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Sinter-Bauteil in elektromagnetischen Maschinen
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Die Erfindung betrifft ein Formteil aus gesintertem Verbundwerkstoff
in elektromagnetischen Maschinen, bei dem das Verhältnis von Seitenwandhöhe zur
Seitenwandstärke mindestens 4 beträgt.
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Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 27 18
975.9 ist ein Formteil aus gesintertem Verbundwerkstoff bekannt, das als Schaltstück
für elektrische Schaltgeräte ausgebildet ist und aus einem wannenförmigen Tragkörper
aus Eisen und einer Kontaktauflage aus Kupfer besteht. Der Tragkörper weist dabei
eine im wesentlichen flache Grundfläche auf, an der verhältnismäßig dicke und niedrige
Wände angesetzt sind. Die Kontaktauflage ist nur auf der Grundfläche (Boden) des
Tragkörpers aufgebracht. Zu seiner Herstellung wird ein Zwei -schichtpulverrohling
aus Eisen und Kupfer gepreßt,
in Schutzgas gesintert, kalibriert
und abermals gesintert und anschließend durch Rückwärts-Napffließpressen geformt.
Die Geometrie des Formteiles erfordert nur eine geringe Napfhöhe während des Napffließpressens,
wobei sich die Kupferschicht senkrecht zur Fließrichtung beim Fließpressen erstreckt.
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Für Motorläufer und andere elektromagnetisch beanspruchte Bauteile
mit komplizierteren Geometrien, insbesondere hohlkörperartige oder topfförmige Bauteile,
werden Materialien benötigt, die ferromagnetisch, elektrisch gut leitfähig und thermisch
stark belastbar sind. Dadurch sollen die elektromagnetischen Verluste herabgesetzt
und thermische Veränderungen der Bauteile vermieden werden. Weicheisen oder andere
homogene Materialien erfüllen diese Bedingungen häufig nicht zufriedenstellend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,die elektromagnetische und
thermische Belastbarkeit bei einem Formteil zu verbessern, das nicht im wesentlichen
flach ist, d.h. das außer einer nur unwesentlich unebenen Grundfläche (Boden) noch
wenigstens eine aus der Grundfläche herausragende Wand (Seitenwand) besitzt, wobei
die Höhe der Wand wenigstens das vierfache der Wanddicke beträgt.
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Dies wird durch ein Formteil aus gesintertem Verbundwerkstoff erreicht,
bei dem die Seitenwand aus mehreren nebeneinander vorliegenden Werkstoff-Phasen
besteht, die Werkstoff-Phasen längs der Wand gleichmäßig verteilt sind und wenigstens
eine Werkstoff-Phase ferromagnetisch und wenigstens eine andere WeFkstoff-Phase
elektrisch gut leitend ist.
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Pulvermetallurgisch hergestellte, gesinterte Werkstoffe besitzen im
allgemeinen eine gewisse Restporosität, die zu einer unerwünschten Erhöhung des
elektrischen Widerstandes führen. Durch Verfahren, bei denen ein poröses Sintergerüst
mit einer flüssigen Phase gefüllt werden, kann zwar die Porosität herabgesetzt werden,
Jedoch kommt es dabei zu einem gewissen Eindiffundieren und Lösen der verschiedenen
Werkstoffe, wodurch ebenfalls die Leitfähigkeit herabgesetzt wird. Außerdem könnten
Versetzungen und andere Strukturveränderungen an den Grenzen der gesinterten Pulverteilchen
die elektrischen Eigenschaften von Motorläufern und anderen Bauteilen elektromagnetischer
Maschinen verschlechtern.
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Uberraschenderweise hat es sich jedoch gezeigt, daß die Eigenschaften
von Bauteilen der angegebenen Geometrie dadurch verbessert werden können, daß die
Wand aus wenigstens einem ferromagnetischen und wenigstens einem anderen elektrisch
gut leitenden Werkstoff hergestellt werden, die nebeneinander in räumlich getrennten
Bereichen (Phasen) vorliegen.
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Die Phasen sind derart entlang der Wand verteilt, daß über jeden Wandquerschnitt
beide Phasen etwa im gleichen Verhältnis verteilt sind. Die Herstellung geht von
entsprechenden Werkstoff-Pulvern aus, die durch Pressen und Sintern ohne flüssige
Phase zu einem Rohling verarbeitet werden, aus dem durch Massivumformen das Formteil
gebildet wird, wobei gleichzeitig die Restporosität des Rohlings entscheidend herabgesetzt
wird.
