WO2013091952A2 - Verfahren zum herstellen eines maschinenelements sowie maschinenelement für eine elektrische maschine - Google Patents

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    • H02K2201/15—Sectional machines

Definitions

  • the present invention relates to machine elements for electrical machines, in particular machine elements for guiding a magnetic field for a stator or a rotor of the electric machine.
  • the invention further relates to methods for producing such machine elements.
  • machine elements for conducting magnetic fields from soft magnetic composite (SMC) powder materials, such as Somaloy 700, for example, “Somaloy Technology", Somaloy Brochure, December 2010, Höganäs AB, Sweden, www .hoganas.com, are known.
  • SMC soft magnetic composite
  • SMC materials are composed of surface-isolated iron particles that are unevenly shaped but have an approximately spherical structure of the same size.
  • the powder materials have particles of iron compounds having a size suitable for pressing and forming machine elements.
  • the particles may have dimensions of about 0.1 mm and be compressed in a single step with pressures of about 800 MPa to obtain magnetic machine elements having complex shapes and close tolerances.
  • the pressed SMC machine elements are then heated at temperatures of about 500 ° C for about 30 minutes to obtain the machine element.
  • a disadvantage of the powder material used is that it can only obtain machine elements with isotropic magnetic properties in all spatial directions.
  • the magnetic field corresponds to a radial field type in which the magnetic flux lines are substantially one-dimensional and extend in certain small areas of the magnetic circuit in two spatial directions.
  • a method for producing a machine element in particular for a stator or a rotor of an electric machine, is provided.
  • the method comprises the following steps:
  • An idea of the above method for manufacturing a machine element is to expose a powder material with elongated magnetic particles during or before pressing a magnetic field having substantially the same field line direction inside the machine element to be formed as the field line direction of a magnetic field, the machine element in later use is exposed in an electrical machine. This aligns the elongated powder particles along the magnetic field lines. After application or during the application of the magnetic field, the powder material is pressed to obtain the solid machine element. The previously oriented magnetic particles maintain their alignment. Due to the corresponding orientation of the magnetic powder particles, there are fewer interfaces between adjacent powder particles in the material of the machine element thus produced in the direction of alignment of the magnetic powder particles than in a transverse direction. As a result, the magnetic conductivity is significantly increased in the direction of alignment of the magnetic powder particles with respect to transverse directions.
  • the densification of the powder material may be performed during the applied magnetic field.
  • the compacting of the powder material may be performed after the magnetic field has been applied.
  • the elongated magnetic powder particles may have a length to width ratio between 2 and 5.
  • the proportion of the elongated magnetic powder particles in the powder material may be at least 50%, in particular at least 80%.
  • a machine element in particular for a stator or a rotor of an electrical machine, wherein the machine element is made of a magnetic powder material with elongated magnetic powder particles by
  • the magnetic powder material is provided with elongated magnetic powder particles in a mold
  • a machine element in particular for a stator or a rotor of an electric machine, wherein the machine element has at least one region in which elongated magnetic powder particles are arranged adjacent to one another, their longitudinal axes being aligned parallel to one another.
  • One idea of the above machine element is to build it up with a powdery material having elongated magnetic particles.
  • the particles are aligned by magnetic field lines at or before compression along the preferential direction, so that along the field lines improved magnetic permeability, i. H. magnetic conductivity, is present, while the magnetic conductivity is relatively lower in transverse directions.
  • By providing elongated particles it is possible to achieve a significant improvement of the magnetic conductivity in a field line direction at low particle volume.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of the inner
  • FIG. 2 shows a representation of the internal structure of an anisotropically constructed SMC material, which is produced according to a method. according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a detail of a machine element of an electrical machine with indicated flux lines of the magnetic field
  • Figs. 4a to 4d are diagrams showing the directions of magnetic field lines in the areas A, B, C, D marked in Fig. 3;
  • FIG. 5 shows a further illustration of the machine element of FIG. 3 with powder particles of the SMC material shown enlarged;
  • FIG. 6 shows a magnetizing arrangement for applying a magnetic field through the machine element of FIG. 3 to be manufactured in order to align the elongate powder particles.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view through a section of a machine element 1, which has been produced with an SMC material.
  • the SMC material consists essentially of powder particles 2 of the same size of a magnetic material, such as. As iron whose surface is insulated by an insulating layer 3.
