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Die Erfindung betrifft ein Blechpaket, eine elektrische Maschine, einen Transformator und ein Verfahren zum Herstellen eines Blechpakets.
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In elektromagnetischen Maschinen, die als Elektromotoren oder Generatoren betrieben werden können, werden die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad maßgeblich von den Motorkomponenten Stator und Rotor bestimmt. Diese leiten und konzentrieren den von Wicklungen und Permanentmagneten erzeugten magnetischen Fluss und machen ihn zur Wandlung in mechanische Arbeit nutzbar.
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Im Betrieb des Motors unterliegen Richtung und Stärke des magnetischen Flusses in Rotor und Stator einem periodischen Wechsel. Dieses magnetische Wechselfeld induziert in senkrechter Richtung dazu, also in Richtung der Längsachse von Rotor und Stator, Wirbelströme, welche einen Teil der dem System zugeführten Energie als Wärme dissipieren, sodass er keinen Beitrag zur Verrichtung mechanischer Arbeit mehr leistet. Um Wirbelströme und die damit verbundenen Verluste gering zu halten, ist ein hoher elektrischer Widerstand von Rotor und Stator in senkrechter Richtung zum magnetischen Fluss erstrebenswert. Erreicht wird dies typischerweise durch einen geschichteten Aufbau. Rotor und Stator weisen dabei eine Vielzahl identischer Einzelbleche auf, die auch als „Lamellen“ oder „Lagen“ bezeichnet sind, die aufeinandergestapelt und dabei gegeneinander elektrisch isoliert werden. Man bezeichnet einen solchen Aufbau als Blechpaket. Dabei sind die Wirbelstromverluste proportional zum Quadrat der Blechdicke der Einzellagen, so dass je dünner die Lagen, desto niedriger die Wirbelstromverluste und desto höher der Wirkungsgrad.
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Eine weitere Kenngröße von Blechpaketen ist der Füllfaktor. Dieser beschreibt den Anteil magnetisch leitfähigen Materials innerhalb eines Blechpakets, der sich aus dem Gesamtvolumen abzüglich des Volumens von Isolationsschichten, Klebeschichten, Luftspalten und anderen magnetisch nichtleitenden Schichten ergibt. Vom Füllfaktor hängt u.a. die mit dem Antrieb erzielbare Leistungsdichte ab.
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Stator-/Rotorblechpakete können mit verschiedenen Fertigungsverfahren hergestellt werden, die auf verschiedenen Füge- und Konturgebungsverfahren der Lamellen basieren. Manche davon lassen sich kosteneffizient in produktive Großserienverfahren wie das Stanzen integrieren, andere eignen sich eher für Muster- und Kleinserien. Es bestehen jedoch unerwünschte Einschränkungen entweder bezüglich der verarbeitbaren Blechdicke, des verarbeitbaren Materials oder der erzielbaren Qualität im Hinblick auf Füllfaktor, geometrische Toleranzen und die Vermeidung von fertigungsinduzierten Schädigungen des weichmagnetischen Materials.
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Aufgabe besteht somit darin, ein Blechpaket, das leistungsfähig und gleichzeitig kostengünstig ist sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Blechpakets, das flexibel ist, bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird ein Blechpaket bereitgestellt, das eine Vielzahl von Blechlamellen aus einer weichmagnetischen Legierung aufweist. Die jeweiligen Blechlamellen weisen eine Hauptoberfläche und eine Dicke d auf. Die Hauptoberflächen der Blechlamellen sind aufeinander in einer Stapelrichtung gestapelt. Benachbarte Blechlamellen sind über eine Vielzahl stoffschlüssiger Fügestellen miteinander verbunden, wobei die Fügestellen zusatzstofffrei und jeweils von der Hauptoberfläche der benachbarten Blechlamellen vollständig umgeben sind.
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Die Fügestellen sind von der Hauptoberfläche der Blechlamellen, in der sie angeordnet sind, seitlich vollständig umgeben und sind somit nicht an den Randseiten der Blechlamellen, sondern innerhalb der Hauptoberfläche der Blechlamellen angeordnet und von den Randseiten durch das Material der Blechlamellen beabstandet. Diese Fügestellen können zum Beispiel aus wiedererstarrtem erschmolzenem Material der Blechlamellen geformt werden und durch ein Verfahren wie Schweißen, beispielsweise Punktschweißen oder Laserpunktschweißen, geformt werden. Da die Blechlamellen aufeinander gestapelt sind, wird ein Überlappverfahren zum Schweißen verwendet.
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Das erfindungsgemäße Blechpaket zeichnet sich dadurch aus, dass es anstelle weniger vergleichsweise großer Fügestellen eine Vielzahl kleiner, räumlich günstig verteilter Fügestellen aufweist, die in Anzahl, Größe, Form und Position gemäß einer minimalen Beeinträchtigung der elektromagnetischen Eigenschaften und der erzielten Verbindungsfestigkeit der Einzellagen optimiert werden können. Die gewünschte Leistung des Blechpakets im Hinblick auf die Anforderungen des Blechpakets, wie niedrigere Wirbelstromverluste, einen höheren Wirkungsgrad und einen hohen Füllfaktor kann somit erreicht werden. Das Blechpaket kann mit unterschiedlichen Abmessungen, d.h. Konturen sowie die Anzahl der gestapelten Blechlamellen, sowie aus unterschiedlichen Materialien angefertigt werden, so dass das Herstellungsverfahren flexibel ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Blechpaket sowie ein Herstellverfahren für ein Blechpaket bereit, das insbesondere für die Produktion mittlerer und großer Serien von Stator-/Rotorblechpaketen für hochperformante oder hocheffiziente sowie für die Produktion von Blechpaketen aus sehr dünnen Blechlagen geeignet ist. Sie basiert auf einer Fügemethode, beispielsweise Laserpunktschweißen im Überlappverfahren, mit der eine Vielzahl an kleinen Fügestellen erzeugt werden können und stellt somit einen anderen Pakettyp bereit. Der Pakettyp erfüllt dabei die Anforderungen an effiziente Hochleistungsantriebe, während die Fertigungsmethode den zugrunde gelegten Aufbau ermöglicht und einen hohen Grad an Automatisierbarkeit und damit Produktivität bietet.
