JP7247317B2 - ダイナモエレクトリック回転機の材料層および材料層構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、０．５～５００μｍの層厚を有する材料層を製造する方法に関する。

ダイナモエレクトリック回転機の磁気回路には、ステータとロータが含まれる。ロータおよびステータは、ダイナモエレクトリック回転機の能動部品とも呼ばれる発電構成要素であり、これまで積層鉄心として製造されてきた。

現在の積層鉄心は、軟磁性材料の圧延された大型鋼板から切断または打ち抜かれた複数の鋼板を含む。これらの鋼板は次いで積層鉄心にパッケージされる。

圧延による大型鋼板の従来の製造では、１００μｍより薄い鋼板を製造することができない。加えて、大型鋼板から鋼板を切り出したり、打ち抜いたりする際には屑が発生する。

したがって、本発明の課題は、ダイナモエレクトリック回転機用の鋼板の製造を改善することにある。

この課題の解決は、請求項１に記載の方法、すなわち、
- グリーン体を得るために、少なくとも１つの結合剤および固体粒子を含む懸濁液を、テンプレートを通じて基面上に塗布する工程、
- 特には脱バインダ処理よって、グリーン体から結合剤を除去する工程、
- 加熱によっておよび／または圧縮を用いて、特に焼結を用いて、固体粒子の持続的凝集を作る工程、
を有する層厚０．５～５００μｍの材料層を製造するための方法により達成される。

さらに、この課題の解決は、請求項８に記載の材料層、並びに、請求項１３に記載のダイナモエレクトリック回転機のロータのための材料層構造を製造するための方法、によって達成される。

また、前記の課題の解決は、更に、ダイナモエレクトリック回転機のロータ用の請求項１５に記載の材料層構造であって、上下に配置された複数の材料層を有する材料層構造、このような材料層構造を有するダイナモエレクトリック回転機のロータ、並びに、ダイナモエレクトリック回転機によって達成される。

材料層は、有利には、従来のロータの積層鉄心における従来の鋼板の従前の機能を有し、鋼板の役割を果たす。

有利には、材料層の輪郭は、基本的に鋼板の輪郭に対応する。

材料層は、有利には、鋼板よりも薄く製造される及び／又はより薄く製造可能である。

材料層構造は、有利には、積層鉄心の従前の機能を有し、ロータの積層鉄心の役割を果たす。

複数の材料層が、材料層構造を形成するために上下に重ねて配置されている。好ましくは、材料層は、材料層構造の回転軸の方向に、言い換えれば、回転軸に沿って配置されている。

好ましくは少なくとも２つの材料層が隣接されている別の配置も考えられる。

材料層は、好ましくは、基本的に丸く、基本的に中央に配置された、材料切り欠きを有する。材料層構造は、好ましくは、シャフトに接続するための回転軸に沿った円筒状の材料切り欠きを有する。

特に安定な材料層設計の場合、材料層は、好ましくは、１０～１００μｍの層厚を有する。

懸濁液は、好ましくはドクターブレードを用いて塗布される。

懸濁液は、少なくとも１つの、特に脱バインダ処理によって、除去することができる結合剤、及び、固体粒子を有する。

結合剤は、好ましくは有機結合剤である。結合剤は、好ましくは、加熱されると、完全に或いはほぼ完全に気体状の成分に解離する状態のものである。

固体粒子は、好ましくは粉末の形態である。固体粒子は、好ましくは、少なくとも１つの導磁性および／または導電性の材料を含む。

固体粒子は、好ましくは、０．１～１００μｍの直径を有する。

固体粒子は、特別な実施形態において、好ましくは、０．５～１０μｍの直径を有する。固体粒子の直径が小さいほど、より薄い材料層を製造することができる。例えば、０．５μｍの直径を有する固体粒子を有する懸濁液を用いて、０．５μｍの薄い材料層を製造することができる。

粉末は、もっぱら１つの材料の固体粒子を含んでいてもよい、または、少なくとも２つの異なる材料を含む粉末混合物であってもよい。

粉末は、強度、磁気特性、電気特性および熱伝導に関して調整され得る。

固体粒子は、加熱によっておよび／または圧縮を用いて、特に焼結を用いて、持続的に結合される。

焼結は、好ましくは、特に使用される材料に依存する熱プロセスである。例えば、温度または温度範囲は、材料の合金、他の添加剤、および（焼結後の）所望の成果に依存する。

テンプレートは、好ましくは、所望の形状および／または輪郭および／またはパターンおよび／または切り欠きなどを転写するための版下である。テンプレートは任意に何度でも使用できる。