  • the powder particles 2 have a diameter of approximately 0, 1 mm and are approximately cubic or spherical with an irregularly shaped surface.
  • FIG. 1 shows an exemplary arrangement of the powder particles 2 after the heating process. It recognizes the powder particles 2 of the same size, which abut each other, so that the area of the spaces between the particles 2 is minimized as possible. Due to the same size of the powder particles 2 of the SMC material, the magnetic properties of a machine element 1 produced in this way are the same in all spatial directions, ie the material of the machine element behaves isotropically with respect to its magnetic properties.
  • the magnetic conductivity in the direction of the magnetic field lines F is determined by the number of boundary surfaces 4 between in each case two powder particles 2 along the field lines F.
  • an enlargement of all dimensions of the particles 2 into consideration leads to correspondingly larger spaces between the individual powder particles 2, since the powder material can not be completely compressed, ie without the existence of intermediate spaces.
  • larger interspaces have a negative effect on the magnetic conductivity and therefore do not lead to a desired improvement in the magnetic conductivity or even to its reduction.
  • FIG. 2 shows powder particles 12 whose longitudinal axes are parallel to one another, corresponding to the direction of the indicated magnetic field lines F.
  • the length l p of the powder particles 12 is significantly increased compared to conventional powder particles of SMC material.
  • the ratio of the length l p of the powder particles 12 to the width w p of the powder particles 12 is between 2 and 5.
  • the thickness of the powder particles 12, ie in the z-direction in FIG. 2, corresponds approximately to the width w p .
  • the isolated powder particles 12 may have a size I xwxt of about 0.2 to 0.5 mm x 0, 1 mm x 0, 1 mm.
  • the advantage of the material composed of the above powder particles 12 is that it can be formed into arbitrarily shaped bodies having anisotropic magnetic properties. Thereby, a higher conductivity in a preferred magnetic direction can be achieved compared to isotropic magnetic properties of conventional machine elements made of a powder material as described in connection with FIG.
  • FIG. 3 the magnetic field in stator segments with a T-shaped stator tooth and with a magnetic return region for an electrical machine as an example of a machine element 10 of FIG. 2 is shown in more detail on the basis of field lines.
  • the lines shown inside the machine element 10 represent the field lines of the magnetic field.
  • FIGS. 4a to 4d show, with the aid of closed circulation curves, the directions of magnetic field lines F in the regions A marked in FIG.
  • a powder material with elongate powder particles 12, as described in connection with FIG. 2 is provided and introduced into a cavity of a mold 17, which defines the shape of the machine element 10 to be produced.
  • the manufacturing method is explained with reference to an approximately T-shaped machine element 10 as shown in Figure 3.
  • the loose powder particles 12 have a relatively low magnetic conductivity, since they are initially not aligned and thus large interspaces arise between the powder particles 12, which significantly influence the magnetic resistance.
  • the magnetic conductivity is sufficient to form a nearly uniformly aligned magnetic field in the machine element 10, so that the alignment process can be started.
  • the mold 17 is then exposed to a magnetic field corresponding in direction to the magnetic field to which the machine element 10 is exposed during later operation after its completion.
  • a magnetizing arrangement 15 according to FIG. 6 for producing the T-shaped machine element 10 of FIG. 3 can be provided.
  • Magnetizing arrangement 15 of Figure 6 has two magnetic circuits coupled together for guiding two magnetic fields.
  • the magnetic fields are generated by energizing a coil winding 16 surrounding a central leg of the magnetizer assembly 15, which is part of both magnetic circuits.
  • the magnetic circuits are interrupted at a tee to receive a correspondingly shaped die 17 for making the T-shaped machine element 10 of FIG.
  • the mold 17 is placed on the magnetizing assembly 15 or inserted into the interruption of the magnetic circuits, that a magnetic field generated in the magnetizing 15 the magnetic field
  • the mold is placed against the magnetizing arrangement 15 so that the toothed shaft forms an extension of a central leg, in which the magnetic field has the highest field strength in comparison to other areas of the magnetizing arrangement 15.
  • the two opposite ends of a yoke region of the T-shaped machine element 10 abut against two further poles of the magnetizing arrangement 15.
  • the magnetic field lines extend radially along the toothed shaft and share towards the two opposite ends of the yoke portion.
  • a tooth head is formed in the exemplary embodiment in which the magnetic field lines fan out inwardly in accordance with the contour of the tooth head.