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In einem Ausführungsbeispiel wird das Fügen einzelner Blechlagen für die Herstellung von Stator-/Rotorblechpaketen mittels Laserpunktschweißens im Überlappverfahren verwendet. Dabei werden zwei oder mehr zu fügende Blechlagen übereinandergestapelt und miteinander verspannt (gegeneinandergepresst), um einen flächigen Kontakt mit möglichst geringem Luftspalt herzustellen. Durch einen Laserstrahl wird der Blechwerkstoff ausgehend von der frei liegenden Hauptoberfläche der obersten Blechlamelle des Stapels bis zu einer definierten Tiefe und damit einer definierten Lagenzahl aufgeschmolzen. Das Erstarren der Schmelze erzeugt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Lagen. Die Tiefe der erzeugten Fügestelle und damit die Anzahl an mit dieser Fügestelle gefügten Lagen kann über Parameter des Laserstrahls (Leistung, Fokuslage, Pulsdauer und weitere) variiert werden. Die Lage der Fügestelle ist auf der gesamten Hauptoberfläche der Lamellen frei wählbar. Diese Schritten werden widerholt, um weitere Blechlamellen auf den Stapel zu stapeln und danach mit den darunterliegenden Stapeln über eine Vielzahl von Fügestellen zu verbinden, um die gewünschte Höhe herzustellen.
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Das Blechpaket weist gute Eigenschaften für den Bau von Rotoren und Statoren in mittleren und großen Serien auf. Es ermöglicht einen besseren Kompromiss aus Produktivität der Herstellverfahren und erzielbaren Paketeigenschaften im Hinblick auf zu erwartende Wirbelstromverluste und die Festigkeit der Verbindung einzelner Lagen. Es ergeben sich aus Fertigungsmethode und damit erzeugtem Pakettyp folgende Vorteile:
- Insbesondere kann das Blechpaket sehr dünne Lamellen mit einer Dicke von weniger als 0,2 mm, beispielsweise 0,1 mm oder noch weniger aufweisen, was zu geringerer Wirbelstromverluste und einer höheren Leistung führt.
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Die Fertigungsmethode eignet sich zum Paketieren von sehr dünnen Lagen mit einer Blechdicke von weniger als 0,2 mm, beispielsweise einer Blechdicke von 0,1 mm oder weniger bei sehr guter Automatisierbarkeit und damit guter Produktivität. Dies verbessert die Produkteigenschaft Widerstand gegen Wirbelströme des Blechpakets im Vergleich zu Blechpaketen aus Herstellverfahren mit ähnlicher oder besserer Produktivität, wie Stanzpaketieren, Kleben oder Verschweißen eines ganzen Pakets mit einem Randnaht, die nur auf dickere Blechlagen anwendbar sind. Umgekehrt erreichen üblichen Paketierverfahren für vergleichbar dünne oder dünnere Lagen keine mit dem vorgestellten Verfahren vergleichbare Produktivität. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Großserienproduktion von Paketen mit höchsten Anforderungen.
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In manchen Ausführungsbeispielen sind die Fügestellen jeweils von kristallinem Material der Blechlamellen lateral vollständig begrenzt, während die Fügestellen selbst ein anderes Gefüge als in der restlichen Blechlamelle aufweisen. Beispielsweise können die Fügestellen eine kleinere Korngröße oder eine andere Textur aufweisen als das kristalline Material der angrenzenden Blechlamelle. Eine seitlich Angrenzung eines Teils der Fügestelle, insbesondere der Seitenwand, an Luft, wie zum Beispiel im Falle einer Fügestelle an einer Stirnfläche des Blechpakets, die sich über die Dicke der Blechlamelle erstreckt, ist somit ausgeschlossen.
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In manchen Ausführungsbeispielen sind die Fügestellen jeweils aus geschmolzenem Material der weichmagnetischen Legierung gebildet. Das geschmolzene Material kann die gleiche Gesamtzusammensetzung haben wie die weichmagnetische Legierung der umgebenden Blechlamellen, jedoch andere Phasen aufweisen, oder kann die gleiche Zusammensetzung und gegebenenfalls die gleichen Phasen aufweisen.
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In manchen Ausführungsbeispielen sind die Fügestellen des Blechpakets jeweils durch eine Schweißnaht gebildet. Die Schweißnaht kann unterschiedliche laterale Formen aufweisen, beispielsweise kann sie punktförmig oder länglich sein oder einer beliebigen vorgegebenen Bahn folgen.
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In manchen Ausführungsbeispielen sind die Fügestellen über die Hauptoberfläche der Blechlamellen verteilt und können über den Mittenbereich der Hauptoberfläche der jeweiligen Blechlamellen verteilt sein. Die Fügestellen können gleichmäßig über die Hauptoberfläche oder den Mittenbereich der Hauptoberfläche verteilt sein, um beispielsweise die mechanische Stabilität zu erhöhen oder können ungleichmäßig verteilt über die Hauptoberfläche oder Mittenbereich der Hauptoberfläche sein, um beispielsweise die magnetischen Eigenschaften des Blechpakets im Einsatz zu erhöhen.
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In manchen Ausführungsbeispielen sind die Fügestellen über das Volumen des Blechpakets verteilt. Die Fügestellen können in mehreren Ebenen des Blechpakets angeordnet sein. Die Fügestellen können in den Ebenen eine unterschiedliche laterale Anordnung aufweisen, so dass Fügestellen in benachbarten Ebenen seitlich versetzt sind, oder können in der Stapelrichtung aufeinander angeordnet sein, um eine Säule zu bilden.
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Die Fügestellen können unterschiedliche laterale Formen aufweisen. Die Fügestellen eines Blechpakets können die gleichen oder unterschiedliche laterale Formen aufweisen. Beispielsweise können die jeweiligen Fügestellen in der Ebene der Hauptoberfläche der Blechlamellen punktförmig, kreisförmig, länglich, eckig, ringförmig, bogenförmig oder gerade sein oder eine X-Form, Y-form, V-Form, U-Form aufweisen. Die Fügestellen können unterschiedliche Formen innerhalb einer Ebene und/oder in unterschiedlichen Ebenen haben.
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In manchen Ausführungsbeispielen weist zumindest eine der Fügestellen zumindest eine Abmessung A auf, wobei 10 µm ≤ A ≤ 1000 µm, vorzugsweise 10 µm ≤ A ≤ 500 µm, vorzugsweise 20 µm ≤ A ≤ 100 µm.
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In manchen Ausführungsbeispielen ist zumindest eine der Fügestellen punktförmig und weist einen Durchmesser D auf, wobei D = A.
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In manchen Ausführungsbeispielen ist zumindest eine der Fügestellen länglich und weist eine Breite B und eine Länge L auf, wobei B = A und L > B.