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Die Wand kann dabei aus einem Verbundwerkstoff bestehen, bei dem die
Phasen in statistisch ineinander verteilten, durch Sintern miteinander verbundenen
mikroskopischen
Bereichen vorliegen. Sie kann aber auch als Zwei- oder Mehrschichter aufgebaut sein,
bei dem die einzelnen Phasen jeweils in sich längs der Wand erstreckenden, gleichmäßig
dicken Schichten vorliegen, die jeweils nur aus einem Werkstoff bestehen, wobei
die Werkstoffkörner einer Schicht untereinander und mit den Werkstoffkörnern benachbarter
Schichten durch Sintern verbunden sind. Um die angestrebte elektrische, magnetische
und thermische Belastbarkeit zu erreichen, soll das Wandmaterial nur eine vernachlässigbare
Restporosität aufweisen, wobei insbesondere Restporositäten unter 1 , angestrebt
werden.
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Die Herstellung eines derartigen nicht-flachen Formteiles mit dünnen,
hohen Seitenwänden aus einem Verbundwerkstoff kann mit den üblichen pulvermetallurgischen
Methoden nicht erreicht werden. Aus preßtechnischen Gründen können porenarme, maßgenaue
Verbundwerkstoff-Teile nur mit einem begrenzten Verhältnis von Länge zu Dicke (hier
Wandhöhe zu Wanddicke) erreicht werden. Außerdem zeigen die durch Pressen, Sintern
und Kalibrieren hergestellten Sinter-Verbundwerkstoffe das für Sinterwerkstoffe
typische spröde Verhalten. Durch eine Umformung mit ausgeprägtem Materialfluß läßt
sich die für das Sprödbruchverhalten verantwortliche Porosität herabsetzen und man
erhält verbesserte Werkstoffeigenschaften; übliche Umformungen dagegen z.B. Strangpressen
oder Walzen, können zur Herstellung nicht-flacher Formteile nicht herangezogen werden.
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Man kann ein derartiges Formteil mit statistisch verteilten mikroskopischen
Bereichen der unterschiedlichen Phasen dadurch erreichen, daß zunächst Pulver
mehrerer
Materialien, von denen wenigstens eines ferromagnetisch und wenigstens eines elektrisch
gut leitend ist, innig mischt. Aus der Mischung wird durch Pressen und Sintern unter
Schutzgasatmosphäre oder Vakuum ein Rohling mit einer Porosität von höchstens 5
96 (RaumerfUllungsgrad mindestens 95 5') erzeugt. Preßdruck und Sintertemperatur
werden so gewählt, daß keine flüssige Phase und auch keine Blasenbildung infolge
überhöhten Preßdrucksauftritt. Anschließend wird der Rohling durch Massivumformen
zum Formteil verarbeitet.
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Vorteilhaft wird zur Erreichung der geringen Endporosität des Rohlings
an den ersten Preß- und Sintervorgang ein Nachkalibrieren und Nachsintern angeschlossen.
Zum Massivumformen wird der Rohling vorteilhaft fließgepreßt.
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Als ferromagnetisches Material wird vorteilhaft Eisen und als elektrisch
gut leitendes Material Kupfer verwendet. Das Verhältnis Eisen zu Kupfer kann dabei
zwischen 1:4 und 4:1 liegen. Gegenüber geringeren Cu-Beimengungen, wie sie in der
Eisen-Metallurgie zur besseren Verarbeitbarkeit gelegentlich verwendet werden, erreicht
man durch diese Cu-Gehalte die angestrebte Verbesserung der elektromagnetischen
Eigenschaften, insbesondere eine hohe Leitfähigkeit, des Formteils. Das Sintern
der Pulvermischung findet bevorzugt während 0,5 bis 2 Stunden,insbesondere etwa
1 Stunde, in einer Schutzgasatmosphäre, z.B.
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Formiergas mit 80 96 Stickstoff und 20 96 Wasserstoff, oder im Hochvakuum
(unter 10 4 mbar) statt. Die Sintertemperatur beträgt vorteilhaft 800 bis 10500.
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Die Preßdrucke betragen für das Vorpressen vorteilhaft 200 bis 400
MN m 2, für das Nachpressen
600 bis 800 MN. m 2.
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In Tabelle 1 sind Versuchsergebnisse mit einer Fe/Cu-Pulvermischung
der angegebenen Gewichtsverhältnisse aufgeführt. Die Mischung wird nur einmal mit
den angegebenen Preßdrucken gepreßt und anschließend bei etwa 10000C gesintert.