テンプレートを使用して、所望の材料層の形状を正確に形成することができる。従って屑は発生しない。１つの材料層に２つ以上のテンプレートを使用することもできる。

テンプレートは、迅速かつ安価に（特に打抜き工具よりも迅速に）修正することができる。

また、テンプレートによりフィリグリー形状を再現することもできる。フィリグリー形状を有する材料層は、ダイナモエレクトリック回転機の軽量構造、冷却および磁気散乱に対して、特に有利である。

本発明のさらなる有利な実施形態では、絶縁材料が、少なくとも１つの層面上の材料層に、塗布される。

好ましくは、絶縁材料はセラミックである、特に非磁性酸化物セラミック、例えば酸化ジルコニウムまたは酸化アルミニウムである。

塗布された絶縁材料は、好ましくは、電気絶縁のために使用される。

塗布された絶縁材料は、好ましくは、少なくとも２つ以上の材料層が特に材料層構造を形成するため上下に配置される場合に、一方の材料層を少なくとも１つの他方の材料層に対して電気絶縁するために使用される。

したがって、有利に塗布された絶縁材料は、一方の材料層から他方の材料層への通電を防止する。

本発明のさらなる有利な実施形態では、両層面で材料層上へ絶縁材料が塗布される。

絶縁材料が材料層の片側のみに塗布される場合には、材料層はより薄くなる。絶縁材料が材料層の両側に塗布される場合には、材料層はより良好に絶縁される。

本発明の別の有利な実施形態では、ラッカー、特にベーキングラッカーが材料層に塗布される。

ラッカー、特にベーキングラッカーは、絶縁材料であってもよい。しかしながら、ラッカーおよび絶縁材料は、２つの異なる材料であってもよい。

有利に塗布されたベーキングラッカーは、特に材料層構造内の隣接する別の材料層に対する、材料層の特に良好な電気絶縁を可能にする。

さらに、材料層は、特にベーキングラッカーを用いて、隣接する材料層または隣接する複数の材料層に固着可能である。

有利に塗布されたベーキングラッカーは、材料層が面で接続されているので、材料層構造の高レベルの強度および剛性を可能にする。これにより、振動や騒音も低減される。

本発明の別の有利な実施形態では、固体粒子は、電気的および／または磁気的に伝導性の材料から作製された粒子、特に金属粒子を含む。

好ましくは、導電性材料は、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、鉄および／または鋼および／またはそれらの合金である。しかしながら、他の導電性材料も考えられる。

好ましくは、磁気伝導性材料は強磁性材料である。

本発明の別の有利な実施形態では、固体粒子は、軟磁性材料製の粒子を含む。

例えば、軟磁性材料は、鉄、ニッケル、コバルトおよび／またはそれらの合金である。しかしながら、他の磁気伝導性材料、特に強磁性材料も考えられる。

本発明の別の有利な実施形態では、懸濁液はずり減粘である。

これは、グリーン体を生成するための、好ましくはドクターブレードを用いた、基面への塗布の間、懸濁液はより低い粘性を有し、また、所望の形状がテンプレートを通じて最適に転写され得る、という利点を有する。塗布が終了すると、グリーン体は所望の形状を保持する。

本発明は更に、上述の方法で製造されている材料層に関しており、この材料層は、０．５～５００μｍ、特に１０～１００μｍの層厚を有し、材料層は、軟磁性材料を有し、材料層は、層の少なくとも１つの層面に絶縁材料を有する。

本発明の別の有利な実施形態では、材料層は、両方の層面に絶縁材料を有する。

本発明の別の有利な実施形態では、材料層はラッカー、特にベーキングラッカーを有する。

本発明の別の有利な実施形態では、材料層は、少なくとも１つの別の材料層に固着され得る。

本発明の別の有利な実施形態では、材料層は、基本的に中央に配置された材料切り欠きを有する。

好ましくは、材料切り欠きは、基本的に円形である。材料切り欠きは、シャフトへの接続を可能にする。

また本発明は更に、ダイナモエレクトリック回転機のロータ用の材料層構造を製造するための方法であって、
- 第１の材料層を付加製造する工程を有し、第１の材料層が少なくとも１つの材料層を含んでおり、
- 第１の材料層に絶縁材料を塗布する工程を有し、
- 少なくとも１つの別の材料層を付加製造する工程を有し、少なくとも１つの別の材料層が少なくとも１つの材料シートを含んでおり、
- 少なくとも１つの別の材料層に絶縁材料を塗布する工程を有し、
- 第１の材料層と少なくとも１つの別の材料層を接合する工程を有し、
- 材料層を相互に固着する工程を有する、
方法に関している。