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Die Blechlamellen können unterschiedlichen Dicke d aufweisen, wobei d ≤ 0,5 mm, vorzugsweise d ≤ 0,35 mm, d ≤ 0,20 mm d ≤ 0,10 mm. Die Mindestdicke der Blechlamelle kann durch die Handhabbarkeit bestimmt sein. Beispielsweise kann die Mindestdicke 0,02 mm sein.
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Die Fügestellen weisen jeweils eine Tiefe t auf und die Tiefe t zumindest einer der Fügestellen kann sich über maximal zwei oder maximal drei oder zumindest zwei oder zumindest drei benachbarten aufeinander gestapelten Blechlamellen erstrecken, um die zwei oder zumindest drei benachbarten aufeinander gestapelten Blechlamellen miteinander stoffschlüssig miteinander zu verbinden. In einem Ausführungsbeispiel ist t < 2d, sodass die Fügestelle in zwei benachbarten Blechlamellen, jedoch nicht über die gesamte Dicke zumindest einer dieser Blechlamellen angeordnet ist. Die untere Hauptoberfläche der unteren Blechlamelle weist somit keine Fügestelle auf.
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Die Tiefe der einzelnen Fügestellen kann beschränkt werden, in dem die Fügestelle in nur zwei oder nur drei benachbarten aufeinander gestapelten Blechlamellen angeordnet ist. Die Tiefe der Fügestelle kann beispielsweise durch die Auswahl der Leistung und Pulsdauer des Laserstrahls begrenzt werden. Die jeweiligen Függestellen in einem Blechpaket können unterschiedliche Tiefen aufweisen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist t > 2d, so dass die Fügestelle auch in der Hauptoberfläche der untersten Blechlamelle angeordnet ist und in drei benachbarten Blechlamellen angeordnet ist.
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In manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Fügestelle in der untersten Blechlamelle des Blechpakets über nur einen Teil der gesamten Dicke des Blechs, sodass die untere Stirnseite des Blechpakets frei von Fügestellen ist. Die Fügestellen können somit in der untersten Blechlamelle des Blechpakets einen geschmolzen Bereich aufweisen, der nur über einen Teil der gesamten Dicke der Blechlamelle verläuft, sodass die untere Stirnseite des Blechpakets frei von Fügestellen ist.
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In manchen Ausführungsbeispielen bilden Fügestellen zusammen eine elektrische Gesamtkontaktfläche zwischen zwei benachbarten und miteinander über die Fügestellen verbundenen Blechlamellen von weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5% oder weniger als 1% der Grenzfläche zwischen den Blechlamellen, damit die einzelnen Blechlamellen gegenüber einander ausreichend elektrisch isoliert sind. Die einzelnen Blechlamellen können mit einer Isolierschicht beschichtet werden. Diese Isolierschicht kann vor dem Herstellen der Fügestellen aufgebracht werden, wenn die Schicht dünn ist, da eine Fügestelle durch die Isolierschicht herstellt werden kann.
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Die Blechlamellen können aus einem Band getrennt werden. Die Blechlamellen können jeweils eine Richtung aufweisen, die parallel zu einer bestimmten Richtung des Bands ist. Diese bestimmte Richtung des Bandes kann beispielsweise die Walzrichtung des Bandes sein, wobei die Längsrichtung des Bands herkömmlich längs zur Walzrichtung des Bandes ist. Die Blechlamellen sind so aufeinander in der Stapelrichtung gestapelt, dass die Richtung der jeweiligen Blechlamellen variiert. In manchen Ausführungsbeispielen sind die Richtungen der Blechlamellen willkürlich angeordnet. In manchen Ausführungsbeispielen sind benachbarte Blechlamellen gegenüber einander um einen bestimmten Winkel gedreht, beispielsweise 90°, 45°, 30°. Diese Anordnungen der Blechlamellen können verwendet werden, um richtungsabhängige Parameter der Blechlamelle bzw. des Bands auszugleichen. Beispielsweise könnten die magnetischen Eigenschaften in der Walzrichtung und in der Querrichtung unterschiedlich sein.
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In manchen Ausführungsbeispielen weisen die Blechlamellen eine Dicke auf, die über die Fläche der Blechlamelle variiert und/oder die Blechlamellen selbst weisen unterschiedliche Dicken auf. Beispielsweise kann die Dicke einer Blechlamelle im Mittenbereich größer als im Randbereich sein. Die Dicke der Blechlamelle eines Blechpakets kann auch unterschiedlich sein, wenn die Dicke des Bands, aus dem sie getrennt werden, über die Länge oder Breite des Bands variiert, oder die Blechlamellen können aus unterschiedlichen Bändern unterschiedlicher Dicke getrennt werden. Durch eine geeignete Stapelweise, in der die Blechlamellen in unterschiedlichen Richtungen um die Stapelrichtung herum angeordnet sind, können richtungsabhängig Variationen in der Dicke der Blechlamellen ausgeglichen werden.
