WO2006120093A1 - Verfahren zur herstellung eines magnetisch wirksamen elements einer elektrischen maschine und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines magnetisch wirksamen elements einer elektrischen maschine und vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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temperature
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Falko Winter
Klaus Hrastnik
Marion Herwerth
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
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    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/022—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with salient poles or claw-shaped poles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a magnetically active element of an electrical machine and to an apparatus for carrying out the method according to the preambles of the independent claims.
  • Claw poles or rotor wheels of generators can be produced in a cold forming process.
  • the occurring in the forming stresses in the formed components are degraded in a subsequent heat treatment in which the components are annealed again.
  • the recrystallization occurring during the temperature treatment serves primarily to improve the magnetic properties of the material and thus to increase the performance of the generator.
  • the mechanical properties of the components are also influenced during the temperature treatment.
  • the claw poles are usually annealed at 600 ° C.-700 ° C. in gas-heated or current-heated continuous furnaces.
  • the temperature treatment is difficult to monitor; In addition, there is a considerable energy and space requirements in the furnaces. They are therefore difficult to integrate into a manufacturing process.
  • the element is heated immediately without having to create and maintain a zone of elevated temperature outside the element, as is the case with a current-heated or gas-fired continuous annealing furnace.
  • the annealing process can be more dynamic than with a conventional slow-moving annealing furnace.
  • the annealing in the induction furnace can be monitored by observation of the furnace parameters and can be reproduced with good accuracy.
  • the element can be subjected to inhomogeneous electromagnetic induction and a targeted inhomogeneous temperature distribution can be generated in the element. Due to the shape of the inductor, some areas of each element can be annealed more and others less. An optimum can be achieved if the inhomogeneous temperature distribution is adjusted in such a way that magnetically soft regions are formed separately from mechanically hard regions in the element.
  • each individual element By handling the element or elements in an orderly manner and applying electromagnetic induction, each individual element can be closely monitored.
  • the element or elements are preferably sorted and processed during the temperature treatment, which facilitates a production process, in particular in mass production with large quantities.
  • the temperature treatment is carried out at a holding temperature between 600 ° C and 850 °, preferably between 650 ° C and 800 ° C. Conveniently, it is annealed under a protective gas atmosphere.
  • a heating time is favorably set between 5 s and 35 s, preferably between 10 s and 30 s. It is also advantageous to keep the element or elements at a predetermined temperature for 5 seconds to 35 seconds, preferably for 10 seconds to 30 seconds.
  • the heating time and / or the holding time at a certain temperature can be set individually and easily monitored.
  • an appropriate temperature for example from 500 ° C., preferably from 400 ° C.
  • an oxidizing atmosphere for example air, can be set.
  • the elements then overlap with one another - A -
  • the element or elements are exposed to different electromagnetic field distributions, e.g. different inductors follow each other and while an element is passed through the inductors oer the power of the inductors varies.
  • the size of the generators belonging to the inductor can be suitably adapted.
  • a device for carrying out a method for producing a magnetically active element of an electrical machine, in particular a claw pole, is proposed, wherein the element is subjected to a temperature treatment after a forming process, in which an inductor furnace is provided with at least one inductor to the element or to apply a plurality of elements with an electromagnetic induction voltage.
  • An induction furnace can be easily switched off and quickly restarted. Process parameters can be easily reproduced so that successive batches of ele- ments can be exposed to defined parameters.
  • An induction furnace has a smaller footprint than a fired or stream-heated continuous annealing furnace and can be used more flexibly than this in a manufacturing process.
  • the inductor furnace has a pass-through inductor. Elements can be pushed through the pass inductor during the desired annealing time for temperature treatment. The handling is very easy.
  • the shape of the inductor may also be adapted to the desired energy input, e.g. for the heating phase, where a lot of energy is needed and for the holding time, in which less energy is needed.
  • a single inductor can be provided in each case for individual elements. It is also possible for one or more elements, e.g. two to ten pieces, each to provide an inductor.
  • the inductor can be specially adapted to the shape of the element. This makes it possible, in the mechanically important, in particular mechanically loaded areas, the elements, in particular claw poles, form hard, while in the magnetically important for the magnetic function of the elements areas sufficiently recrystallize the elements and magnetically soft form.