Sodann werden durch Rückwärts-Napffließpressen mit verschiedenen Stempeln topfförmige
Formteile erzeugt. Bei einem Matrizendurchmesser von 31 mm werden Fließpreßstempel
mit einem Preßflächen-Durchmesser von 12 bzw. 22 bzw.
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27 mm verwendet und dabei Umformgrade von 0,56 bzw.
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0,70 bzw. 1,42 erhalten. Die dabei auftretenden Umformkräfte sind
in kN bei jedem Versuch angegeben.
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Es zeigt sich, daß bei kleinen PreßCrucken und/oder bei geringen Kupfergehalten
das durch das Fließpressen entstandene Produkt an der Innenwand eine Rißbildung
zeigt, wie durch das Symbol "0" angedeutet. Bei hohen Preßdrucken treten an der
Außenwand des Napfes Risse auf, wie durch das Symbol "X" gekennzeichent ist. In
vielen Fällen, hauptsächlich bei hohen Umformungsgraden, treten sowohl innen wie
außen Risse auf, wie durch das Symbol "-" gekennzeichnet ist.
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In manchen Fällen, insbesondere bei höheren Kupfer gehalten und niedrigeren
Umformungsgraden, kann bereits durch das einfache Pressen und Sintern einbefriedigendes
Ergebnis erreicht werden, wie durch das Symbol "+" dargestellt ist.
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Bei niedrigen Preßdrucken reicht die durch das Pressen erzielte Verdichtung
nicht aus, um einen auch beim Fließpressen ausreichenden Zusammenhalt der Pulverteilchen
zu gewährleisten. Bei hohen Preßdrucken hingegen tritt bereits ein Kaltversohweißen
der Teilchen
mit der Bildung von Gaseinschlüssen auf, die beim
Sintern zu Gefüge störungen und damit ebenfalls zu Rissen beim Fließpressen führen.
Ein ausreichendes Ergebnis wird nur erhalten, wenn die Bedingungen beim Pressen
und Sintern so gewählt werden, daß die Porosität des gesinterten Rohlings 5 96 nicht
überschreitet.
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Dies kann auch durch ein zweites Nachpressen (Kalibrieren) mit höheren
Drucken und ein zweites Sintern erreicht werden. Tabelle 2 zeigt die Versuchsergebnisse
entsprechend Tabelle 1, wobei das erste Pressen mit den angegebenen Preßdrucken,
das zweite Pressen mit 800 MN m 2 durchgeführt wird.
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Die hier für das System Fe/Cu angegebenen vorteilhaften Bedingungen
für das Pressen und Sintern können auch für andere Systeme als Richtwerte dienen,
müssen jedoch den jeweiligen Verhältnissen entsprechend geändert werden, wie durch
einfache Versuchsreihen nach der oben geschilderten Art Jederzeit festgestellt werden
kann. Dabei muß lediglich ein Auftreten einer flüssigen Phase, ein unzureichendes
Verdichten der Pulver im Rohling und die Bildung von Gaseinschlossen vermieden werden.
Die Sintertemperatur wird vorteilhaft Jeweils knapp unter der Schmelztemperatur
der am niedrigsten schmelzenden Komponente gewählt, wobei dann die Sinterzeiten
so angepaßt werden, daß das gemäß der Erfindung angestrebte Sintern auch für die
höher schmelzenden Komponenten noch erreicht wird.