  • the machine element 17 is designed, for example, as a stator element or rotor element which can be wound with an electric coil and several such elements can be joined together to form a circular stator or rotor.
  • the mold 17 is exposed to a magnetic field which corresponds in terms of its direction to the magnetic field to which the machine element 10 is exposed during subsequent operation after its completion.
  • the magnetic field lines through the powder material in the correspond correspond
  • Cavity of the mold 17 is substantially the same as those in the electrical machine in which the machine element 10 is used during operation. Pressing the elongated powder particles 12 while the magnetic field is applied to the mold 17 results in a movement of the elongate powder particles 12 and a reorientation of the elongated powder particles 12 in the direction of the magnetic field, wherein the longitudinal axes of the powder particles 12 in the direction of the magnetic field lines F align.
  • a pressure is exerted on the powder particles 12, so that the powder particles 12 move, rotate as they move, and thereby move in accordance with the applied magnetic particle. align the field. This improves the magnetic conductivity of the powder material as its density increases, thereby further increasing the strength and orientation of the magnetic field in the powder material during the pressing process.
  • the mold 17 may be vibrated or otherwise exposed to shock or vibration so as to achieve optimum alignment of as large a proportion of the elongate powder particles 12 as possible.
  • the powder particles 12 are permanently connected to each other to the machine element 10. The previously caused by the magnetic field orientation of the individual powder particles 12 remains.
  • the above manufacturing method and machine elements made by it are not only useful for stator teeth, but can also be used for complete magnetic circuits for any kind of electric machines.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelements (1), insbesondere für einen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines magnetischen Pulvermaterials mit länglichen magnetischen Pulverpartikeln (12) in einer Pressform; - Anlegen eines Magnetfelds, das das bereitgestellte Pulvermaterial durchdringt; - Verdichten des Pulvermaterials in der Pressform (17); und - Verbinden der Pulverpartikel, um das Maschinenelement (1) zu erhalten.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelements sowie
Maschinenelement für eine elektrische Maschine
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Maschinenelemente für elektrische Maschinen, insbesondere Maschinenelemente zur Führung eines Magnetfelds für einen Stator oder einen Läufer der elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung derartiger Maschinenelemente.
Stand der Technik
Neben dem Lamellenaufbau von Maschinenelementen ist ferner bekannt, Maschinenelemente zum Leiten von Magnetfeldern aus Soft Magnetic Composite (SMC) -Pulvermaterialien aufzubauen, wie beispielsweise Somaloy 700, die beispielsweise aus "Somaloy Technology", Somaloy Brochure, Dezember 2010, Höganäs AB, Schweden, www.hoganas.com, bekannt sind.
SMC-Materialien sind aus oberflächenisolierten Eisenpartikeln zusammengesetzt, die ungleichmäßig geformt sind, jedoch eine in etwa kugelförmige Struktur gleicher Größe aufweisen. Die Pulvermaterialien weisen Partikel aus Eisenverbindungen auf, die eine Größe aufweisen, die sich zum Verpressen und Formen von Maschinenelementen eignet. Die Partikel können beispielsweise Dimensionen von etwa 0, 1 mm aufweisen und in einem einzigen Schritt mit Drücken von etwa 800 MPa verpresst werden, um magnetische Maschinenelemente mit komplexen Formen und engen Toleranzen zu erhalten. Die verpressten SMC- Maschinenelemente werden dann bei Temperaturen von etwa 500°C für etwa 30 Minuten erwärmt, um das Maschinenelement zu erhalten. Ein Nachteil des verwendeten Pulvermaterials besteht darin, dass man dadurch nur Maschinenelemente mit isotropen magnetischen Eigenschaften in alle Raumrichtungen erhalten kann. Dies ist zwar für elektrische Maschinen mit dreidimen- sionalen magnetischen