126 umgibt. Der Magnetkern 126 beinhaltet ein Paar gegenüberliegender Enden 126a und 126b, die auf jeder Seite eines Toroiden oder Rings 119 positioniert sind. Insbesondere sind die Enden 126a und 126b über und unter einem äußeren Randbereich des Toroiden oder Rings 119 angeordnet. Ein hochfrequenter Wechselstrom wird über den Draht 124 bereitgestellt, sodass ein Magnetwechselfeld den Abschnitt des Toroiden oder Rings 119 durchdringt, der zwischen den gegenüberliegenden Enden 126a und 126b positioniert ist. Das durchdringende Magnetwechselfeld kann Wirbelströme erzeugen, die durch den Widerstand des Toroiden oder Rings strömen, sodass der Abschnitt, der zwischen dem Paar von Enden positioniert ist, erwärmt wird.
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Unter Bezugnahme auf die 5 und 5A wird die örtlich begrenzte Induktionswärmebehandlung eines Rotorkerns oder Stapels von Lamellen 128 unter Verwendung zweier C-förmiger Induktionserwärmungseinrichtungen 122a und 122b bereitgestellt. In dieser Ausführungsform wird die örtlich begrenzte Induktionswärmebehandlung verwendet, um die magnetische Durchlässigkeit der Brückenbereiche 148 der Rotorlamellen 128 zu senken. Das Senken der magnetischen Durchlässigkeit der Brückenbereiche 148 kann den parasitären magnetischen Fluss 150 der Brückenbereiche 148 senken. Der parasitäre magnetische Fluss kann zu einer Erhöhung an Eisenverlusten und einer Abnahme der Wirksamkeit der elektrischen Maschine führen. Unter konkreter Bezugnahme auf 5A wird eine teilweise Detailansicht einer Lamelle 120 oder eines Stapels von Lamellen 128 gezeigt. Die Lamelle definiert ein Paar Magnethohlräume 144, die jeweils einen Magneten 160 enthalten. Ein erster Brückenbereich, wie etwa der zentrale Brückenbereich 148a, ist zwischen dem Paar Magnethohlräumen 144 positioniert. Zweite Brückenbereiche, wie die äußeren Brückenbereiche 148b, sind zwischen dem Rand der Lamelle 120 und dem äußeren Abschnitt der Magnethohlräume 144 positioniert. Der magnetische Fluss 154 wird durch die gekrümmten Pfeile dargestellt und zeigt einen Strom des magnetischen Flusses von jedem der Magneten 160 in Richtung eines Stators (nicht veranschaulicht) an. Der parasitäre magnetische Fluss oder die Streuung bezieht sich auf einen Abschnitt eines Magnetfelds, das durch die Brückenbereiche, anstatt durch den äußeren Rand, zum Stator verläuft. Der parasitäre magnetische Fluss 150a wird durch die kreisförmigen gestrichelten Linien dargestellt, die nahe dem zentralen Brückenbereich 148a positioniert sind. Ein zweiter Satz von parasitärem Fluss 150b wird durch die kreisförmigen gestrichelten Linien 150b dargestellt, die nahe der äußeren Brückenbereiche 148b positioniert sind.
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Der parasitäre magnetische Fluss kann durch das Verringern der Querschnittsfläche oder der Dicke der Brückenbereiche 148 gesenkt werden. Wenn jedoch die Dicke zu weit verringert wird, können Kräfte, die während des Betriebs auf die Lamelle wirken, zu Rissen oder Brüchen in der Lamelle führen. Der parasitäre Fluss innerhalb der Brückenbereiche 148 kann durch das Senken der magnetischen Durchlässigkeit der Brückenbereiche 148 gesenkt werden. Die magnetische Durchlässigkeit der Brückenbereiche (oder anderer Bereiche der Lamelle) kann durch örtlich begrenztes Induktionserwärmen der Brückenbereiche 148 gesenkt werden.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 5 wird ein örtlich begrenztes Induktionserwärmen des Brückenbereichs gezeigt. Die erste Induktionserwärmungseinrichtung 122a ist über und unter einem zentralen Brückenbereich 150a der Lamelle 128 positioniert. Jede der Induktionserwärmungseinrichtungen 122a und 122b kann sich um den Stapel von Lamellen 128 drehen, um Abschnitte der Lamellen 128 wärmezubehandeln. In einer weiteren Ausführungsform können die Induktionserwärmungseinrichtungen 122a und 122b ortsfest sein und die Lamellen 128 können sich drehen.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird die örtlich begrenzte Wärmebehandlung einer Statorbaugruppe 132 bereitgestellt, die eine Vielzahl der Statorlamellen 134 umfasst. Jede der Statorlamellen 134 beinhaltet eine Vielzahl von Statorverzahnungen 138, die umlaufend um den inneren Rand 136 der Statorlamelle 134 angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist ein innerer gewickelter Draht 125 um den inneren Rand 136 der Statorbaugruppe 132 angeordnet und eine äußere Wicklung 124 ist um den äußeren Rand 134 der Statorbaugruppe 132 angeordnet. Ein Wechselstrom kann der äußeren Wicklung 124 und der inneren Wicklung 125 bereitgestellt werden, um ein Magnetwechselfeld zu erzeugen, das die inneren Randbereiche und die äußeren Randbereiche der Statorbaugruppe 132 durchdringt.