  • a size of the generators belonging to the inductor can be suitably adapted.
  • the inductor requires less energy than it does for heating.
  • a smaller inductor is cheap and has lower power consumption than a larger inductor.
  • Preference is given to a claw pole machine having at least one claw pole, wherein the claw pole is produced according to at least one of the described method steps.
  • Fig. 1 shows a preferred device with a continuous inductor
  • FIGS. 2 a, b show a preferred device with a single inductor (b) and with an inductor assembly (a).
  • FIG. 1 illustrates a preferred apparatus for carrying out the method proposed according to the invention for producing a magnetically active element 10 of an electrical machine, in particular a claw pole.
  • a plurality of designed as a claw poles for a claw-pole machine elements 10 are pushed in a transport direction 16 on a conveyor belt 1 1 through an inductor designed as a continuous inductor 12 and leave the continuous inductor 12 in a recrystallized state.
  • the elements 10 are, as soon as they reach the electromagnetic field of the continuous inductor 12, heated to their annealing temperature within a few seconds, preferably 10 s to 30 s. Then follows a temperature treatment at a holding temperature between 600 ° C and 850 °, preferably between 650 ° C and 800 ° C.
  • the pass-through inductor 12 has a corresponding length such that the elements 10 are heated and annealed at substantially constant velocity as they pass through the aforementioned times and leave the pass inductor 12 sufficiently cooled, eg at a temperature of 400 ° C.
  • the heating time and / or the holding time at a certain temperature can be set individually and easily monitored.
  • the shape of the continuous inductor 12 may be designed to match the electromagnetic field strengths required during heating or annealing. Likewise, two or more inductors may be arranged consecutively and traversed by the elements 10 during thermal treatment.
  • FIGS. 2 a and 2 b show preferred configurations in which an inductor 14 or 15 can be designed so that the element 10 is subjected to inhomogeneous electromagnetic induction and a targeted inhomogeneous temperature distribution in the element 10 can be generated.
  • the inhomogeneous temperature distribution set so that magnetically soft regions are formed separately from mechanically hard areas in the element 10.
  • inductor assembly 13 which is constructed from individual inductors 14, with individual elements 10 being arranged between the inductors 14 (FIG. 2 a).
  • a single inductor 15 may be provided for each individual element 10 (FIG. 2b).
  • the shape of the inductor 15 or the arrangement of the individual inductors 14 of the inductor assembly 13 can be matched exactly to the shape of each element 10, so that a targeted inhomogeneous temperature distribution in the elements 10 can be caused.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements (10) einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol, wobei das Element (10) nach einem Umformprozess einer anschließenden Temperaturbehandlung unterzogen wird. Es wird vorgeschlagen, dass die Temperaturbehandlung durch elektromagnetische Induktion erfolgt. Es wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Verfahren zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements einer elektrischen Maschine und Vorrichtung zur Durch- führung des Verfahrens
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements einer elektrischen Maschine und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Klauenpole bzw. Polräder von Generatoren können in einem Kaltum- formprozess hergestellt werden. Die bei der Umformung auftretenden Spannungen in den umgeformten Komponenten werden bei einer anschließenden Temperaturbehandlung, bei der die Komponenten geglüht werden, wieder abgebaut. Die bei der Temperaturbehandlung eintretende Rekristallisation dient in erster Linie der Ver- besserung der magnetischen Eigenschaften des Materials und somit zur Leistungssteigerung des Generators. Neben den magnetischen Eigenschaften werden auch die mechanischen Eigenschaften der Komponenten bei der Temperaturbehandlung beeinflusst. Die Klauenpole werden üblicherweise bei 600°C-700°C in gasbeheizten oder strombeheizten Durchlauföfen geglüht. Die Temperaturbehandlung lässt sich schwer überwachen; zudem besteht bei den Durchlauföfen ein erheblicher Energie- und Platzbedarf. Sie lassen sich daher schwer in einen Fertigungsprozess integrieren.