材料層は、少なくとも１つの材料シート、すなわち１層のみの固体粒子を含む。それにより、材料層は格別薄い。しかしながら、安定した材料層を維持するために、上下に２つ以上の材料シートがあることが有利である。

塗布される絶縁材料は、好ましい実施形態では、ラッカー、特にベーキングラッカーである。ベーキングラッカーの塗布は容易であり、ベーキングによって２つ以上の材料層が相互に固着され得る。

絶縁材料、特にベーキングラッカーおよび材料層は、好ましくは、物質接続的に結合されている。

代替的な実施形態では、絶縁材料はセラミックである。

絶縁材料としては更に、水ガラスや他のガラスも考えられる。

他の絶縁材料も可能である。

セラミック絶縁材料の塗布は、セラミック固体粒子および除去可能な結合剤を含むセラミック懸濁液が、ドクターブレードを用いて材料層に塗布される場合、特に良好に成功する。セラミック固体粒子は、特にはセラミック粉末として存在する。

セラミック固体粒子は、酸化マグネシウム、二酸化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素および／または窒化アルミニウムを含むことができる。他の材料も考えられる。

しかしながら、酸化物セラミック、特に酸化ジルコニウムおよび／または酸化アルミニウムが好ましい。

セラミック固体粒子は、好ましくは基本的に、０．１～２μｍの直径を有する。

セラミック固体粒子の直径が小さければ小さいほど、より薄い絶縁された材料層を製造することができる。例えば、０．５μｍの直径を有する固体粒子を有する懸濁液と、１μｍの直径を有するセラミック固体粒子を有する懸濁液とを用いて、片側で絶縁された１．５μｍの薄さの材料層もしくは両側で絶縁された２．５μｍの薄さの材料層を製造することができる。

特に薄い材料層設計の場合、材料層は１μｍの層厚を有する。

セラミック固体粒子は、少なくとも１つの材料シートを形成する。しかしながら、２つ以上の材料シートも可能である。

セラミック粉末は、１つの材料のみのセラミック固体粒子を含んでいてもよい、または、少なくとも２つの異なるセラミック材料を含むセラミック粉末混合物であってもよい。

セラミック固体粒子は、加熱によっておよび／または圧縮を用いて、特に焼結を用いてによって持続的に結合される。セラミック固体粒子は、好ましくは、加熱によっておよび／または圧縮を用いて、特に焼結を用いて、固体粒子と持続的に結合される。持続的結合は、好ましくは、物質接続的な結合である。

本発明の別の有利な実施形態では、０．５～５００μｍの層厚を有する複数の材料層を用いて、材料層構造は製造される。

材料層構造はダイナモエレクトリック回転機のロータに適しており、この場合材料層構造は材料層構造のロータ軸の方向に配置された複数の材料層を有する。

ダイナモエレクトリック回転機のロータは、このような材料層構造を有している。

本発明は更に、このようなロータを有するダイナモエレクトリック回転機に関する。

ダイナモエレクトリック回転機は、上下に配置された複数の材料層を有するロータを含む。材料層は、好ましくは、それぞれ、個別に互いに電気的に絶縁されている。このために配置面は、有利には、磁束の方向に平行に形成されている。

材料層は非常に薄い層厚しか有していないので、渦電流損失は著しく低減される。これは、渦電流が材料層の厚さ内でのみ発生することができるからであり、それにより、材料層が薄い場合には、渦電流の強度が著しく減少されている。

個々の材料層間の絶縁は、渦電流が損失の多い大きな渦電流へと重なり合うことが出来ることを、防止する。

本発明は、好ましくは、ダイナモエレクトリック回転機に使用される。しかし、本発明は、他のエネルギー変換器、例えば変圧器にも適用することができる。

本発明は更に、ダイナモエレクトリック回転機のステータにも適用可能である。この場合、上下に配置された複数の材料層が、好ましくは、従来の積層ステータ積層鉄心に取って代わる。

本発明は、特に航空機、ヘリコプターおよびフォーミュラＥのレーシングカーにおける、低重量で高性能を必要とするエンジンに、格別に良好に適している。

以下において本発明は、図面に示された実施例に基づいてより詳細に説明および解説される。

図１は、０．５～５００μｍの層厚を有する材料層を製造するための本発明による方法を示す。 図２は、材料層を示す。 図３は、材料層を側面図で示す。 図４は、ダイナモエレクトリック回転機のロータ用の材料層構造を製造するための方法を示す。 図５はダイナモエレクトリック回転機のロータを示す。 図６は、ダイナモエレクトリック回転機の側面図を示す。