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Unter Bezugnahme auf 7 wird eine perspektivische Ansicht eines Prozesses 200 zum Induktionserwärmen von Abschnitten einer Komponente von elektrischen Maschinen, wie etwa einer Statorbaugruppe 136, gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung veranschaulicht. Der Prozess kann ein Förderband 202 oder eine andere geeignete Anordnung beinhalten, welche die Statorbaugruppe 136 in die Richtung, die durch den Richtungspfeil D angezeigt ist, speist, sodass sie durch eine Induktionserwärmungseinrichtung 203 verläuft. Die Induktionserwärmungseinrichtung 203 kann einen C-förmigen Magnetkern 204 beinhalten, der aus einem unteren Ende 204a und einem oberen Fläche 204b besteht. Eine Wicklung oder ein gewickelter Draht 124 kann um einen Abschnitt des Magnetkerns 204 gewunden sein und mit einem Wechselstrom gespeist sein. Wenn die Statorbaugruppe 136 zwischen dem unteren Ende 204a und dem oberen Ende 204b des C-förmigen Magnetkerns hindurchgeführt wird, verläuft ein Magnetwechselfeld oder Fluss 206 durch die Statorbaugruppe 136, sodass sie durch Induktionserwärmen wie vorstehend beschrieben örtlich begrenzt wärmebehandelt wird. Das Förderband 202 kann angehalten werden, sodass die Statorbaugruppe 136 für einen ausreichenden Zeitraum (z. B. ein oder zwei Minuten) zwischen dem unteren Ende 204a und dem oberen Ende 204b des C-förmigen Magnetkerns positioniert ist, um die Randbereiche örtlich begrenzt wärmezubehandeln.
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Der Zeitraum, der benötigt wird, um die Randbereiche der Komponente der elektrischen Maschinen oder der Statorbaugruppe 136 ausreichend wärmezubehandeln, kann abhängig von der Querschnittsfläche, der Dicke der einzelnen Lamellen und der Dicke des Stapels von Lamellen variieren. In einer weiteren Ausführungsform, kann sich das Förderband bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit bewegen, sodass die Statorbaugruppe 136 für einen ausreichenden Zeitraum zwischen dem unteren Ende 204a und dem oberen Ende 204b des C-förmigen Magnetkerns positioniert ist. Nachdem die Komponente der elektrischen Maschinen oder die Statorbaugruppe 136 ausreichend wärmebehandelt ist, kommt eine behandelte Komponente der elektrischen Maschinen oder Statorbaugruppe 136' heraus. Die Komponente oder Statorbaugruppe kann dann an andere Komponenten montiert werden, um die elektrische Maschine zu produzieren.
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Unter Bezugnahme auf 8 wird eine perspektivische Ansicht eines Prozesses zum Induktionserwärmen von Abschnitten einer Komponente von elektrischen Maschinen, wie etwa einer Statorbaugruppe 136, gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung veranschaulicht. In dieser Ausführungsform wird eine Wicklung 124, die dimensioniert ist, um die Statorbaugruppe 136 zu umgeben, über dem Förderband 202 positioniert und abgesenkt, wenn die Statorbaugruppe 136 unter der Wicklung 124 positioniert ist. Die Wicklung 124 wird durch eine externe Leistungsquelle (nicht veranschaulicht) mit Leistung versorgt, um ein Magnetwechselfeld oder einen Fluss 206 zu erzeugen, das/der durch die Statorbaugruppe 136 verläuft. Die Wicklung 124 kann die Statorbaugruppe 136 für einen ausreichenden Zeitraum umgeben, um die Randabschnitte der Statorbaugruppe 136 wärmezubehandeln.