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Verschiedene weichmagnetische Legierungen können für die Blechlamellen verwendet werden. Beispielsweise weist die weichmagnetische Legierung eine der folgenden Zusammensetzungen auf:
- eine FeSi-basierte Legierung mit 2 bis 4,5 Gewichts-% von mindestens einem Element aus der Gruppe Si und Al, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen, oder
- eine CoFe-basierte Legierung, die 35 bis 55 Gewichts-% Co und bis zu 2,5 Gewichts-% V, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen aufweist, oder
- eine CoFe-basierte Legierung, die 45 Gewichts-% ≤ Co ≤ 52 Gewichts-%, 45 Gewichts-% ≤ Fe ≤ 52 Gewichts-%, 0,5 Gewichts-% ≤ V ≤ 2,5 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen, aufweist oder
- eine CoFe-basierte Legierung, die 35 Gewichts-% ≤ Co ≤ 55 Gewichts-%, vorzugsweise 45 Gewichts-% ≤ Co ≤ 52 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Ni ≤ 0,5 Gewichts-%, 0,5 Gewichts-% ≤ V ≤ 2,5 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen, aufweist oder
- eine CoFe-basierte Legierung, die 35 Gewichts-% ≤ Co ≤ 55 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ V ≤ 2,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ (Ta + 2Nb) ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Zr ≤ 1,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Ni ≤ 5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ C ≤ 0,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Cr ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Mn ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Si ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ Al ≤ 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% ≤ B ≤ 0,01 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen, aufweist oder
- eine CoFe-basierte Legierung, die 5 bis 25 Gewichts-% Co, 0,3 bis 5,0 Gewichts-% V, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen aufweist,
oder
- eine CoFe-basierte Legierung, die im Wesentlichen aus
| 5 Gew.-% | ≤ Co | ≤ 25 Gew.-% |
| 0,3 Gew.-% | ≤ V | ≤ 5,0 Gew.-% |
| 0 Gew.-% | ≤ Cr | ≤ 3,0 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Si | ≤ 3,0 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Mn | ≤ 3,0 Gew.-% |
| 0 Gew.-% | ≤ Al | ≤ 3,0 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Ta | ≤ 0,5 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Ni | ≤ 0,5 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Mo | ≤ 0,5 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Cu | ≤ 0,2 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Nb | ≤ 0,25 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Ti | ≤ 0,05 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Ce | ≤ 0,05 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Ca | ≤ 0,05 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Mg | ≤ 0,05 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ C | ≤ 0,02 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ Zr | ≤ 0,1 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ O | ≤ 0,025 Gew.-% |
| 0 Gew. % | ≤ S | ≤ 0,015 Gew.-% |
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Rest Eisen, wobei Cr+Si+Al+Mn ≤ 3,0 Gew.-%, und bis zu 0,2 Gew.-% an anderen Verunreinigungen besteht, wobei in weiteren Ausführungsbeispiele
- 10 Gew.-% ≤ Co ≤ 20 Gew.-%, vorzugsweise 15 Gew.-% ≤ Co ≤ 20 Gew.- % gilt, oder
- 0,5 Gew.-% ≤ V ≤ 4,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,0 Gew.-% ≤ V ≤ 3,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,3 Gew.-% ≤ V ≤ 2,7 Gew.-% gilt, oder
- 0,1 Gew.-% ≤ Cr ≤ 2,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 Gew.-% ≤ Cr ≤ 1,0 Gew.- %, vorzugsweise 0,3 Gew.-% ≤ Cr ≤ 0,7 Gew.-% gilt, oder
- 0,1 Gew.-% ≤ Si ≤ 2,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,15 Gew.-% ≤ Si ≤ 1,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.-% gilt und/oder
- die Summenformel 0,1 Gew.-% ≤ Cr+Si+Al+Mn ≤ 1,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 Gew.-% ≤ Cr+Si+Al+Mn ≤ 0,6 Gew.-% gilt.
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Eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator oder mit einem Läufer und einem Stator wird auch bereitgestellt, wobei der Stator ein Blechpaket nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele aufweist.
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Die die elektrische Maschine kann als Motor und/oder als Generator eingesetzt werden.
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Die Verwendung der elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele als Antrieb für ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Flugzeug, als Haupt- oder Zusatzantrieb für ein Kraftfahrzeug oder als Generator zur Stromerzeugung für ein Flugzeug wird auch bereitgestellt.
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Ein Transformator mit einem Blechpaket nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele wird auch bereitgestellt.
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Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen eines Blechpakets vor, bei dem eine Vielzahl von Blechlamellen aus einer weichmagnetischen Legierung bereitgestellt wird, wobei die Blechlamellen jeweils eine Hauptoberfläche und eine Dicke d aufweisen. Die Hauptoberfläche einer ersten der Blechlamellen wird auf die Hauptoberfläche einer zweiten der Blechlamellen in einer Stapelrichtung gestapelt. Die erste und die zweite Blechlamelle werden mittels mehrerer zusatzstofffreier Fügestellen stoffschlüssig verbunden, wobei die zusatzstofffreien Fügestellen jeweils von der Hauptoberfläche der ersten und der zweiten Blechlamelle vollständig umgeben sind.
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Die erste Blechlamelle kann mit der zweiten Blechlamelle mittels Laserschweißens oder Laserpunktschweißens stoffschlüssig verbunden werden, um eine Fügestelle zu bilden.
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In manchen Ausführungsbeispielen wird ein Laserstrahl lateral gelenkt, um die Fügestelle auf die erste Blechlamelle zu positionieren. Ein Fokuspunkt des Laserstrahls kann vertikal gelenkt werden, um den vertikalen Verlauf der Fügestelle zu bestimmen.
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In manchen Ausführungsbeispielen wird der Laserstrahl auf der Hauptoberfläche der ersten Blechlamelle derart gelenkt, dass eine punktförmige Fügestelle gebildet wird.
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In manchen Ausführungsbeispielen wird der Laserstrahl über die Hauptoberfläche der ersten Blechlamelle derart gelenkt, dass eine längliche Fügestelle mit einer Längsrichtung gebildet wird. Die längliche Fügestelle kann beispielsweise eine gerade Linie, eine Kurve, eine X-Form, eine U-Form, eine V-Form oder eine eckige Form haben.
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Die Längsrichtung kann parallel zu den Linien des magnetischen Flusses im fertigen Blechpaket angeordnet sein, um Wirbelströme und die damit verbundenen Verluste zu reduzieren. In manchen Ausführungsbeispielen ist die Längsrichtung parallel zu den Linien des magnetischen Flusses in dieser Ebene des fertigen Blechpakets angeordnet.
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In manchen Ausführungsbeispielen werden die erste Blechlamelle und die zweite Blechlamelle aus einem Band der weichmagnetischen Legierung getrennt. Beispielsweise werden die erste Blechlamelle und die zweite Blechlamelle aus einem Band mittels Stanzens, Scherschneidens, Laserstrahlschmelzschneidens, Laserstrahlsublimationsschneidens, Rotationsschneidens, Erodierens oder Ätzens getrennt.
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In manchen Ausführungsbeispielen werden die Blechlamellen aus einem Band getrennt und weisen jeweils eine Richtung auf, die parallel zur Walzrichtung des Bands ist. Die Blechlamellen werden so gestapelt, dass die Richtung der jeweiligen Blechlamellen um die Stapelrichtung herum variiert. Diese Anordnung kann den Vorteil haben, dass Unterschiede zwischen den Blechlamellen, beispielweise eine Dickenvariation und/oder richtungsabhängige magnetische Eigenschaften im Blechpaket ausgeglichen werden können, sodass das Blechpaket räumlich homogenere Eigenschaften hat.
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In manchen Ausführungsbeispielen werden die erste Blechlamelle und die zweite Blechlamelle relativ zueinander ausgerichtet, um einen Überlappstoß oder einen Parallelstoß zu bilden. Somit können die Fügestellen zwischen der ersten und zweiten Blechlamelle durch die Positionierung der Fügestelle bzw. der Laserstrahl an der Hauptoberfläche der obersten Blechlamelle erzeugt werden.
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In manchen Ausführungsbeispielen werden die erste Blechlamelle und die zweite Blechlamelle verspannt, um den Luftspalt zwischen der ersten Blechlamelle und der zweiten Blechlamelle zu verringern. Somit kann der Füllfaktor des Blechpakets erhöht werden.