Vorteile der Erfindung
Es wird vorgeschlagen, bei der Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol, wobei das Element nach einem Umformprozess einer anschließenden Temperaturbehandlung unterzogen wird, die Temperaturbehandlung durch elektromagnetische Induktion zu bewerkstelligen. Durch die Wirbelströme im Bauteil aufgrund des induzierten elektromagnetischen Feldes wird das elektrisch leitfähige Element aufgeheizt. Induktoröfen verursachen durch hohen elektrischen Strom und hohe Frequenzen in einem speziell geformten Leiter (Induktor) einen Wärmeeintrag in elektrisch leitenden Stoffen, die dem elektromagnetischen Feld des Induktors ausgesetzt sind. Die Glühung des Elements oder auch einer Mehrzahl von Elementen kann unmittelbar an eine Taktzeit der Fertigung, bei Klauenpolen an die Taktzeit der Klauenpolfertigung, angepasst werden. Das Element wird unmittelbar erhitzt, ohne dass eine Zone mit erhöhter Temperatur außerhalb des Elements geschaffen und aufrechterhalten werden muss, wie dies ein einem strombeheizten oder gasbefeuerten Durch- laufglühofen der Fall ist. Die Glühung kann dynamischer ablaufen als bei einem konventionellen, trägen Durchlaufglühofen. Die Glühung im Induktorofen ist durch Beobachtung der Ofenparameter überwachbar und mit guter Genauigkeit reproduzierbar. Das Element kann inhomogen mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt und eine gezielte inhomogene Temperaturverteilung im Element erzeugt werden. Durch die Form des Induktors können manche Bereiche jedes Elements mehr und andere weniger geglüht werden. Es ist ein Optimum erzielbar, wenn die inhomogene Tempe- raturverteilung so eingestellt wird, dass magnetisch weiche Bereiche separat von mechanisch harten Bereichen im Element ausgebildet werden.
Dadurch, dass das Element oder die Elemente geordnet gehandhabt und mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt werden, kann jedes einzelne Element genau überwacht werden.
Bevorzugt werden das Element oder die Elemente bei der Tempera- turbehandlung sortiert gehandhabt und weiterverarbeitet, was einen Fertigungsprozess, insbesondere bei einer Serienfertigung mit großen Stückzahlen, erleichtert.
In einer günstigen Ausgestaltung erfolgt die Temperaturbehandlung bei einer Haltetemperatur zwischen 600°C und 850°, bevorzugt zwischen 650°C und 800°C. Zweckmäßigerweise wird unter Schutzgasatmosphäre geglüht. Eine Aufheizzeit wird günstigerweise zwischen 5 s und 35 s eingestellt, bevorzugt zwischen 10 s und 30 s. Weiterhin ist günstig, das Element oder die Elemente während 5 s bis 35 s bei einer vorgegebenen Temperatur zu halten, bevorzugt während 10 s bis 30 s. Die Aufheizzeit und/oder die Haltezeit bei einer bestimmten Temperatur können individuell eingestellt und leicht überwacht werden. Beim Abkühlen kann ab einer geeigneten Temperatur, z.B. ab 500°C, bevorzugt ab 400°C, eine oxidierende Atmosphäre, z.B. Luft, eingestellt werden. Die Elemente überziehen sich dann mit einer - A -
leichten, gleichmäßigen Oxidschicht, die als Korrosionsschutz dienen kann. Aufheizzeit und/oder Haltedauer bei einer vorgegebenen elektrischen Leistung des Induktors, bzw. entsprechend einer gegebenen Temperatur, können abhängig von Bauteilgeometrie des oder der Elemente und/oder der Größe und/oder der Form und/oder der Applikation des oder der Elemente leicht und unkompliziert eingestellt werden.
In einer günstigen Weiterbildung wird während der Temperaturbe- handlung das Element oder werden die Elemente unterschiedlichen elektromagnetischen Feldverteilungen ausgesetzt, indem z.B. verschiedene Induktoren aufeinander folgen und während ein Element durch die Induktoren geführt wird oer die Leistung der Induktoren variiert. Durch die Übergabe des Elements oder der Elemente z.B. während der Glühung von einem Induktor zum nächsten kann die Größe der zum Induktor gehörenden Generatoren geeignet ange- passt werden.