Flusseigenschaften, wie beispielsweise Axialfeldmaschinen, Klauenpolmaschinen und Transversal-Fluss-Maschinen, vorteilhaft, bei anderen Arten von elektrischen Maschinen entspricht jedoch das magnetische Feld einem radialen Feldtyp, in dem die magnetischen Flusslinien im Wesentlichen eindimensional und in bestimmten kleinen Bereichen des magnetischen Kreises in zwei Raumrichtungen verlaufen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aus einem Pulvermaterial zum Verpressen hergestelltes Maschinenelement mit verbesserten magnetischen Eigenschaften sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines solchen Maschinenelements zur Verfügung zu stellen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Herstellen eines Maschinenele- ments für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch das Maschinenelement für eine elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab- hängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelements, insbesondere für einen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines magnetischen Pulvermaterials mit länglichen magnetischen
Pulverpartikeln in einer Pressform;
- Anlegen eines Magnetfelds, das das bereitgestellte Pulvermaterial durchdringt;
- Verdichten des Pulvermaterials in der Pressform;
- Verbinden der Pulverpartikel, um das Maschinenelement zu erhalten. Eine Idee des obigen Verfahrens zum Herstellen eines Maschinenelements besteht darin, ein Pulvermaterial mit länglichen magnetischen Partikeln beim oder vor dem Verpressen einem Magnetfeld auszusetzen, das im Inneren des zu formenden Maschinenelements im Wesentlichen die gleiche Feldlinienrichtung aufweist wie die Feldlinienrichtung eines Magnetfelds, dem das Maschinenelement im späteren Einsatz in einer elektrischen Maschine ausgesetzt ist. Dadurch werden die länglichen Pulverpartikel entlang der magnetischen Feldlinien ausgerichtet. Nach dem Anliegen oder während des Anliegens des magnetischen Felds wird das Pulvermaterial verpresst, um das solide Maschinenelement zu erhalten. Die zuvor ausgerichteten magnetischen Partikel behalten dabei ihre Ausrichtung bei. Durch die entsprechende Ausrichtung der magnetischen Pulverpartikel liegen in dem Material des so hergestellten Maschinenelements in Richtung der Ausrichtung der magnetischen Pulverpartikel weniger Grenzflächen zwischen benachbarten Pulverpartikeln vor als in einer Querrichtung. Dadurch ist die magnetische Leitfähigkeit in Richtung der Ausrichtung der magnetischen Pulverpartikel gegenüber Querrichtungen deutlich erhöht.
Weiterhin kann das Verdichten des Pulvermaterials während des angelegten Magnetfelds durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verdichten des Pulvermaterials durchgeführt werden, nachdem das Magnetfeld angelegt worden ist.
Es kann vorgesehen sein, dass während des Anlegens des Magnetfelds die Pressform und/oder das Pulvermaterial einem oder mehreren Stößen und/oder
Vibrationen ausgesetzt wird.
Weiterhin können die länglichen magnetischen Pulverpartikel ein Längen- zu Breitenverhältnis zwischen 2 und 5 aufweisen.
Insbesondere kann der Anteil der länglichen magnetischen Pulverpartikel in dem Pulvermaterial mindestens 50%, insbesondere mindestens 80%, betragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Maschinenelement, insbesondere für ei- nen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, vorgesehen, wobei das Maschinenelement aus einem magnetischen Pulvermaterial mit länglichen magnetischen Pulverpartikeln hergestellt wird, indem
- das magnetische Pulvermaterial mit länglichen magnetischen Pulverpartikeln in einer Pressform bereitgestellt wird;
- ein Magnetfeld angelegt wird, das das bereitgestellte Pulvermaterial durchdringt;
- das Pulvermaterial in der Pressform verdichtet wird;
- die Pulverpartikel verbunden werden, um das Maschinenelement zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Maschinenelement, insbesondere für einen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, vorgesehen, wobei das Maschinenelement mindestens einen Bereich aufweist, in dem längliche magnetische Pulverpartikel aneinander anliegend angeordnet sind, wobei deren Längsachsen zueinander parallel ausgerichtet sind.
