WO2014125104A2 - Method for the locally targeted influencing of the magnetic flux in components made of soft magnetic material and a component produced by means of the method - Google Patents

Method for the locally targeted influencing of the magnetic flux in components made of soft magnetic material and a component produced by means of the method Download PDF

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WO2014125104A2
WO2014125104A2 PCT/EP2014/053008 EP2014053008W WO2014125104A2 WO 2014125104 A2 WO2014125104 A2 WO 2014125104A2 EP 2014053008 W EP2014053008 W EP 2014053008W WO 2014125104 A2 WO2014125104 A2 WO 2014125104A2
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a method for locally targeted influencing of the magnetic flux on components made of a soft magnetic material and a component produced by the method.
  • Electric motors or electric generators are used in a variety of industrial applications. Since the operating costs of electric motors exceed their cost of acquisition many times over and generators aim at high efficiency, the demand for efficient operation is given.
  • Soft magnetic, laminated and hard magnetic materials are used for these applications. The latter are used as permanent magnets. Soft magnetic materials have the property amplify external magnetic fields in their interior. In electrical machines, in particular the rotor or stator is meant, prevail therefore magnetic fluxes, which are essential for the conversion of electrical to kinetic energy and vice versa. In the magnetic flux-carrying areas, which directly determine the torque of the respective machine, dynamic losses occur. In general, it is known that the lower the magnetic flux, the lower these described losses.
  • rotors influence the main magnetic flux directions and regions of both components that are in magnetic interaction with each other. That In areas of such a component in which the soft magnetic material has been removed during the contouring process, no magnetic flux enhancement of the external magnetic field occurs.
  • the magnetic flux can be influenced via the contour, with material recesses being able to direct it in a certain way. As a result, however, the mechanical stability of the respective component is reduced to the same extent. In rotary operation, therefore, centrifugal forces can lead to damage to the component and to the entire electrical machine.
  • the process principle is based on the laser beam-induced volume expansion and thus elastic or plastic deformation of the grains according to their crystallographic orientation in the irradiated area. Near the surface of the soft magnetic material acted upon by a laser beam, large portions of the laser radiation are absorbed. The overlying insulation layer should mainly transmit the laser radiation. The energy input, which determines the extent of damage via the thermal volume expansion, should have a sufficient temporal gradient in order to avoid unnecessary heat conduction in the material avoid. The processing time of individual areas should be designed so that thermal relaxation processes of the grains are avoided. For thermally induced residual stresses at the grain boundaries and in the grains themselves reduce the magnetic activity of the material, that is, the conductivity of the magnetic flux.
  • the procedure is such that in the case of a component made of a soft magnetic material, for example an electrical sheet, the focal spot of a laser beam is moved over at least one axis over the surface of a component.
  • a volume expansion is achieved with thereby initiated elastic-plastic deformation of several grains of the material and / or thermally induced residual stress at grain boundaries and in grains of the material structure and thereby occurs in this area a reduction of the relative magnetic permeability ⁇ ⁇ and the magnetic flux density B by a defined power density P d in the focal spot of the laser beam.
  • the residual stresses can be tensile or compressive stresses, depending on the type and direction of the irradiation on the component.
  • the power density in the focal spot by means of the laser power can be influenced by adjusting the size of the focal spot area, selecting a wavelength of the laser beam used, which is suitably absorbed by the material of the component, and / or the feed rate at which the Focal spot is moved along the surface is adjusted.
  • a wavelength of the laser beam used which is suitably absorbed by the material of the component, and / or the feed rate at which the Focal spot is moved along the surface is adjusted.
  • the absorption capacity of the material of the component and its structure or its crystal lattice structure plays a role, which can be considered correspondingly when carrying out the method according to the invention.
  • a laser beam should be aimed directly at a thin sheet metal, as a component.
  • a thin sheet is to be understood as meaning those having a thickness in the range of 0.1 mm to 3 mm, preferably in the range of 0.2 mm to 1 mm.
  • a sheet should be made of a steel with non-oriented
  • Microstructure be formed.