Es wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol, vorgeschlagen, wobei das Element nach einem Umformprozess einer Temperaturbehandlung unterzogen wird, bei der ein Induktorofen mit wenigstens einem Induktor vorgesehen ist, um das Element oder eine Mehrzahl von Elementen mit einer elektromagnetischen Induktionsspannung zu beaufschlagen. Ein Induktorofen kann leicht abgeschaltet und schnell wieder hochgefahren werden. Prozessparameter lassen sich leicht reproduzieren, so dass aufeinander folgende Chargen von E- lementen definierten Parametern ausgesetzt werden können. Ein Induktorofen hat einen geringeren Platzbedarf als ein befeuerter oder strombeheizter Durchlaufglühofen und kann flexibler als dieser in einem Fertigungsprozess eingesetzt werden.
In einer günstigen Ausgestaltung weist der Induktorofen einen Durch- laufinduktor auf. Elemente können zur Temperaturbehandlung während der gewünschten Glühzeit durch den Durchlaufinduktor durchgeschoben werden. Die Handhabung ist besonders einfach. Die Form des Induktors kann auch an die gewünschte Energieeinbringung angepasst sein, z.B. für die Aufheizphase, in der viel Energie benötigt wird und für die Haltezeit, in der weniger Energie benötigt wird.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung kann für einzelne Elemente jeweils ein einzelner Induktor vorgesehen sein. Es ist auch mög- lieh, für ein oder mehrere Elemente, z.B. zwei bis zehn Stück, jeweils eine Induktorbaugruppe vorzusehen. Hie kann der Induktor ganz speziell an die Form des Elements angepasst sein. Hierdurch ist es möglich, in den mechanisch wichtigen, insbesondere mechanisch belasteten Bereichen die Elemente, insbesondere Klauenpole, hart auszubilden, während in den für die magnetische Funktion des Elements magnetisch wichtigen Bereichen die Elemente ausreichend zu rekristallisieren und magnetisch weich auszubilden.
Durch eine Übergabe des Elements oder der Elemente z.B. während der Glühung von einem Induktor zum nächsten kann eine Größe der zum Induktor gehörenden Generatoren geeignet angepasst werden. Zum Halten der Temperatur benötigt der Induktor weniger Energie als zum Aufheizen. Ein kleinerer Induktor ist günstig und hat einen geringeren Stromverbrauch als ein größerer Induktor. Bevorzugt ist eine Klauenpolmaschine mit wenigstens einem Klauenpol, wobei der Klauenpol gemäß wenigstens einem der beschriebenen Verfahrensschritte hergestellt ist.
Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in Ansprüchen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus nachfolgend anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Im Folgenden zeigen:
Fig. 1 eine bevorzugte Vorrichtung mit einem Durchlaufinduktor; und
Fig. 2 a, b eine bevorzugte Vorrichtung mit einem Einzelinduktor (b) und mit einer Induktorbaugruppe (a).
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig. 1 illustriert eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements 10 einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol. Eine Mehrzahl von als Klauenpole für eine Klauenpolmaschine ausgebildeten Elementen 10 werden in einer Transportrichtung 16 auf einem Transportband 1 1 durch einen als Durchlaufinduktor 12 ausgebildeten Induktorofen geschoben und verlassen den Durchlaufinduktor 12 in rekristallisiertem Zustand. Die Elemente 10 werden, sobald sie in das elektromagnetische Feld des Durchlaufinduktors 12 gelangen, innerhalb weniger Sekunden, bevorzugt 10 s bis 30 s, auf ihre Glühtemperatur aufgeheizt. Dann folgt eine Temperaturbehandlung bei einer Haltetemperatur zwischen 600°C und 850°, bevorzugt zwischen 650°C und 800°C. Zweckmäßigerweise wird unter Schutzgasatmosphäre geglüht. Eine typische Haltezeit bevorzugt zwischen 10 s und 30 s. Beim Abkühlen kann ab einer geeigneten Temperatur, z.B. ab 500°C, bevorzugt ab 400°C, eine oxidierende Atmosphäre, z.B. Luft, eingestellt werden. Der Durchlaufinduktor 12 weist eine entsprechende Länge auf, so dass die Elemente 10 mit im Wesentlichen gleich bleibender Geschwindigkeit beim Durchlaufen in den vorher genannten Zeiten erhitzt und geglüht werden und den Durchlaufinduktor 12 ausreichend abgekühlt, z.B. mit einer Temperatur von 400°C, verlassen.