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In manchen Ausführungsbeispielen werden zumindest drei Blechlamellen aufeinander gestapelt und mittels mehrerer Fügestellen miteinander verbunden. Mit diesem Verfahren kann die Anzahl der Fügeschritte reduziert und die Produktivität erhöht werden.
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In manchen Ausführungsbeispielen weist das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ferner das Stapeln zumindest einer weiteren Blechlamelle auf die zweite Blechlamelle und danach das stoffschlüssige Verbinden der weiteren Blechlamelle und der ersten Blechlamelle mittels mehrerer zusatzstofffreier Fügestellen, die jeweils von der Hauptoberfläche der weiteren und der ersten Blechlamelle vollständig umgeben sind, auf.
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Ausführungsbeispiele und Beispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1a zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Blechpakets mit Fügestellen nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 1b zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Blechpakets mit Fügestellen nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 1c zeigt eine schematische Darstellung verschiedener lateralen Formen von Fügestellen für ein Blechpaket,
- 2 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite eines Blechpakets mit eingezeichneten Fügestellen,
- 3 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Draufsicht einer Punktfügestelle,
- 4 zeigt einen metallographischen Schliff eines Querschnitts einer Fügestelle, die sich über drei Blechlamellen erstreckt,
- 5 zeigt eine Lichtmikroskop-Aufnahme einer Draufsicht einer längliche Fügestelle,
- 6 zeigt einen metallographsichen Schliffs eines Querschnitts einer längliche Fügestelle,
- 7 zeigt eine Seitenansicht eines Blechpakets,
- 8a zeigt eine statische Vermessung der Neukurve eines Blechpakets,
- 8b zeigt eine statische Vermessung der Permeabilität eines Blechpakets.
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1a zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Blechpakets 10. Das Blechpaket 10 weist eine Vielzahl von Blechlamellen 11 aus einer weichmagnetischen Legierung auf. Beispielsweise kann die weichmagnetische Legierung eine CoFe-Legierung, beispielsweise 49 Gew.-% Fe, 49 Gew.-% Co und 2 Gew.-% V + Nb, sein. Die Blechlamellen 11 weisen jeweils eine Hauptoberfläche 12, eine gegenüberliegende Hauptoberfläche 13 und eine Dicke d auf. Die Dicke d kann ungefähr 0,1 mm sein. Die Blechlamellen 11 sind aufeinander in einer Stapelrichtung 14 gestapelt, wobei sich die Stapelrichtung 14 senkrecht zu den Hauptoberflächen 12, 13 der jeweiligen Blechlamellen 11 erstreckt. Benachbarte Blechlamellen, beispielsweise Blechlamellen 11' und 11" in der 1a, sind über zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl, stoffschlüssiger Fügestellen 15 miteinander verbunden. Die Fügestellen 15 sind zusatzstofffrei und jeweils von der Hauptoberfläche 12 der Blechlamellen 11', 11" vollständig umgeben. Die Vielzahl von stoffschlüssigen Fügestellen 15 ist über die Hauptoberfläche 12 der Blechlamellen 11 verteilt. Die Fügestellen 15 können beispielsweise durch Laserschweißen geformt werden, sodass die Fügestellen 15 jeweils aus geschmolzenem Material der weichmagnetischen Legierung gebildet sind, die wieder erstarrt worden ist.
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Das Blechpaket 10 kann zahlreiche gestapelte Blechlamellen 11 aufweisen, beispielsweise 100 bis 500. Die jeweiligen Fügestellen 15 weisen eine Tiefe t auf, sodass sie in zwei, wie im ersten Ausführungsbeispiel der 1a dargestellt, oder mehr als zwei, beispielsweise drei, wie im zweiten Ausführungsbeispiel der 1b dargestellt, Blechlamellen 11 angeordnet sind und diese Blechlamellen miteinander stellenweise verbindet. Das Blechpaket 10 weist im Querschnitt mehrere Fügestellen 15 auf, die in unterschiedlichen Ebenen 16 des Blechpakets 10 angeordnet sind, sodass die Blechlamellen 11 über die Fügestellen 15 zu einem Blechpaket aufgebaut sind. Die Fügestellen 15 sind somit über das Volumen des Blechpakets 10 verteilt.
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Außerhalb der Fügestellen 15 können benachbarte Blechlamellen 11 voneinander getrennt und/oder voneinander elektrisch isoliert sein. Die jeweiligen Blechlamellen 11 können eine Isolierschicht aufweisen, die zumindest die Hauptoberflächen 12, 13 bedeckt. Diese Isolierschicht kann zum Beispiel MgO oder ZrO2 aufweisen. Die Blechlamellen 11 können einzeln mit der Isolierschicht beschichtet werden. In manchen Ausführungsbeispielen wird jedoch das Band mit der Isolierschicht beschichtet und danach werden die Blechlamellen 11 mit der Isolierschicht auf den gegenüberliegenden Hauptoberflächen 12, 13 aus dem Band getrennt. Es ist möglich, nur eine der Hauptoberflächen mit der Isolierschicht zu beschichten und die Isolierschicht zwischen benachbarten Blechlamellen 11 in dem Stapel anzuordnen. In manchen Ausführungsbeispielen wird die Isolierschicht auf beiden Hauptoberflächen 12, 13, beispielsweise durch ein Tauchverfahren aufgebracht.
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Im ersten Ausführungsbeispiel der 1a ist die Tiefe t der Fügestelle kleiner als 2d, d.h. zweimal der Dicke. Folglich erstreckt sich die Fügestelle 15 nicht bis zur unteren Hauptoberfläche 13 der unteren Blechlamelle 11. Diese Anordnung kann bei sämtliche Fügestellen 15 verwendet werden oder nur für manche, beispielsweise die unterste Fügestellen, sodass die Unterseite 19 des Blechpakets 10, die durch die untere Hauptoberfläche 13 des untersten Blechlamelle 18 gebildet ist, keine Fügestellen aufweist und somit ein durchgängiges ununterbrochenes Gefüge aufweist.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel der 1b ist die Tiefe t der Fügestelle größer als 2d, so dass sich die Fügestelle 15 in drei benachbarten Blechlamellen 11, 11' und 11" angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die unterste Fügestelle 15 bis zur Unterseite 19 des Blechpakets 10.
