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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend einen derartigen Rotor. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors einer elektrischen Maschine. Der Rotor weist insbesondere eine lokal optimierte Festigkeit auf.
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In einer permanent erregten elektrischen Maschine besteht der Rotor üblicherweise aus einem weichmagnetischen Blechpaket, bei dem Permanentmagnete typischerweise in Taschen in dem Rotorblechpaket integriert sind. Dabei entstehen allerdings magnetische Kurzschlüsse aufgrund vor dem Magnet liegenden Stegs, sodass nicht der gesamte magnetische Fluss aus dem Rotor in den Stator eintritt, sodass nicht der gesamte magnetische Fluss für die Drehmomenterzeugung in der elektrischen Maschine genutzt werden kann. Aus diesem Grund ist bekannt, beispielsweise aus der
US 5,684,352 A oder der
DE 10 2013 002 976 A1 , dass einzelne Bereiche des Rotorblechpakets durch verschiedene Maßnahmen behandelt werden, um die magnetische Leitfähigkeit herabzusetzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Maschine weist eine lokal erhöhte Festigkeit auf. So entstehen aufgrund von Magnettaschen üblicherweise Stegbereiche, die so schmal wie möglich gewählt werden sollten, um den beschriebenen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden. Gleichzeitig müssen diese Stege bei hohen Rotordrehzahlen hohe mechanische Kräfte aufnehmen können, sodass diese breit auszulegen sind. Dieser Zielkonflikt wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Stegbereiche eine höhere Festigkeit aufweisen als das verbleibende Rotorblechpaket. Auf diese Weise lässt sich ein Rotor herstellen, der auch bei hohen Drehzahlen betreibbar ist.
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Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Maschine weist zumindest ein Blechlamellenpaket mit mehreren gestapelten Blechlamellen auf. Die Blechlamellen weisen zumindest eine Magnettasche auf, wobei in dieser zumindest einen Magnettasche zumindest ein Permanentmagnet anordenbar ist. Zwischen der Magnettasche und einer Außenumfangsfläche jeder Blechlamelle verbleibt ein Stegbereich. Es ist vorgesehen, dass dieser Stegbereich durch lokales Eindiffundieren festigkeitssteigernder Legierungsbestandteile eine höhere Festigkeit aufweist als die restliche Blechlamelle. Somit kann der Stegbereich vorteilhaft sehr schmal ausgelegt werden, wobei der Stegbereich dennoch aufgrund der erhöhten Festigkeit hohe mechanische Kräfte aufnehmen kann. Auf diese Weise lässt sich einerseits optimiert erreichen, dass magnetische Kurzschlüsse minimiert sind, andererseits kann der Rotor bei hohen Rotordrehzahlen betrieben werden, da dieser hohe Kräfte aufnehmen kann.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Stegbereich außerdem eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die restliche Blechlamelle. Somit ist zusätzlich zu der erhöhten Festigkeit eine die Ausbildung von Wirbelströmen erschwert. Dies führt, neben der Möglichkeit der schmäleren Auslegung des Stegbereichs, zu einer zusätzlichen Reduzierung von Wirbelstromverlusten, da die Leitfähigkeit innerhalb des Stegbereichs reduziert ist.
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Vorteilhafterweise ist eine Siliziumkonzentration an dem Stegbereich größer als an der restlichen Blechlamelle. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Aluminiumkonzentration an dem Stegbereich größer sein als an der restlichen Blechlamelle. Ebenso kann auch der Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium an dem Stegbereich größer sein als an der restlichen Blechlamelle. Durch einen erhöhten Zulegierungsanteil von Silizium und/oder Aluminium ist ein elektrischer Widerstand der Bleche erhöht, wobei gleichzeitig eine mechanische Festigkeit reduziert ist.