Die Aufheizzeit und/oder die Haltezeit bei einer bestimmten Temperatur können individuell eingestellt und leicht überwacht werden.
Die Form des Durchlaufinduktors 12 kann passend zu den beim Auf- heizen bzw. beim Glühen notwendigen elektromagnetischen Feldstärken ausgebildet sein. Ebenso können zwei oder mehrere Induktoren aufeinander folgend angeordnet sein und von den Elementen 10 während er Temperaturbehandlung durchlaufen werden.
Fig. 2a und 2b zeigen bevorzugte Ausgestaltungen, bei denen jeweils ein Induktor 14 oder 15 so gestaltet sein kann, dass das Element 10 inhomogen mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt und eine gezielte inhomogene Temperaturverteilung im Element 10 erzeugt werden kann. Dabei wird die inhomogene Temperaturvertei- lung so eingestellt, dass magnetisch weiche Bereiche separat von mechanisch harten Bereichen im Element 10 ausgebildet werden.
Dies kann mittels einer Induktorbaugruppe 13 erfolgen, die aus ein- zelnen Induktoren 14 aufgebaut ist, wobei einzelne Elemente 10 zwischen den Induktoren 14 angeordnet sind (Fig. 2a). Alternativ kann für jedes einzelne Element 10 ein Einzelinduktor 15 vorgesehen sein (Fig. 2b). Die Form des Induktors 15 bzw. die Anordnung der einzelnen Induktoren 14 der Induktorbaugruppe 13 kann genau auf die Form jedes Elements 10 abgestimmt sein, so dass gezielt eine inhomogene Temperaturverteilung in dem Elementen 10 hervorgerufen werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements (10) einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Klauenpol, wobei das Element (10) nach einem Umformprozess einer anschließenden Temperaturbehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung durch elektromagnetische Induktion erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) inhomogen mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt und eine gezielte inhomogene Temperaturverteilung im Element (10) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Temperaturverteilung so eingestellt wird, dass magnetisch weiche Bereiche separat von mechanisch harten Bereichen im Element (10) ausgebildet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Elementen (10) in geordneter Lage mit elektromagnetischer Induktion beaufschlagt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) oder die EIe- mente (10) bei der Temperaturbehandlung sortiert gehandhabt und weiterverarbeitet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung bei einer Haltetemperatur zwischen 600°C und 850°C erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufheizzeit zwischen 5 s und 35 s eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) oder die Elemente (10) während 5 s bis 35 s bei einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird oder werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) oder die Elemente (10) beim Abkühlen ab etwa 400°C einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt wird oder werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Temperaturbehandlung das Element (10) oder die Elemente (10) unterschiedlichen elektromagnetischen Feldverteilungen ausgesetzt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines magnetisch wirksamen Elements (10) einer elektrischen
Maschine, insbesondere einem Klauenpol, wobei das Element
(10) nach einem Umformprozess einer Temperaturbehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktor- ofen mit wenigstens einem Induktor (12, 14, 15) vorgesehen ist, um das Element (10) oder eine Mehrzahl von Elementen (10) mit einer elektromagnetischen Induktionsspannung zu beaufschlagen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktorofen einen Durchlaufinduktor (12) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekenn- zeichnet, dass für einzelne Element (10) jeweils ein einzelner
Induktor (15) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für ein oder mehrere Elemente (10) je- weils eine Induktorbaugruppe (14) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor an die Form des Elements (10) angepasst ist.
16. Klauenpolmaschine mit wenigstens einem Klauenpol, dadurch gekennzeichnet, dass der Klauenpol gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -9 hergestellt ist.
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