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In manchen Ausführungsbeispielen, wie in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen der 1a und 1b, sind die Fügestellen 15 in zwei benachbarten Ebenen 16 des Blechpakets 10 lateral voneinander versetzt. Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere Fügestellen 15 vertikal aufeinander angeordnet sind. Abhängig von der Tiefe der Fügestellen können die vertikal ausgerichteten Fügestellen vertikal überlappen oder vertikal aneinander angrenzen, sodass eine Säule aus wiedererstarrtem geschmolzenem Material der weichmagnetischen Legierung gebildet ist.
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Die Blechpakete 10, 10' weisen Fügestellen 15 auf, die sich nicht entlang der Außen- oder Innenkontur des Pakets 10, 10' verlaufen, sondern auf den Hauptoberflächen 12, 13 der Einzellamellen 11 und zwischen den einzelnen Lagen des Pakets 10, 10' angeordnet sind. Im Gegensatz zu Blechpaketen, in dem mehrere gestapelte Blechlamellen 11 über eine Schweißnaht an einer Endfläche 17 des Blechpakets 10 miteinander verbunden sind, sind die jeweiligen Fügestellen 15 vollständig von den benachbarten Blechlamellen 11, in denen die Fügestelle 15 angeordnet ist, lateral umgeben, sodass die Fügestelle 15 von dem kristallinen, amorphen oder nanokristallinen Material der Blechlamellen 11 lateral vollständig und ununterbrochen umgeben ist. Bei den Fügestellen 15 des erfindungsgemäßen Blechpakets 10, 10' grenzen jedoch zumindest die Seitenwände der jeweiligen Fügestellen 15 an dem Material der Blechlamellen 11 vollständig und ununterbrochen an. Im Gegensatz dazu grenzt bei einer Naht an der Endfläche 17 des Blechpakets 10 zumindest ein Teil der Naht an Luft an.
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In der Draufsicht können die jeweiligen Fügestellen 15 verschiedene laterale Formen aufweisen. Es ist auch möglich, dass Fügestellen unterschiedlicher lateraler Form und/oder sowie unterschiedlicher Tiefe in demselben Blechpaket verwendet werden. 1c zeigt eine schematische Darstellung unterschiedlicher lateraler Formen, die für die jeweiligen Fügestellen 15 verwendet werden können. Beispielsweise können die Fügestellen eine Kreisbahn, eine Ellipse, ein Teilkreis, eine gerade oder gekrümmte Linie, ein Vieleck oder oszillierend um eine definierte Bahn, beispielsweise ein Ring, oder eine gerade Linie sein.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite eines Blechpakets 10, das die Form eines Stators 20 hat. Der Stator 20 hat mehrere Zähne 21, die gleichmäßig um einen Außenring 22 verteilt sind, sodass die Zähne 21 auf den Mittelpunkt bzw. die Mittelachse 23 des Stators 20 gerichtet sind. In der 2 sind Beispiele von Fügestellen 15 schematisch dargestellt. Die Fügestellen 15 können eine Punktform haben und sowohl im Mittenbereich des Rings 22 als auch im Mittenbereich der Zähne 21 angeordnet werden. In anderen Ausführungsbeispielen haben die Fügestellen 15' eine längliche, Form beispielsweise eine Linie, die, wie in der 2 dargestellt ist, gerade sein kann. Eine längliche Fügestelle 15 kann auch andere Formen haben, beispielsweise eine gebogenen Form, die Form eines kreisförmigen Rings, eine X-Form, V- Form usw. Weitere in der Draufsicht nicht dargestellte Fügestellen 15 sind zwischen Blechlamellen angeordnet, die sich innerhalb des Stapels des Blechpakets 10 befinden, sodass die Fügestelle 15 in mehreren Ebenen angeordnet und durch das Volumen des Blechpakets 10 verteilt sind, um sämtliche Blechlamellen zu einem Blechpaket 10 stellenweise stoffschlüssig zu verbinden.
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Die Fügestellen 15 sind jeweils lateral klein und über die Hauptoberflächen 12, 13 verteilt, sodass sie mit einem Laserstrahl niedriger Energie hergestellt werden kann, wobei das Risiko, dass die Blechlamelle 11 beeinträchtigt wird, beispielsweise durch ein Loch in der Blechlamelle, das irrtümlich erzeugt wird, reduziert ist. Folglich können die Blechpakete 10 eine sehr niedrige Blechdicke der Einzellagen typischerweise im Bereich von 0,1 mm oder sogar darunter aufweisen.
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Die Blechpakete können auf Grund des Laserschweißverfahrens sehr kleine Fügestellen aufweisen. Im Falle von Punktschweißungen können Schweißpunktdurchmesser im Bereich von 10 µm bis 1000 µm, 10 µm bis 500 µm oder 20 µm bis 60 µm erreicht werden. Im Falle von Liniennähten können die Fügestellen etwa gleichbreite Nähte, d.h. eine Breite von 10 µm bis 1000 µm, 10 µm bis 500 µm oder 20 µm bis 60 µm und eine Länge L aufweisen, wobei L > B. Die elektrische Kontaktfläche zwischen den Lagen kann auf beispielsweise maximal 10% oder 5% oder 1% der Grenzfläche verringert werden. Somit wird der elektrische Widerstand zwischen den Einzellagen erhöht und damit die Wirbelstromverluste reduziert.
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Die Blechpakete 10, 10' können auch Fügestellen 15 zwischen den Blechlamellen 11 aufweisen, die in Form, Größe, Anzahl und Lage auf dem Querschnitt von Blechlamelle zu Blechlamelle variierbar sind. Ferner können die Form, Größe, Anzahl und Lage der Blechlamellen 11 an die örtlich auftretende magnetische Flussdichte innerhalb der Lagen im Betrieb des Blechpaketes 10 angepasst werden. Die Fügestellen 15 können so ausgeführt werden, dass etwaige negative Einflüsse auf die magnetischen Eigenschaften der Lagen reduziert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Blechpaket kann mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden.
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In einem Durchführungsbeispiel werden Einzellamellen vollständig aus einem Blech getrennt, manuell Lage für Lage übereinandergestapelt und mittels mehrerer auf der Hauptoberfläche verteilten geschweißten Punkte an den Stapel gefügt.
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In einem Ausführungsbeispiel wird jede Lage mit einer geeigneten Vorrichtung ausgerichtet und mit dem bereits vorhandenen Stapel verspannt, bevor das Laserpunktschweißen durchgeführt wird.
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Ziel der Ausrichtung ist eine vollständige Überlappung der Lagen ohne seitlichen Versatz und ohne ungewollte relative Verdrehung um die Längsachse des Paketes. Zur Ausrichtung können beispielsweise mechanische Anschläge und Schablonenelemente genutzt werden, die formschlüssig in Geometrieelemente der Einzellagen greifen. Geeignet sind hier beispielsweise Außen- und Innendurchmesser, Zahnflanken und eigens vom Paketkonstrukteur eingebrachte Positionierelemente für die Positionierung der fertigen Pakete auf der Motor-/Generatorwelle oder in einem Gehäuse.