Tabelle 1 Fe/Cu
Preßdruck (in MN m-2) Umform-(Gew.-%) 150 300 450 600 grad 30/70 160(0) 170(+) 180(+)
180(+) 0,16 30/70 500(-) 500(-) 520(x) 500(x) 0,70 30/70 700(-) 750(x) 840(+) 800(x)
1,42 50/50 150(0) 180(+) 180(+) 220(+) 0,16 50/50 560(-) 600(x) 600(+) 560(+) 0,70
50/50 780(-) 840(-) 900(-) 920(+) 1,42 70/30 150(0) 190(0) 210(+) 220(x) 0,16 70/30
560(-) 620(-) 620(-) 590(x) 0,70 70/30 860(-) 900(-) 1000(-) 980(x) 1,42
Tabelle
2 Fe/Cu Preßdruck (in MN m-2) Umform-(Gew.-%) 150 300 450 600 grad 30/70 180(+)
180(+) 190(+) 180(+) 0,16 30/70 500(+) 500(+) 520(+) 520(+) 0,70 30/70 800(+) 800(+)
820(+) 840(+) 1,42 50/50 200(+) 200(+) 200(+) 220(+) 0,16 50/50 580(+) 580(+) 580(+)
560(+) 0,70 50/50 880(+) 880(+) 900(+) 900(+) 1,42 70/30 220(+) 220(+) 230(+) 210(+)
0,16 70/30 600(x) 600(x) 630(+) 590(x) 0,70 70/30 1000(+) 1000(0) 980(+) 960(+)
1,42
Wie bereits erwähnt, kann die Wand bei einem Formteil nach
der Erfindung auch in Art eines Mehrschichters die Phasen in parallel zur Wand verlaufenden
Schichten enthalten. Ein Formteil mit einer mehrschichtigen Wand könnte man prinzipiell
dadurch erhalten, daß man entsprechend geformte Formteile aus verschiedenen Materialien
ineinander setzt und anschließend massiv umformt. Einen ausreichenden Zusammenhalt
zwischen den Schichten erhält man jedoch nur, wenn der Umformungsgrad derart hoch
gewählt werden kann, daß an der Grenzfläche eine Kaltverschweißung eintritt Dies
ist in der Regel bei den angestrebten Formteil-Geometrien jedoch nicht möglich.
Bei kleineren Umformungsgraden erhält man andererseits nur eine mechanische Verbindung
zwischen den einzelnen Schichten, die häufig bereits sichtbare Risse zeigt und thermisch
nicht belastbar ist.
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Eine derartige Rißbildung kann jedoch vermieden werden, wenn für die
Umformung ein Rohling hergestellt wird, bei dem die einzelnen Schichten durch einen
Sintervorgang miteinander verbunden werden. Anschließend wird der Rohling, der einen
Raumerfüllungsgrad von mindestens 95 96 aufweisen muß, fl.ießgepreßt.
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Hierzu kann man vorteilhaft so vorgehen, daß Pulver mehrerer Werkstoffe,
von denen wenigstens einer ferromagnetisch und wenigstens ein anderer elektrisch
gut leitend ist, in einer Preßform derart nebeneinander aufgeschichtet und verpreßt
werden, daß ein Rohling entsteht, der mehrere parallel zur Längsrichtung der Pließrichtung
beim FließpresseX ausgerichtete Schihten enthält. Anschließend wird der Rohling
in Vakuum oder Schutzgasatmosphäre gesintert. Die Bedingungen
werden
dabei so gewählt, daß eine maßgetreue Schichtung erhalten wird, daß keine flüssige
Phase auftritt und daß die Bildung von Blasen oder Rissen an der Grenzflachs verhindert
wird. Das bedeutet z.B., daß bei unterschiedlicher Verpreßbarkeit der verschiedenen
Pulver der Preßdruck nicht zu hoch gewählt werden darf, damit es nicht zu einer
unkontrollierten Verformung der Schichtung kommt oder keine Blasen, die zu Rissen
führen, auftreten. Verformen und Reißen der Schichten kann auch auftreten, wenn
die Pulver während der Behandlung unterschiedlich schrumpfen.
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Dies karui z.B. durch Wahl der Forngrößen, Preßdruck, Druckhaltezeit,
Schmierung, Sintertemperatur und -dauer, Atmosphäre etc. verhindert werden. Anschließend
wird der Rohling durch Fließpressen zum Formteil verarbeit. Audi hier kann durch
Nachressen und Nachsintern der angestrebte Raumerfüllangsgrad zuverlässig erreicht
werden.
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Für die Herstellung eines Eisen-Kupfer-Formteilen, wie es insbeJondere
für Motorläufer vorteilhaft verwendet werden kann, können diese Bedingungen erreicht
werden, wenn der Preßdruck beim ersten Pressen zwischen 200 und 400 MN m 2 und beim
zweiten Pressen zwischen 400 und 800 MN m-2 gewählt wird. Das Sintern findet vorteilhaft
knapp unter dem Schmelzpunkt der niedriger schmelzenden Komponente statt, was im
Falze von Kupfer Sintertemperaturen von etwa 10000C 1Jedeutetj Das Sintern kann
während 0,5 bis 2 Stunden, vorteilhaft etwa 1 Stunde, im Vakuum (kleiner 10-4 4
mb) oder in Schutzgasatmosphäre stattfinden. Der Preßdruck während des abschlienen(.en
Fließpressen ist von der angestrebten Geometrie des Formteiles, somit vom Umformgrad,
abhängig.