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Die Blechlamellen sind besonders bevorzugt aus einem Werkstoff gefertigt, der ein Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium von weniger als 4,5 % aufweist. Bevorzugt liegt der Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium zwischen 2 % und 4 %. Dieser Werkstoff ist insbesondere ein Elektroblech. Dabei ist vorgesehen, dass an dem Stegbereich durch lokales Hinzufügen, insbesondere Eindiffundieren, von Silizium und/oder Aluminium als Legierungsbestandteil ein Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium oberhalb von 4,5 % vorhanden ist. Somit kann der Stegbereich lokal in seiner Materialzusammensetzung modifiziert werden, um dadurch die zuvor beschriebene höhere Festigkeit, und insbesondere auch geringere elektrische Leitfähigkeit, zu erreichen. Dabei kann der Bereich, an dem Silizium und/oder Aluminium hinzugefügt wird, lokal begrenzt sein, sodass der höhere Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium nur dort vorhanden ist, wo dieser benötigt wird. Dies bedeutet, dass jede Blechlamelle grundsätzlich aus dem genannten Werkstoff mit geringerem Massenanteil von Silizium und/oder Aluminium, insbesondere dem Elektroblech, hergestellt ist, der Vorteile bei der magnetischen Leitfähigkeit, Sättigungspolarisation und der Wärmeleitfähigkeit aufweist. Nur an denjenigen Stellen, an denen die höhere Festigkeit benötigt wird, das heißt insbesondere an den Stegbereichen, ist das Silizium und/oder Aluminium als Zulegierungsanteil erhöht. Somit weisen lediglich die Stegbereiche die erhöhe Festigkeit und geringere elektrische Leitfähigkeit auf.
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Besonders vorteilhaft ist der Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium Werkstoff an dem Stegbereich über eine gesamte Dicke der Blechlamelle homogen. Somit weist der gesamte Stegbereich über seine gesamte Dicke denselben Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium, insbesondere oberhalb von 4,5 %, auf. Dadurch ist erreicht, dass der gesamte Stegbereich die erhöhte Festigkeit, und insbesondere reduzierte elektrische Leitfähigkeit, aufweist.
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Die Blechlamelle ist besonders vorteilhaft einstückig ausgebildet. Insbesondere ist die Blechlamelle ein Stanzteil. Die einstückige Blechlamelle wird insbesondere durch entsprechende Verfahren an den Stegbereichen modifiziert, um dort den höheren Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium zu erhalten. Dies lässt sich insbesondere durch lokales Beschichten mit anschließender Wärmebehandlung erreichen.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Stator auf, durch den ein Rotor antreibbar ist. Der Rotor der elektrischen Maschine ist ein Rotor wie zuvor beschrieben. Somit kann die elektrische Maschine bei hohen Drehzahlen betrieben werden, ohne dass eine Beschädigung des Rotors zu befürchten ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors einer elektrischen Maschine. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zunächst erfolgt ein Ausstanzen von Blechlamellen aus einem Basismaterial, wobei aus jeder Blechlamelle zumindest eine Magnettasche ausgestanzt wird, sodass zwischen der Magnettasche und einer Außenumfangsfläche der Blechlamelle ein Stegbereich verbleibt. Auf diesem Stegbereich der Blechlamellen wird eine Beschichtung aufgebracht. Die Schritte des Ausstanzens der Blechlamelle und das Aufbringen der Beschichtung lassen sich in beliebiger Reihenfolge durchführen. Dabei ist insbesondere ermöglicht, zunächst das Basismaterial mit der Beschichtung zu versehen, wobei das Ausstanzen der Blechlamelle aus dem Basismaterial derart erfolgt, dass sich die Stegbereiche an den beschichteten Bereichen befinden. Nach dem Ausstanzen und Beschichten erfolgt ein Stapeln der teilweise beschichteten Blechlamellen zu einem Blechlamellenpaket. Schließlich wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um ein Eindiffundieren der Beschichtung in die Blechlamellen zu ermöglichen. Da die Beschichtung lediglich lokal an den Stegbereichen aufgebracht wurde, befindet sich nach der Wärmebehandlung auch nur an den Stegbereichen ein verändertes Materialgefüge, insbesondere eine veränderte Legierung. Dadurch lassen sich die Stegbereiche derart modifizieren, dass diese eine erhöhte mechanische Festigkeit aufweisen. Somit können die Stegbereiche schmal ausgelegt werden, was Vorteile hinsichtlich des magnetischen Kurzschlusses von Permanentmagneten, die innerhalb der Magnettasche angebracht sind, mit sich bringt. Gleichzeitig ist durch die schmale Auslegung der Stege keine Reduzierung von aufnehmbaren Kräften durch den Stegbereich vorhanden, da die Stegbereiche eine erhöhte mechanische Festigkeit aufweisen und somit trotz schmälerer Auslegung dieselben Kräfte aufnehmen können, die ansonsten unbehandelte breitere Stegbereiche aufnehmen könnten. Somit ist durch das Verfahren ein Rotor herstellbar, der vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich magnetischem Kurzschluss aufweist, gleichzeitig aber bei hohen Drehzahlen betreibbar ist.