Eine Idee des obigen Maschinenelements besteht darin, dieses mit einem Pulvermaterial mit länglichen magnetischen Partikeln aufzubauen. Die Partikel werden beim oder vor dem Verpressen entlang der Vorzugsrichtung von magnetischen Feldlinien ausgerichtet, so dass entlang der Feldlinien eine verbesserte magnetische Permeabilität, d. h. magnetische Leitfähigkeit, vorliegt, während die magnetische Leitfähigkeit in Querrichtungen im Verhältnis geringer ist. Durch das Vorsehen von länglichen Partikeln ist es möglich, bei niedrigem Partikelvolumen eine deutliche Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit in einer Feldlinienrichtung zu erreichen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung der inneren
Struktur eines verpressten SMC-Materials, das gemäß einem herkömmlichen Verfahren hergestellt ist; Figur 2 eine Darstellung der inneren Struktur eines anisotrop aufgebauten SMC-Materials, das nach einem Verfahren ge- mäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
Figur 3 einen Ausschnitt aus einem Maschinenelement einer elektrischen Maschine mit angezeigten Flusslinien des magnetischen Felds;
Figuren 4a bis 4d Diagramme, die die Richtungen von magnetischen Feldlinien in den in Figur 3 markierten Bereichen A, B, C, D darstellen;
Figur 5 eine weitere Darstellung des Maschinenelements der Figur 3 mit vergrößert dargestellten Pulverpartikeln des SMC-Materials;
Figur 6 eine Magnetisieranordnung zum Anlegen eines Magnetfelds durch das herzustellende Maschinenelement der Figur 3, um die länglichen Pulverpartikel auszurichten.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt eines Maschinenelements 1 , das mit einem SMC-Material hergestellt worden ist. Das SMC-Material besteht im Wesentlichen aus Pulverpartikeln 2 gleicher Größe aus einem magnetischen Material, wie z. B. Eisen, deren Oberfläche durch eine Isolationsschicht 3 isoliert ist. Die Pulverpartikel 2 weisen einen Durchmesser von ungefähr 0, 1 mm auf und sind etwa Würfel- oder kugelförmig mit unregelmäßig geformter Oberfläche.
Die Partikel 2 werden in einem Pressvorgang miteinander verpresst, um eine Form des herzustellenden Maschinenelements 1 zu definieren, und anschließend in einem Wärmeprozess ausgehärtet, so dass sich die Pulverpartikel dauerhaft miteinander verbinden. Figur 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung der Pulverpartikel 2 nach dem Wärmeprozess. Man erkennt die Pulverpartikel 2 gleicher Größe, die aneinander anliegen, so dass der Bereich der Zwischenräume zwischen den Partikeln 2 möglichst minimiert ist. Aufgrund der gleichen Größe der Pulverpartikel 2 des SMC- Materials sind die magnetischen Eigenschaften eines so hergestellten Maschinenelements 1 in alle Raumrichtungen gleich, d. h. das Material des Maschinenelements verhält sich isotrop bezüglich seiner magnetischen Eigenschaften. Insbesondere wird jedoch die magnetische Leitfähigkeit in Richtung der magnetischen Feldlinien F durch die Anzahl der Grenzflächen 4 zwischen jeweils zwei Pulverpartikeln 2 entlang der Feldlinien F bestimmt. Um die Anzahl der Grenzflächen 4 zu reduzieren, kommt im Prinzip eine Vergrößerung aller Dimensionen der Partikel 2 in Betracht. Dies führt jedoch zu entsprechend größeren Zwischenräumen zwischen den einzelnen Pulverpartikeln 2, da sich das Pulvermaterial nicht vollständig, d. h. ohne das Bestehen von Zwischenräumen, verdichten lässt. Größere Zwischenräume wirken sich jedoch ne- gativ auf die magnetische Leitfähigkeit aus und führen daher nicht zu einer gewünschten Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit bzw. sogar zu deren Reduzierung.
Es ist daher, wie in Figur 2 dargestellt, vorgesehen, ein Maschinenelement 10 mit länglichen Pulverpartikeln 12 auszubilden. Die Pulverpartikel 12 sind ansonsten, d. h. unabhängig ihrer Größe, mit denen der Figur 1 vergleichbar. Dabei wird gewährleistet, dass vor dem Aushärten der zur Form des Maschinenelements 10 gepressten Pulverpartikel 12 diese entlang einer Soll-Feldlinienrichtung des Magnetfelds ausgerichtet werden. Figur 2 zeigt Pulverpartikel 12, deren Längs- achsen zueinander parallel verlaufen, entsprechend der Richtung der angezeigten magnetischen Feldlinien F.
Die länglichen Pulverpartikel 12, die in Figur 2 dargestellt sind, weisen im Wesentlichen eine Querschnittsfläche quer zu ihrer Längserstreckung auf, die etwa die gleiche Größe wie die der Pulverpartikel 2 der Figur 1 hat, d. h. einen Durchmesser oder eine Breite wp zwischen wp = 0,05 bis 0,3 mm aufweist. Die Länge lp der Pulverpartikel 12 ist jedoch gegenüber herkömmlichen Pulverpartikeln aus SMC-Material deutlich vergrößert. Das Verhältnis der Länge lp der Pulverpartikel 12 zur Breite wp der Pulverpartikel 12 liegt zwischen 2 und 5. Die Dicke der Pulverpartikel 12, d. h. in z-Richtung in Figur 2, entspricht etwa der Breite wp. Das bedeutet, dass die isolierten Pulverpartikel 12 eine Größe I x w x t von etwa 0,2 bis 0,5 mm x 0, 1 mm x 0, 1 mm aufweisen können.