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Anhand von zwei Ausführungsbeispiele und vier Figuren wird das Wesen
der Erfindung noch näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen napfförmigen Rotor für einen im Vakuum betriebenen
Motorläufer, der thermisch stark belastet wird. Der Läufer hat die Form eines Napfes
mit einem dicken Boden 1 und seitlichen Wänden 2.
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Der Boden und die Innenseite der Wand besteht aus Eisen (3), die Außenfläche
der Wand aus Kupfer (4).
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Derartige Läufer wurden bisher durch Vernieten eines Kupferrohres
mit einem entsprechenden Eisenteil hergestellt. Da der Läufer im kurzzeitigen Stoßbetrieb
stark erwärmt wird, verwirft sich das Kupferrohr aufgrund der unterschiedlichen
Wärmeausdehungskoeffizienten, so daß bei hohen Drehzahlen Unwuchtprobleme auftreten.
Selbst wenn zur Herstellung eines derartigen Läufers auf ein entsprechend geformtes
Eisenteil ein Kupferrohr aufgeschoben und die beiden Teile einem anschließenden
Kaltmassivumformen unterworfen werden, entsteht keine ausreichende Verbindung der
beiden Materialien, da die Geometrie keine so weitgehende Umformung zuläßt, daß
die Oxidhäute an der Grenzschicht der Materialien zerstört und eine weitgehende
Kaltverschweißung der beiden Metalle auftritt.
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Gemäß der Erfindung kann der Läufer jedoch erzeugt werden, indem ein
Sinterrohling nach Fig. 2 erzeugt wird. Dies kann geschehen, indem in eine zylindrische
Preßform eine Bodenschicht (10) aus Eisenpulver eingefüllt, eine dünne zylindrische
Trennwand koaxial eingesetzt, das Innere der Trennwand ebenfalls mit Eisenpulver
11, der Zwischenraum zwischen Trennwand und Preßform mit Kupferpulver 12 ausgefüllt
und anschließend die Trennwand herausgezogen wird. Sodann wird mit
einem
Preßdruck von MN m-2 gespreßt und im Vakuum bei 1000°C eine Stunde lang gesintert.
Durch Kalibrieren bei einem Druck von 600 MN m-2 und anschließendem einstündingen
sintern bei 1000°C wird die Porosität des Rohlings auf unter 5 % berabgesetzt, der
Gasgehalt verringert und das Material weichgelüht.
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Anschließend wird der esinterte Rohling durch Rückwärts-Nappffließpressen
kalt umgeformt. Nach Abtrennen des oberen Napfrandes erhält man einen Läufer mit
konzentrischer, bis in Bodennähe gleichmäßig starker Cu-Schicht und guter Grenzschichtfestigkeit
auch termischer Belastung. Zur Verbesserung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften
kann der Läufer nochmals weichg. glüht werden.
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Fig. 3 zeigt einen Läufer für einer anderen Elektromotor. Bei diesen
nappförmigen Bauteil ist die Bauteillangs etwaa entsprechend der Bauteilbreite,
jedoch sind die aus dem Rohre 30 herausragenden Seitenwände 31 um ein Vielfacher
höher al. die Dicke d dieser Wande. Normalerweise wird ein derartiger Läufer aus
Weicheisen hergestellt und ergibt einen in vielen Fällen noch zufriendstellenden
Drehmomenten-Verlauf des Motors, der besser ist als bei einer Geometrie ähnlich
der Fig. 1.
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Überraschenderweise wird jedoch bei fast allen Drehzahlen ein größeres
Drehmoment erhalten, wenn man den Läufer nicht massis aus Eisen, sondern aus einer
Feßu-Pulvermischung herstellt. Dazu wird gemäß der Erfindung zunächst ein Rohling
aus einer Eisen-Kupfer-Pulvermischung bei einem Freßdruck von 200 MN m-2 gepreßt,
unter Schutzgas bei 1000°C eine Stunde gesintert, mit Preßdrucken zwischen 600 und
800 MN m-2 nachkalibriert und nochmals gesintert. Durch Nappfließ-
pressen
wird der Napf nach Fig. 3 hergestllet. Es ergibt sich parallel zur Napfachse en
Gefüge, bei dem entsprechend Fig. 4 faserförmige Bereiche aus Eisen (40) und Kupfer
(41) statisch ineinander verteilt sind. Dadurch können die magnetischen Eigenschaften
verbessert werden, insbesondere werden elektromagnetische Verluste verringer+.
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10 Patentansprüche 4 Figuren