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Ziel der Verspannung der Lagen ist ein minimaler Luftspalt zwischen diesen nach dem Schweißen. Die Verspannung kann zum Beispiel über eine sog. Brille erfolgen, die eine Einzellamelle flächig gegen die oberste Lamelle des bereits gefügten Stapels presst und lokale Durchgangsöffnungen enthält, um das Schweißen zu ermöglichen. Dabei kann entweder die Brille gegen den Stapel oder der Stapel gegen die Brille gepresst werden. Die Variante der feststehenden Brille bietet den Vorteil einer festen Fokuspunktlage für die Laserschweißoperation.
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Für das Laserschweißen kann z.B. ein Festkörper-Faser-Laser Anwendung finden. Eine Scanner-Optik erlaubt dabei die schnelle und genaue Positionierung des Fokuspunktes im Arbeitsraum der Laseranlage durch Lenkung des Laserstrahls mittels Spiegeln. So können in einer Aufspannung alle Fügestellen einer Lage erzeugt werden. Weiter kann über die programmierbare Optik im Bedarfsfall die Fokuslage der aktuellen Pakethöhe angepasst werden. Je nach Ausführung der Fügestelle kann im Dauerstrich oder Pulsverfahren geschweißt werden. Beispielsweise kann eine Scanner-Optik mit Planfeldobjektiv verwendet werden, um den Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche zu positionieren, während der Laserstrahl über die Oberfläche gesteuert wird, damit die Fügestelle genau positioniert werden kann.
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Diese manuelle Durchführungsform des Verfahrens eignet sich insbesondere zur Herstellung von Mustern und Prototypen in kleinen Stückzahlen.
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In einer zweiten Durchführungsform werden einzelne Prozessschritte wie das Stapeln, Positionieren und Verspannen der Lamellen automatisiert, sodass das gesamte Verfahren teilsautomatisiert ist. Fertig geschnittene Lamellen werden hierzu beispielsweise in einem Magazin oder über Mikrostege angebunden in einem Blechstreifen der Automatisierung zuführt, welche diese per Greifer/Sauger, Schieber oder Drehteller für das Schweißen in den Arbeitsraum des Lasers überführt, wo sie automatisiert gespannt werden und an mehrere Stellen mit der darunterliegenden Blechlamelle bzw. Blechlamellen stoffschlüssig verbunden werden. Nach Erreichen der gewünschten Pakethöhe endet der teilautomatisierte Prozess und das fertige Paket kann entnommen werden. Die Pakethöhe kann durch eine integrierte Höhenmessung oder durch Zählen der Lagen durch die Automatisierung ermittelt werden.
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In einer dritten Durchführungsform wird das Verfahren weiter automatisiert. In der dritten Ausführungsform wird einer Anlage ein Blechband oder eine Serie von Blechtafeln (beides im Folgenden „Streifen“) zugeführt. Diese Zuführung kann über eine Abwickelhaspel, Umlenkrollen und einen Vorschub erfolgen, wie er in der Stanztechnik Anwendung findet. Bei geringen Blechdicken ist ein Richten zur Entfernung eines möglicherweise vorhandenen Coilsets nicht erforderlich. Die Kontur einer ersten Lamelle wird mit einem integrierten Schneidwerkzeug aus dem Streifen geschnitten. Dabei bleibt die ausgeschnittene Lamelle entweder entlang der gesamten Außenkontur oder über Mikrostege mit dem Streifen stoffschlüssig verbunden.
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Der Schnitt der Lamellenkontur kann auf mehrere Stationen aufgeteilt werden, die jeweils durch einen oder mehrere Vorschubtakte voneinander entfernt durchgeführt werden. In den ersten Stationen werden die Teile des Schnittes ausgeführt, die zu losem Schrott führen. Dieser fällt durch Schwerkrafteinfluss und ggf. unterstützt zum Beispiel durch Ausblasen mittels Druckluft aus dem Streifen und wird zum Beispiel über Schrottrutschen aus der Anlage geführt. Die erste Lamelle wird durch einen Vorschubtakt in einer Positioniervorrichtung platziert. Die Mikrostege werden dabei entweder per Remotelaserschnitt oder durch eine weitere Werkzeugbewegung senkrecht zum Vorschub durchtrennt und die Lamelle somit aus dem Streifen gelöst. Der nächste Vorschubtakt positioniert auf gleiche Weise eine zweite Lamelle über der ersten.
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Ähnlich zu der zweiten teilsautomatisierten Durchführungsform werden nun beide Lamellen über eine Brille automatisiert miteinander verspannt und dann per mehrfacher Laserschweißung gefügt. Durch einen weiteren Vorschubtakt wird der im Streifen verbliebende Schrott (das „Schrottgitter“) aus dem Arbeitsraum abtransportiert und die nächste Lamelle wird über den bereits gefügten Stapel positioniert. Durch Wiederholung des Ablaufs wächst Lage um Lage das Paket, wobei die bereits gefügten Lamellen als wachsender Stapel durch eine zweite Taktrichtung senkrecht zum Streifen abgeführt werden. Die zweite Taktrichtung kann beispielsweise durch eine vertikale Bewegung der Positioniervorrichtung der Lamellen realisiert sein. Alternativ kann die Fokuslage durch Verfahren des Lasers in vertikaler Richtung nachgestellt werden.
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Erfolgt eine Aufteilung der Einzeloperationen im Sinne dieser dritten Durchführungsform, können in der ersten Station Pilotlöcher geschnitten werden, die in Folgestationen über Fängerstifte zur Positionierung des Streifens genutzt werden (bei gelüftetem Vorschub). Dies sichert eine exakte Positionierung der in einzelnen Stationen ausgeführten Schnitt- und Schweißoperationen zueinander.
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In allen nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wird unter dem Begriff Fügestelle immer eine durch Laserschweißen entstandene Fügestelle als Überlappverbindung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel verstanden.