Der Vorteil des aus den obigen Pulverpartikeln 12 zusammengesetzten Materials besteht darin, dass es sich zu beliebig geformten Körpern mit anisotropen magnetischen Eigenschaften formen lässt. Dadurch kann eine höhere Leitfähigkeit in einer magnetischen Vorzugsrichtung erreicht werden im Vergleich zu isotropen magnetischen Eigenschaften von herkömmlichen Maschinenelementen, die aus einem Pulvermaterial, wie es in Verbindung mit Figur 1 beschrieben wurde, her- gestellt sind.
Bei der Anordnung der länglichen Pulverpartikel 12, wie sie in Figur 2 dargestellt sind, ist die Anzahl der Grenzstellen 14, an denen jeweils zwei Pulverpartikel 12 aneinander anstoßen, in Richtung der Längsrichtung der Pulverpartikel 12, d. h. in Richtung der Feldlinien F, deutlich verringert, so dass in dieser Richtung eine verbesserte magnetische Leitfähigkeit erreicht wird.
In Figur 3 ist anhand von Feldlinien das magnetische Feld in Statorsegments mit einem T-förmigen Statorzahn und mit einem magnetischen Rückschlussbereich für eine elektrische Maschine als Beispiel für ein Maschinenelement 10 der Figur 2 ausführlicher dargestellt. Die innerhalb des Maschinenelements 10 gezeigten Linien stellen die Feldlinien des magnetischen Felds dar.
Die Figuren 4a bis 4d zeigen anhand von geschlossenen Umlaufkurven die Rich- tungen von magnetischen Feldlinien F in den in Figur 3 markierten Bereichen A,
B, C, D, die während einer Umdrehung des permanentmagneterregten Läufers angenommen werden. Aufgetragen sind die radialen R und tangentialen T Anteile des magnetischen Flusses in dem Zahnschaft A, dem Zahnschuh B, der Zahnwurzel C und dem magnetischen Rückschlussbereich D, wie in Figur 3 dar- gestellt. Man erkennt, dass ein magnetischer Fluss im Wesentlichen nur eine
Richtung vor allem in dem Zahnschaft A und in dem magnetischen Rückschlussbereich D vorliegt. In den Bereichen der Zahnwurzel C und des Zahnschuhs B treten dagegen magnetische Flüsse in zwei Raumrichtungen, d. h. sowohl in radialer Richtung R als auch in tangentialer Richtung T des mit dem Maschinen- element 10 zu bildenden Stators, auf. In Figur 5 sind für die in Figur 3 dargestellten Bereiche A, B, D die Ausrichtungen der länglichen Pulverpartikel 12 dargestellt, die sich nach dem Magnetisieren des Maschinenelements 10 während der Herstellung ergeben. Zur Veranschaulichung sind die Pulverpartikel 12 vergrößert dargestellt, um ihre Ausrichtung be- züglich der magnetischen Feldlinien F erkennen zu können. Man erkennt, dass die Pulverpartikel 12 entlang der magnetischen Feldlinien ausgerichtet sind.
Wie in Figur 6 dargestellt wird zum Herstellen eines solchen Maschinenelements 10 ein Pulvermaterial mit länglichen Pulverpartikeln 12, wie in Verbindung mit Figur 2 beschrieben, bereitgestellt und in einen Hohlraum einer Pressform 17 eingebracht, der die Formgebung des herzustellenden Maschinenelements 10 definiert. Im vorliegenden Beispiel wird das Herstellungsverfahren anhand eines etwa T-förmigen Maschinenelements 10 wie in Figur 3 gezeigt, erläutert. Nachdem das Pulvermaterial in den Hohlraum der Pressform 17 eingefüllt wurde, liegen die Pulverpartikel 12 in einer losen und nicht verpressten Form vor. Die losen Pulverpartikel 12 haben eine relativ geringe magnetische Leitfähigkeit, da sie zunächst nicht ausgerichtet sind und sich dadurch große Zwischenräume zwischen den Pulverpartikeln 12 ergeben, die den magnetischen Widerstand maß- geblich beeinflussen. Die magnetische Leitfähigkeit ist jedoch ausreichend, um ein nahezu gleichförmig ausgerichtetes magnetisches Feld in dem Maschinenelement 10 auszubilden, so dass der Ausrichtungsprozess gestartet werden kann. Die Pressform 17 wird anschließend einem magnetischen Feld ausgesetzt, das bezüglich seiner Richtung dem magnetischen Feld entspricht, dem das Maschinenelement 10 beim späteren Betrieb nach dessen Fertigstellung ausgesetzt ist.