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Die Beschichtung umfasst vorteilhafterweise eine siliziumhaltige Beschichtung und/oder eine aluminiumhaltige Beschichtung. Durch derartige Materialien lassen sich hohe Zulegierungsanteile von Silizium und/oder Aluminium in dem Basismaterial erreichen, wobei solche hohen Zulegierungsanteile von Silizium und/oder Aluminium einen elektrischen Widerstand des Basismaterials erhöhen, wodurch Wirbelstromverluste reduziert sind. Gleichzeitig ist eine mechanische Festigkeit erhöht.
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Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass das Basismaterial ein Elektroblech ist. Dieses weist Vorteile bei der magnetischen Leitfähigkeit, der Sättigungspolarisation und der Wärmeleitfähigkeit auf. Lediglich an solchen Stellen, an denen es notwendig ist, das heißt an den Stegbereichen, wird durch Zulegierung von Silizium und/oder Aluminium erreicht, dass hier die Festigkeit erhöht und die elektrische Leitfähigkeit verringert ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht eines Teilbereichs eines Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 3 eine schematische Ansicht eines Vorgangs einer Erhöhung der Festigkeit des Rotors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 8 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine 8 weist einen Stator 7 auf, durch den ein Rotor 1 antreibbar ist. Dabei erstreckt sich der Rotor 1 um eine Rotorachse 100 und weist mehrere einzelne Blechlamellen 2 auf, die entlang der Rotorachse 100 zu einem Blechlamellenpaket gestapelt sind. An ihrem maximalen Abstand zur Rotorachse 100 weisen die Blechlamellen 2 eine Außenumfangsfläche 4 auf, die insbesondere kreisförmig ausgebildet ist.
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2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem Rotor 1 der elektrischen Maschine 8. Insbesondere ist ein Ausschnitt aus einer der Blechlamellen 2 gezeigt. Die Blechlamellen 2 sind bevorzugt aus einem Elektroblech durch Stanzen gefertigt. Dabei werden einerseits verschiedene Magnettaschen 3 ausgestanzt, andererseits wird die Außenumfangsfläche 4 durch das Stanzen definiert. Zwischen der Außenumfangsfläche 4 und zumindest einer Magnettasche 3 verbleibt ein Stegbereich 5. In die Magnettaschen 3 lassen sich Permanentmagnete montieren, sodass die elektrische Maschine 8 eine permanent erregte elektrische Maschine ist.
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Im Rotor der permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschine 8 wird durch Permanentmagnete ein magnetischer Fluss erzeugt, welcher in dem Elektroblech der Blechlamelle 2 geführt wird. Der überwiegende Anteil der Feldlinien des magnetischen Flusses schließt sich außerhalb des Rotors 1 durch einen Luftspalt zwischen Stator 7 und Rotor 1 und das weichmagnetische Material des Stators 7, wodurch der Stator 7 den Rotor 1 antreiben kann. Ein Teil der Feldlinien des Permanentmagneten schließt sich jedoch über die Stegbereiche 5 der Blechlamelle 2 und wird somit nicht mit dem Stator 7 verkettet. Dieser Teil kann daher nicht zur Drehmomentbildung der elektrischen Maschine beitragen und ist deshalb zu reduzieren. Andererseits erfüllen die Stegbereiche 5 mechanische Aufgaben und dienen der mechanischen Festigkeit des Rotors 1.