  • a rotor or stator may be made from a plurality of stacked sheets stacked one above the other.
  • components made of a steel alloy in which silicon, cobalt, nickel and / or gadolinium is contained as an alloying element (s) can be used.
  • Particularly preferred are cobalt alloys.
  • component surfaces are provided with an insulation protective layer, which should be dielectric.
  • a laser beam with a wavelength can be used, which is absorbed only insignificantly by the insulation protective layer, so that if at all only a slight damage to the insulation protective layer can occur. Under insignificant can be understood a maximum of 10%, preferably a maximum of 5% absorption.
  • Most of the laser radiation should be absorbed by the component material. In this case, for the most part more than 50%, preferably more than 75%, of the radiation energy is to be understood.
  • the material of the insulation protective layer should be predominantly transparent to the wavelength of the laser beam, so that the aforementioned minimum proportions of the radiation can be absorbed by the actual component material.
  • the focal spot of the laser beam should be moved and operated along the surface of the device so as to avoid a reduction in relative magnetic permeability ⁇ ⁇ and magnetic flux density B due to thermal conduction in unirradiated areas that only there a targeted change is achieved and unirradiated areas retain their original magnetic properties.
  • the range changed in its crystallographic properties should accordingly have a width with respect to the advancing movement axis direction that is slightly wider, at most 300%, preferably at most 100%, than the maximum lateral extent of the focal spot perpendicular to this axial direction. It can also be a deviating from a circular focal spot, can be used with rectangular or elliptical shape.
  • the alignment should be selected so that the largest lateral extent of the focal spot is aligned in the feed axis direction of the focal spot movement. As a result, the width can be reduced and the radiant energy can be used more effectively.
  • the power density can be achieved very easily by a selected adjusted feed rate at which the focal spot is moved along the surface.
  • a suitable speed range is 1 m / min to 200 m / min, preferably 5 m / min to 50 m / min.
  • the feed can be achieved by a corresponding movement of the laser beam, a deflection of the laser beam with one or more pivotable reflective element (s) and / or movement of the component.
  • a pulsed laser beam In addition to the cw operation of the laser beam and a pulsed laser beam can be used. In addition, an influencing of the magnetic properties can also be achieved by the pulse frequency and the pulse length.
  • a sufficient change of the magnetic properties can be achieved in this area thus irradiated and other areas as well as the insulation protective layer are not or at least not so far changed in their properties due to heat conduction that they lose their original function.
  • two or more than two tracks which are at least partially parallel and / or at the same distance from each other can be formed in order to improve the effect of influencing a magnetic or electromagnetic field acting in this area.
  • a reduction of the magnetic relative permeability ⁇ ⁇ and magnetic flux density B in one area should advantageously be achieved by repeatedly irradiating the surface of a component with tracks.
  • the individual tracks can each have a distance in the range 0.5 mm to 20 mm from each other.
  • an additional gas can be supplied, which should essentially fulfill a protective function for optical elements from contamination, damage or destruction. It can be used with low pressure and flow.
  • the effect of the intended technology is to increase the maximum speed of the rotor due to improved mechanical stability with otherwise the same magnetic behavior. With an unchanged torque behavior, this leads to an improved power output of the machine.
  • the focus is not on improving the mechanical stability, higher power densities and consequently higher efficiencies can be achieved since better utilization of the magnetizable material is possible.
  • an increase in efficiency of the machine due to an adapted magnetic Flow behavior in the rotor or stator and consequently reduced losses possible with the same mechanical stability.
  • a locally targeted influencing the magnetic flux can be achieved without cuts and recesses or deformations must be formed. These can lead to damage to other single sheets during joining to the composite or pose weaknesses for the dynamic load.
  • On the component rotor of an electric machine after the processing according to the invention, at significant positions, e.g. of each individual sheet (or at least a larger number) to recognize certain processing patterns. The laser irradiation of these significant areas has at least a discoloration of the insulation protective layer with subtle processing. Significant positions are close to permanent magnets, thin ones
  • Microstructure or to cause grain refining are Microstructure or to cause grain refining.