図１は、０．５～５００μｍの層厚を有する材料層を製造するための本発明による方法を示す。

好ましくは、層厚は、安定した材料層のために、１０～１００μｍである。

工程Ｓ１では、少なくとも１つの結合剤および固体粒子を含む懸濁液が、グリーン体を得るために、テンプレートによって基面に塗布される。ここで塗布とは、好ましくは、懸濁液がドクターブレードを用いて基面上に施されることを意味する。

工程Ｓ２では、結合剤が特に脱バインダ処理によってグリーン体から除去される。

工程Ｓ３では、加熱によっておよび／または圧縮を用いて、特に焼結を用いて、固体粒子の持続的凝集が生成される。

工程Ｓ４では、絶縁材料が一方の層面に塗布される。ここで塗布とは、好ましくは、層面に絶縁材料がドクターブレードを用いて塗布されるか、または層面が塗布工具で塗られるか、または層面が絶縁材料を含む容器に浸漬されることを意味する。

好ましくは、絶縁材料は、ラッカー、特にベーキングラッカーである。

しかしながら、他の絶縁材料も考えられる。例えば、絶縁材料は、少なくとも１つの結合剤およびセラミック固体粒子を含むセラミック懸濁液を用いて層面に塗布され得て、結合剤は、特には脱バインダ処理によって、除去され得る。

さらに、図示されていない工程Ｓ４ａにおいて絶縁材料を塗布しまた図示されていない工程Ｓ４ｂにおいてラッカー、特にベーキングラッカーを追加的に塗布することが可能である。

両方の層面に絶縁材料および／またはラッカーが施される予定の場合（ｂ？とYesで示されている）、これは工程Ｓ４１で実行される。

一方の層面のみに絶縁材料および／またはラッカーが施される予定の場合、ｂ？とNoを用いる方法で、材料層は工程Ｓ５で完成される。

図２は、材料層１を示す。

材料層１は、層厚ｄを有する。材料層は、好ましくは一体である。

好ましくは、各材料層１は、少なくとも一方の層面に絶縁材料を有している。図は、各材料層１が両方の層面に絶縁材料を有する実施を示している。絶縁材料は、図ではラッカー、特にベーキングラッカーである。これは、好ましい実施に対応する。

好ましくは、絶縁材料および材料層は、物質接続的に結合されている。

材料層１は、上側の層面に絶縁厚さｄ２のラッカー２を有し、下側の層面に絶縁厚さｄ３のラッカー３を有する。

材料層１が異なる種類の絶縁材料とさらにはラッカーを有することも、可能である。材料層１が一方の層面に異なる種類の絶縁材料を有し、他方の層面にラッカーを有することも、可能である。また材料層１が異なる種類の絶縁材料とラッカーとの混合形態を有することも可能である。

この図は更に、（後にシャフトに接続するための（図５参照））中央に配置された材料切り欠き５を示している。

回転軸Ｒは、材料切り欠き５の中心点を通る。

説明された符号は各実施例において存在している限り他の図面に対しても有効であり、簡略化の理由から改めて説明されはしない。

図３は、材料層１を側面図で示す。

この図は、１層のみの固体粒子が材料層１を形成するので、材料層１の最も薄い実施を示している。固体粒子は、図では粒状材料である。言い換えれば、固体粒子は、互いに隣接し、好ましくは図１に記載された焼結によって互いに結合されている小さな球体である。

層厚ｄは、図中では固体粒子の直径に相当する。

同様に、図は、１層のみの絶縁材料２を上側の層面に示し、１層のみの絶縁材料２を下側の層面に示している。絶縁厚さｄ２および絶縁厚さｄ３は、図では、セラミック固体粒子またはラッカー固体粒子の直径に相応する。

しかしながら、２つ以上の固体粒子が互いに重ね合わさって材料層１を形成することもできる。また２つ以上のセラミック固体粒子が互いに重ね合わさって絶縁部を形成することも可能である。また２つ以上のラッカー固体粒子が互いに重ね合わさって絶縁部を形成することも可能である。

図４は、ダイナモエレクトリック回転機のロータ用の材料層構造を製造するための方法を示す。

工程Ｓ１０では、第１の材料層が付加製造され、第１の材料層は少なくとも１つの材料シートを含む。

工程Ｓ１１では、第１の材料層への絶縁材料の塗布が続く。絶縁材料は、ここでは好ましくはラッカー、特にはベーキングラッカーである。しかしながら、絶縁材料は、セラミック又は他の物質であってもよい。