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In einer dritten Ausführungsform eines Blechpakets weist das Blechpaket eine Vielzahl punktförmiger Fügestellen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 20-200µm auf, die über die Kontaktfläche jeweils mindestens zweier zu verbindender Lagen, d.h. über die Hauptoberflächen der benachbarten Blechlamellen, verteilt sind. Vorteilhaft ist eine solche Verteilung, die eine für die weitere Verarbeitung und spätere Nutzung des Pakets ausreichend feste Verbindung zwischen den Lagen sicherstellt und gleichzeitig die gewünschten elektromagnetischen Eigenschaften des Paketes nur minimal beeinträchtigt. Blechpakete gemäß der Erfindung verfügen über eine große Anzahl und feine Verteilung an Fügestellen. Dies hat zur Folge, dass äußere Lasten in einzelnen Fügestellen vergleichsweise geringe Beanspruchungen hervorrufen, da sich die mechanischen Spannungen auf jeweils mehrere Fügestellen verteilen und die Hebelarme zwischen den Lastangriffspunkten und Fügestellen verkürzen. Relevante äußere Lasten entstehen beispielsweise durch punkt- oder linienförmige Kontaktflächen und Relativbewegungen beim Fügen der Pakete mit Wellen und Gehäusen.
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Gemäß der Erfindung kann ein Knüpfpunkt an jeder beliebigen Stelle auf der Lamelle gesetzt werden, ohne dass dies konstruktive Änderungen der Anlage erfordert. Auf diese Weise können u.a. eine lokale oder vollständige Delamination und ein Auffächern der Lamellen im Bereich feingliedriger Strukturen (wie z.B. Zahngeometrien) effektiv verhindert werden. Durch die geringe Größe der Knüpfpunkte entsteht trotz deren Vielzahl eine vergleichsweise kleine elektrische Kontaktfläche zwischen den Lagen, was die Wirbelstromverluste gering hält. Die geringe Knüpfpunktgröße vereinfacht zudem eine solche Positionierung der Knüpfpunkte, die den magnetischen Fluss möglichst wenig beeinträchtigt.
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In einer vierten Ausführungsform werden neben punktförmigen Fügestellen andere, durch den Weg des Laserpunktes frei wählbare Formen der Fügestellen verwendet. Diese Formen können beispielsweise gerade Linien, Kreise, Vielecke oder andere Kurvenzüge sein. Vorteilhaft sind dabei solche Liniennahtverläufe, die parallel zu den Linien des magnetischen Flusses liegen. Der magnetische Fluss wird dann nur durch die Breite der Naht beeinträchtigt, welche den für den Fluss zur Verfügung stehenden Querschnitt ohne Störstelle verringert. Die Länge der Naht hat bei parallel zum Fluss ausgerichtetem Verlauf keinen Einfluss auf die Beeinträchtigung des Flusses und kann hinsichtlich der Verbindungsfestigkeit und elektrischen Kontaktfläche optimiert werden. Somit verschiebt sich der Kompromiss aus elektrischer Kontaktierung, magnetischer Beeinflussung und Verbindungsfestigkeit hin zu höheren Verbindungsfestigkeiten.
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In einer fünften Ausführungsform werden die Fügestellen in ihrer Position von Lage zu Lage variiert, um die durch die elektrische Kontaktierung entstehenden Wirbelstrompfade zu verlängern. Der Laser wird dabei so eingestellt, dass pro Fügestellen nur möglichst wenige Lagen (im Idealfall zwei) gefügt werden. Die unterste Lage soll dabei nicht über die gesamte Dicke aufgeschmolzen werden. Diese Anordnung kann bei den dritten und vierten Ausführungsbeispielen verwendet werden, d.h. bei punktförmigen und länglichen Fügestellen.
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In einer Versuchsreihe werden Proberingpakete aus VACODUR 49 (VD49) mittels Laserpunktschweißens angefertigt. Die erzeugten Pakete wurden metallographisch untersucht und magnetisch vermessen.
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Lasergeschnittene Proberinge aus VACODUR 49 wurden manuell und einzeln einer Aufspannvorrichtung zugeführt und dabei über einen Dorn positioniert. Nach Zuführung eines Proberinges wurde jeweils der Deckel geschlossen und durch Verschrauben mit dem Unterteil der Vorrichtung verspannt. Die Vorrichtung wurde im Bearbeitungsraum eines Laserbearbeitungszentrums mithilfe von Anschlägen positioniert. Durch die Öffnungen des Deckels wurde die gespannte Lage mit dem darunterliegenden bereits gefügten Proberingpaket per Laser an einer Vielzahl von Stellen auf der Hauptoberfläche verschweißt. Nach der Schweißoperation wurde die Vorrichtung entnommen, der Deckel entfernt und die nächste Lage oder der nächste Probering wie oben beschrieben gespannt. Der Vorgang wurde wiederholt, bis 50 Lagen an Proberingen zu einem Ringpaket verschweißt waren. Insgesamt wurden vier Ringpakete hergestellt. Dabei wurden die Lasertechnologieparameter, die Form der Fügestelle (Punkt und Linie) sowie deren Position (immer an derselben Stelle oder von Lage zu Lage alternierend) variiert.
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3 zeigt eine REM-Aufnahme eines Beispiels einer punktförmigen Fügestelle in Draufsicht und 4 zeigt einen metallographsichen Schliff durch eine punktförmige Fügestelle in einem Blechpaket. Im Querschnitt ist eine stoffschlüssige Verbindung von in diesem Fall drei Lagen erkennbar. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Fügestellen durch wiederholtes Schweißen von zwei Lagen an gleicher Stelle erzielt.
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5 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Beispiels einer linienförmigen Fügestelle in Draufsicht.
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6 zeigt einen metallographsichen Schliff durch eine linienförmige Fügestelle. Der vorgenommene Schliff war nicht parallel zum Verlauf der Naht, weshalb die stoffschlüssige Verbindung nur im rechten Teil zu erkennen ist (nach links läuft der Schliff aus der Naht heraus).
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7 zeigt ein Mikroskopaufnahme einer Seitenansicht eines in den Versuchen erzeugten Ringpakets, im dem die aufeinander gestapelten Blechlamellen zu sehen sind. Zu erkennen ist auch ein sehr guter Füllfaktor, da die Abstände zwischen den Blechlamellen klein sind.
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8a und 8b zeigen eine statische Vermessung der Neukurve (8a) und der Permeabilität (8b) der erzeugten Ringpakete. Die Ringpakete sind einer dem Paketieren nachgelagerten Glühung unterzogen. Die Ringe 2-4 wurden mit verschiedenen Parametern laserpunktgeschweißt und in der Messung mit einem Referenzpaket aus lose gestapelten Ringen verglichen. Es ist kein irreversibler Einfluss des Paketierverfahrens einschließlich des Laserpunktschweißens auf die statischen weichmagnetischen Eigenschaften des verarbeiteten Materials erkennbar, da kein signifikanter Unterschied zum Vergleichspaket besteht.