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Ausgehend von elektromagnetischen Gesichtspunkten sollten die Stegbereiche 5 so schmal wie möglich ausgeführt werden, um einen möglichst geringen magnetischen Fluss zu ermöglichen. Dadurch wird nur ein kleiner Teil des gesamten magnetischen Flusses der Drehmomentbildung entzogen. Aus mechanischer Perspektive hingegen sollten die Stegbereiche 5 zur Aufnahme hoher Kräfte ausgebildet sein. Dies wird durch die lokale Erhöhung der Festigkeit der Blechlamellen 2 an den Stegbereichen 5 erreicht. Somit wird insbesondere verhindert, dass die gesamte Blechlamelle 2 aus einem Material höherer Festigkeit herzustellen ist, was üblicherweise mit einer Verschlechterung der elektromagnetischen Eigenschaften einhergeht. So erfolgt lediglich eine lokale Veränderung der Materialzusammensetzung an den Stegbereichen 5, was nachfolgend mit Bezug auf 3 erklärt wird.
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Durch ein lokales Eindiffundieren festigkeitssteigernder Legierungsbestandteile werden die Stegbereiche 5 modifiziert, sodass die Festigkeit des Werkstoffs der Blechlamelle 2 dort erhöht wird, wo dies benötigt wird. Gleichzeitig werden Wirbelstromverluste durch Reduktion der Leitfähigkeit der aus Elektroblech gefertigten Blechlamelle 2 lokal reduziert. Durch die Lokalisierung der Eindiffundierung festigkeitssteigernder Legierungsbestandteile werden einerseits Materialkosten gespart und andererseits bleiben die Vorteile des Elektroblechs im Großteil der Blechlamelle 2 bestehen. Diese Vorteile sind insbesondere die höhere magnetische Leitfähigkeit, die Sättigungspolarisation und die höhere Wärmeleitfähigkeit.
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Um diese Lokalität zu erreichen, wird nach dem Ausstanzen der Blechlamellen 2 aus einem Basismaterial eine Beschichtung 6 lokal lediglich an solchen Bereichen aufgebracht, an denen die Stegbereiche 5 vorhanden sind. Das Aufbringen der Beschichtungen 6 auf die Blechlamellen 2 kann vor oder nach dem Ausstanzen erfolgen. Erfolgt das Aufbringen der Beschichtungen 6 nach dem Ausstanzen, so werden die Beschichtungen 6 auf die Stegbereiche 5 aufgebracht. Alternativ können auch einzelne Bereiche eines Ausgangsmaterials mit der Beschichtung 6 versehen werden, wobei das Ausstanzen derart erfolgt, dass an den beschichteten Bereichen die Stegbereiche 5 ausgebildet werden.
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Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung, wodurch eine Diffusion der aufgebrachten Beschichtung in die Blechoberfläche stattfindet. Dadurch lässt sich eine Homogenisierung erreichen. Insbesondere wird eine siliziumreiche Beschichtung aufgebracht, sodass das Silizium in die Blechoberfläche diffundiert. Insbesondere wird eine Wärmebehandlung derart durchgeführt, dass eine homogene Materialzusammensetzung über die gesamte Dicke der Blechlamellen 2 vorhanden ist. Somit ist die Festigkeit der Stegbereiche 5 über die gesamte Dicke der Blechlamellen 2 erhöht. Dadurch lassen sich die Stegbereiche 5 schmal auslegen, was für eine Reduzierung des magnetischen Kurzschlusses vorteilhaft ist. Aufgrund der erhöhten Festigkeit ist durch diese schmale Auslegung jedoch nicht mit einer Reduzierung der aufnehmbaren Kräfte zu rechnen, sodass der Rotor 1 bei hohen Drehzahlen betrieben werden kann.
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Anstelle der Erhöhung des Siliziumanteils kann auch ein Aluminiumanteil erhöht werden. In jedem Fall erfolgt durch das lokale Verändern der Materialzusammensetzung eine lediglich lokale Erhöhung der Festigkeit, sodass an dem verbleibenden Blechpaket die vorteilhaften elektromagnetischen Eigenschaften vorhanden bleiben.
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Mittels der vorbeschriebenen Lehre lässt sich insbesondere ein Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium an den Stegbereichen 5 von über 4,5 % erreichen. Dahingegen weist das Elektroblech der Blechlamellen 2 außerhalb der Stegbereiche 5 lediglich einen Massengehalt von Silizium und/oder Aluminium unterhalb von 4,5 %, bevorzugt zwischen 2 % und 4 % auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5684352 A [0002]
- DE 102013002976 A1 [0002]