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Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke beschreibende und keine einschränkenden Ausdrücke und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale unterschiedlicher umsetzender Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Stators Folgendes: das Stanzen von Stahl in Lamellen, von denen jede einen inneren Randbereich aufweist, der eine Restspannung definiert, die einer magnetischen Durchlässigkeit zugeordnet ist; und das derartige Aussetzen der Lamellen einem sich ändernden Magnetfeld, dass für jede der Lamellen eine Dichte sich ergebender Wirbelströme am größten nahe dem inneren Randbereich ist, um diesen in Bezug auf Mittelbereiche der Lamelle zu erwärmen, um die Restspannung und den Kernverlust zu senken.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das sich ändernde elektromagnetische Feld über die Anwendung eines Wechselstroms auf eine Wicklung erzeugt, die angrenzend zu den Lamellen positioniert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform führt das Aussetzen der Lamellen dem sich ändernden Magnetfeld zu einer Erhöhung der magnetischen Durchlässigkeit des inneren Randbereichs.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Frequenz auf Grundlage einer Querschnittsfläche des Satzes von Lamellen ausgewählt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Dauer des Aussetzens auf Grundlage einer Dicke des Satzes von Lamellen ausgewählt.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Stanzen das Stanzen des Stahls in Lamellen, die jede einen äußeren Randbereich aufweisen, der eine zweite Restspannung mit einer zweiten magnetischen Durchlässigkeit definieren, und das Aussetzen der Lamellen dem sich ändernden Magnetfeld beinhaltet, dass für jede der Lamellen eine Dichte von sich ergebenden Wirbelströmen am größten nahe dem äußeren Randbereich ist, um diesen in Bezug auf zentrale Bereiche der Lamelle zu erwärmen, um die Restspannung und die magnetische Durchlässigkeit zu senken.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Aussetzen der Lamellen das Positionieren eines Metallelements angrenzend an eine Oberfläche der Lamellen und das Anwenden eines Wechselstroms bei einer vorbestimmten Frequenz für einen vorbestimmten Zeitraum auf einen Draht, der um einen Abschnitt des Metallelements gewickelt ist, um Wirbelströme darin zu erzeugen und die Lamellen zu erwärmen, um Restspannung des inneren Randbereichs zu verringern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors Folgendes: das Stanzen von Stahl in Lamellen, von denen jede einen äußeren Randbereich mit einer magnetischen Durchlässigkeit aufweist; und das derartige Aussetzen der Lamellen einem sich ändernden Magnetfeld, dass für jede der Lamellen eine erste Dichte sich ergebender Wirbelströme am größten nahe dem äußeren Randbereich ist, um diesen in Bezug auf Mittelbereiche der Lamelle zu erwärmen, um die magnetische Durchlässigkeit zu senken und Streuung des magnetischen Flusses zu mildern.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das sich ändernde elektromagnetische Feld über die Anwendung eines Wechselstroms auf eine Wicklung erzeugt, die angrenzend zu den Lamellen positioniert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Wicklung um einen C-förmigen Magnetkern gewunden, der ein Paar Enden beinhaltet, die derartig voneinander beabstandet sind, dass die Lamellen zwischen dem Paar Enden während des Aussetzens positioniert sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Paar Enden über und unter einem Brückenbereich von jeder der Lamellen beabstandet und der Brückenbereich ist ein Bereich, der zwischen einem äußeren Rand und einem Rand eines Magnethohlraums angeordnet ist, der von jeder der Lamellen definiert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Stanzen das Stanzen von Stahl in Lamellen, von denen jede einen äußeren Randbereich mit einer Restspannung und der magnetischen Durchlässigkeit aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch das derartige Aussetzen der Lamellen einem zweiten sich ändernden Magnetfeld gekennzeichnet, dass für jede der Lamellen eine zweite Dichte sich ergebender Wirbelströme am größten nahe dem äußeren Randbereich ist, um diesen in Bezug auf Mittelbereiche der Lamelle zu erwärmen, um eine Restspannung zu senken und die magnetische Durchlässigkeit des äußeren Randbereichs zu erhöhen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Dichte sich ergebender Wirbelströme geringer als die erste Dichte sich ergebender Wirbelströme.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine Folgendes: das Stanzen von Stahl in Lamellen, von denen jede einen inneren und äußeren Randbereich aufweist; und das Verursachen von relativen Bewegungen zwischen den Lamellen und einer Spule, was einen sich verändernden Magnetfluss erzeugt, um die Lamellen derartig dem Fluss auszusetzen, dass eine Dichte von sich ergebenden Wirbelströmen am größten nahe den Randbereichen ist, um die Randbereiche in Bezug auf Mittelbereiche der Lamelle zu erwärmen, um die Restspannung zu senken und die magnetische Durchlässigkeit zu erhöhen.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Verursachen von relativer Bewegung das Bewegen der Lamellen zwischen einem ortsfesten Paar Enden eines C-förmigen Magnetkerns, der die Wicklung berührt und den wechselnden magnetischen Fluss erzeugt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch das Halten der Lamellen zwischen dem Paar Enden für eine vorbestimmte Dauer gekennzeichnet.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Verursachen von relativer Bewegung das Kreisen des C-förmigen Magnetkerns um die Lamellen.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Verursachen von relativer Bewegung das derartige Bewegen der Wicklung entlang einer Mittelachse der Lamellen, dass die Wicklung die Lamellen umlaufend umgibt.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Verursachen von relativer Bewegung das derartige Bewegen der Wicklung entlang einer Mittelachse der Lamellen, dass die Wicklung umlaufend vom inneren Randbereich der Lamellen umgeben ist.