工程Ｓ１２では、少なくとも１つの別の材料層が付加製造され、この少なくとも１つの別の材料層は、少なくとも１つの材料シートを含む。

工程Ｓ１３では、この少なくとも１つの別の材料層への絶縁材料の塗布が続く。

工程Ｓ１４では、第１の材料層と少なくとも１つの別の材料層とが互いに接合される。

工程Ｓ１５では、材料層が相互に固着される。工程Ｓ１１またはＳ１３で材料層にベーキングラッカーが塗布された場合は、材料層はベーキングによって互いに固着される。

ここで、ベーキングとは、材料層が、好ましくは、圧力及び熱を用いて互いに接着されることを意味する。ベーキングラッカーは、圧力および熱によって軟化し、材料層を互いに接着して硬化する。これは溶接、打抜き及びリベット締めのような他の接続方法と比較して、材料層が材料を損傷させる接触部分を有しないという利点を有する。さらに、磁束は乱されず、材料応力または材料変形は生じない。

図示された方法は、ダイナモエレクトリック回転機のステータに対しても適している。

図５は、ダイナモエレクトリック回転機のロータ１１を示す。

ロータ１１は材料層構造９を有する。材料層構造は、図中では、回転軸に沿って上下に配置された複数の材料層１を含む。材料層構造９はシャフト７に接続されている。

材料層１は、図中では、少なくとも１つの別の材料層に固着されている。図は、互いに固着された複数の材料層１を示す。

固着は、ベーキングラッカーが簡単な方法で塗布され得るので、ベーキングラッカーによって格別に良好に行われる。材料層１のとりわけ続いて行われるベーキングは、安定した堅牢な接続を作り出す。

図６は、ダイナモエレクトリック回転機１５の側面図を示す。

機械１５は、シャフト７と材料層構造９とを含むロータ１１を有する。ロータ１１は、ステータ１２内で回転軸Ｒに従って回転することができる。

１ 材料層
２ 絶縁材料
３ 絶縁材料
５ 材料切り欠き
７ シャフト
９ 材料層構造
１１ ロータ
１２ ステータ
１５ ダイナモエレクトリック回転機

Claims (11)

1. ０．５～５００μｍの間の層厚（ｄ）を有する材料層（１）を製造するための方法であって、
   所定の形状のグリーン体を得るために、少なくとも１つの結合剤および固体粒子を含む懸濁液を、テンプレートを通じて基面上に塗布する工程、
   前記グリーン体から前記結合剤を除去する工程、
   加熱によっておよび／または圧縮を用いて、前記固体粒子の持続的凝集を作り出す工程、
   を有し、
   前記グリーン体は、互いに隣接する前記固体粒子の１つの層のみから構成され、
   前記材料層（１）は、前記グリーン体における前記固体粒子が互いに結合された１つのシートのみから形成されている、方法。
2. 前記結合剤を脱バインダ処理によって前記グリーン体から除去する、請求項１に記載の方法。
3. 焼結によって前記固体粒子の持続的凝集を作り出す、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記固体粒子は、電気伝導性および磁気伝導性の少なくとも一方を備える材料からなる粒子、を含む、請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記固体粒子が軟磁性材料の粒子を含む、請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記懸濁液がずり粘性である、請求項１から５の何れか１項に記載の方法。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の方法で形成された前記材料層（１）の少なくとも一方の表面上へ絶縁材料（２、３）を塗布すること、を含む、積層構造体の製造方法。
8. 前記材料層（１）の両方の表面上へ前記絶縁材料（２、３）を塗布する、請求項７に記載の方法。
9. 前記絶縁材料（２、３）は、ラッカーを含む、請求項７または８に記載の方法。
10. ダイナモエレクトリック回転機（１５）のロータ（１１）用の材料層構造（９）を製造するための方法であって、
    第１の材料層（１）を付加製造する工程、ここで前記第１の材料層（１）は少なくとも１つの材料シートを含む、
    前記第１の材料層（１）上へ絶縁材料（２、３）を塗布する工程、
    少なくとも１つの第２の材料層（１）を付加製造する工程、ここで前記第２の材料層（１）は少なくとも１つの材料シートを含む、
    前記第２の材料層（１）上へ絶縁材料（２、３）を塗布する工程、
    前記絶縁材料を塗布された前記第１および第２の材料層（１）を接合する工程、および
    接合された前記第１および第２の材料層（１）を相互に固着する工程、
    を含み、
    前記付加製造は、前記第１および第２の材料層（１）に含まれる前記材料シートのそれぞれを、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法で製造することを含む、
    方法。
11. ０．５～５００μｍの層厚（ｄ）を有する複数の前記材料層（１）を用いて前記材料層構造（９）を製造する、請求項１０に記載の方法。

Images