Beispielsweise kann eine Magnetisieranordnung 15 gemäß Figur 6 zum Herstel- len des T-förmigen Maschinenelements 10 der Figur 3 vorgesehen werden. Die
Magnetisieranordnung 15 der Figur 6 weist zwei miteinander gekoppelte magnetische Kreise zum Führen von zwei Magnetfeldern auf. Die Magnetfelder werden durch Bestromen einer Spulenwicklung 16 erzeugt, die einen mittleren Schenkel der Magnetisieranordnung 15 umgibt, der Teil beider magnetischen Kreise ist. Die magnetischen Kreise sind an einem T-Stück unterbrochen, um eine entsprechend geformte Pressform 17 zum Herstellen des T-förmigen Maschinenelements 10 der Figur 3 aufzunehmen. Die Pressform 17 wird so auf die Magnetisieranordnung 15 aufgesetzt bzw. in die Unterbrechung der magnetischen Kreise eingesetzt, dass ein in der Magnetisieranordnung 15 erzeugtes Magnetfeld die
Pressform 17 und das in den Hohlraum der Pressform 17 eingebrachte Pulvermaterial durchdringt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Pressform so an die Magnetisieranordnung 15 aufgesetzt, dass der Zahnschaft eine Verlängerung eines mittigen Schenkels bildet, in dem das magnetische Feld im Vergleich zu übrigen Bereichen der Magnetisieranordnung 15 die höchste Feldstärke aufweist.
Die beiden gegenüberliegenden Enden eines Jochbereichs des T-förmigen Maschinenelements 10 liegen jeweils an zwei weiteren Polen der Magnetisieranordnung 15 an. Die magnetischen Feldlinien erstrecken sich dabei radial entlang des Zahnschafts und teilen sich zu den beiden gegenüberliegenden Enden des Jochbereichs hin. Im radial inneren Bereich ist im Ausführungsbeispiel ein Zahnkopf ausgebildet, in dem sich die magnetischen Feldlinien nach innen hin entsprechend der Kontur des Zahnkopfes auffächern. Das Maschinenelement 17 ist beispielsweise als Statorelement oder Rotorelement ausgebildet, das mit einer elektrischen Spule bewickelt werden kann und mehrere solcher Elemente zu ei- nem kreisförmigen Stator oder Rotor zusammenfügbar sind.
Dabei wird die Pressform 17 einem magnetischen Feld ausgesetzt, das bezüglich seiner Richtung dem magnetischen Feld entspricht, dem das Maschinenelement 10 beim späteren Betrieb nach dessen Fertigstellung ausgesetzt ist. Da- durch entsprechen die magnetischen Feldlinien durch das Pulvermaterial in dem
Hohlraum der Pressform 17 im Wesentlichen denen, wie sie in der elektrischen Maschine, in der das Maschinenelement 10 eingesetzt wird, während des laufenden Betriebs vorliegen. Ein Verpressen der länglichen Pulverpartikel 12 während das magnetische Feld an die Pressform 17 angelegt ist, führt zu einer Bewegung der länglichen Pulverpartikel 12 und einer Umorientierung der länglichen Pulverpartikel 12 in Richtung des Magnetfelds, wobei sich die Längsachsen der Pulverpartikel 12 in Richtung der magnetischen Feldlinien F ausrichten. Zum Verpressen wird ein Druck auf die Pulverpartikel 12 ausgeübt, so dass sich die Pulverpartikel 12 bewegen, sich durch ihre Bewegung drehen und sich dadurch gemäß dem angelegten Magnet- feld ausrichten. Dadurch verbessert sich die magnetische Leitfähigkeit des Pulvermaterials, da seine Dichte zunimmt, wodurch weiterhin die Stärke und Ausrichtung des magnetischen Felds in dem Pulvermaterial während des Pressprozesses zunehmen.
Zur Unterstützung des Prozesses des Ausrichtens der länglichen Pulverpartikel 12 kann die Pressform 17 gerüttelt oder in sonstiger Weise Stößen oder Vibrationen ausgesetzt werden, um so eine optimale Ausrichtung eines möglichst großen Anteils der länglichen Pulverpartikel 12 zu erreichen.
Durch anschließendes weiteres Verpressen des Pulvermaterials, Entnehmen aus der Magnetisieranordnung 15 und Durchführen eines anschließenden Heizprozesses werden die Pulverpartikel 12 dauerhaft miteinander zu dem Maschinenelement 10 verbunden. Dabei bleibt die zuvor durch das Magnetfeld bewirkte Orientierung der einzelnen Pulverpartikel 12 bestehen.
Das obige Herstellungsverfahren und durch dieses hergestellte Maschinenelemente sind nicht nur für Statorzähne verwendbar, sondern können auch für vollständige magnetische Kreise für jede Art von elektrischen Maschinen verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelements (10), insbesondere für einen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines magnetischen Pulvermaterials - vorzugsweise Soft Magnetic Composite (SMC)-Material - mit länglichen magnetischen Pulverpartikeln (12) in einer Pressform (17);
- Anlegen eines Magnetfelds, das das bereitgestellte Pulvermaterial durchdringt;
- Verdichten des Pulvermaterials in der Pressform (17);
- Verbinden der Pulverpartikel (12), um das Maschinenelement (10) zu erhalten - insbesondere Sintern oder Aushärten.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verdichten des Pulvermaterials während des angelegten Magnetfelds durchgeführt wird, und/oder nachdem das Magnetfeld angelegt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, , wobei während des Anlegens des Magnetfelds das Pulvermaterial und/oder die Pressform (17) einem oder mehreren Stößen und/oder Vibrationen ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die länglichen magnetischen Pulverpartikel (12) ein Längen- zu Breitenverhältnis zwischen 2 und 5 aufweisen - wobei insbesondere dieses Längen- zu Breitenverhältnis aus einer maximalen Länge lp und einer maximalen Breite wp der Pulverpartikel (12) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Anteil der länglichen magnetischen Pulverpartikel (12) in dem Pulvermaterial mindestens 50%, insbesondere mindestens 80%, beträgt.
Maschinenelement (1), insbesondere für einen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, - vorzugsweise hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 - wobei das Maschinenelement (10) aus einem magnetischen Pulvermaterial - vorzugsweise Soft Magnetic Com- posite (SMC) -Materiali - mit länglichen magnetischen Pulverpartikeln (12) hergestellt wird, indem
- das magnetische Pulvermaterial mit länglichen magnetischen Pulverpartikeln (12) in einer Pressform (17) bereitgestellt wird;
- ein Magnetfeld angelegt wird, das das bereitgestellte Pulvermaterial durchdringt;
- das Pulvermaterial in der Pressform (17) verdichtet wird;
- die Pulverpartikel (12) verbunden - insbesondere gesintert oder ausgehärtet - werden, um das Maschinenelement (10) zu erhalten.
Maschinenelement (10), insbesondere für einen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, wobei das Maschinenelement (1) mindestens einen Bereich aufweist, in dem längliche magnetische Pulverpartikel (12) aneinander anliegend angeordnet sind, wobei deren Längsachsen zueinander parallel ausgerichtet sind.
Maschinenelement (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (10) näherungsweise T-förmig ausgebildet ist und einen radialen Zahnschaft mit im Wesentlichen radial ausgerichteten Pulverpartikeln (12) aufweist, und einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Jochbereich aufweist, in dem die Pulverpartikel (12) im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
Maschinenelement (10) nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen magnetischen Pulverpartikel (12) ein Längen- zu Breitenverhältnis zwischen 2 und 5 aufweisen - wobei insbesondre dieses Längen- zu Breitenverhältnis aus einer maximalen Länge lp und einer maximalen Breite wp der Pulverpartikel (12) bestimmt wird.
0. Maschinenelement (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der länglichen magnetischen Pulverpartikel (12) in dem Pulvermaterial mindestens 50%, insbesondere mindestens 80%, beträgt.
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