  • Soft magnetic component materials may be processed which are used as iron alloys with e.g. are alloyed with cobalt, copper, silicon or nickel.
  • a particular example is an iron-silicon alloy designated as DIN 80404-1 and the following as declared grade M330-35A electrical steel.
  • Machining can also be carried out around a permanent magnet integrated into the component or arranged thereat.
  • the processing does not have to be done around the entire circumference. It may suffice to change only certain directions magnetically by a machining according to the invention.
  • annealing may be performed in conventional be performed wisely.
  • the same laser can also be used for cutting at least one contour on the component.
  • a formation of openings in the component can be achieved.
  • Figure 4 is a graph of the relative change in magnetic relative permeability, ⁇ ⁇ , obtained by locally targeting an M330-35A iron-silicon alloy component at various laser powers and moving focal-speed feed rates; a part of a single plate for a synchronous reluctance rotor; a portion of a single sheet for a rotor of a permanent magnet synchronous motor; a diagram of the distribution of the magnetic flux density B in a 5 mm wide and 0.35 mm thick component, which was exposed to laser radiation at a feed rate of 50 m / min; a diagram of the distribution of the magnetic flux density B in a 5 mm wide and 0.35 mm thick component, which was exposed to laser radiation at a feed rate of 80 m / min; a diagram of the deflection of an irradiated component with a width of 5 mm, a length of 250 mm and a thickness of 0.35 mm depending on the changed state of inherent stress at
  • Figure 7 is a graph of the change in the relative magnetic permeability ⁇ ⁇ of an irradiated component having a width of 5 mm, a length of 250 mm and a thickness of 0.35 mm in Dependence of the altered residual stress state with a modified track pitch T with multiple over-travel of the laser beam over the component surface at a feed rate of 100 m / min, a laser power of 400 W, determined at a magnetic field frequency of 50 Hz.
  • Two laser beam sources with different wavelengths were used. These were a C0 2 laser with a maximum power of 300 W and a solid-state laser with a maximum power of 500 W. It was worked with a round focal spot.
  • Wavelength 10.6 ⁇ It worked without additional gas and with varying feed rates between 5 m / min and 40 m / min. It turned out that the higher the feed rate, the greater the magnetic damage. Thus, depending on the application by a suitable feed rate, without changing the other parameters, a desired relative permeability ⁇ ⁇ can be set.
  • Feed rate was again varied between 5 m / min and 40 m / min. About the feed rate, the magnetic properties could be influenced by changing the residual stress state targeted.
  • FIG. 2 shows a part of a single sheet 1 as a component which can be used in a synchronous reluctance rotor.
  • a single sheet 1 As a component which can be used in a synchronous reluctance rotor.
  • breakthroughs 3 which are free of soft magnetic material is formed.
  • 4 With 4 are areas in which a magnetic flux is undesirable, characterized.
  • curves 5 magnetic field lines are shown schematically. Reflows 6 magnetic field lines are in areas around openings
  • FIG. 3 of a single plate 7 for a rotor of a permanently excited synchronous motor differs from the example according to FIG. 2 in that buried or positively secured permanent magnets 8 are present. Again, in areas where one should
  • Reflux of magnetic field lines 6 would occur without additional processing a locally targeted processing according to the invention would be carried out in order to avoid this reflux 6, at least significantly reduce.
  • FIG. 3 the same elements in FIG. 3 are given the same reference numerals. Chen, as indicated in Figure 2. In both Figures 2 and 3, a quarter of a single sheet 1 or 7 is shown in each case.

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Abstract

The invention relates to a method for the locally targeted influencing of the magnetic flux in components made of a soft magnetic material and a component produced by means of the method. In the method according to the invention, the focal spot of a laser beam is moved, at least along one axis over the surface of a component. A volume expansion, with elastic or plastic deformation of the grains of the material initiated thereby, and/or thermally induced internal stresses at grain boundaries and in grains of the material microstructure is achieved in the irradiated region and thereby a reduction in the relative magnetic permeability μr and magnetic flux density B is achieved by means of a defined power density in the focal spot of the laser beam.

Description

Verfahren zur lokal Rezielten Beeinflussung des magnetischen Flusses an Bauteilen aus weichmagnetischem Werkstoff und ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil  Method for locally controlled influence of the magnetic flux on components made of soft magnetic material and a component produced by the method
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokal gezielten Beeinflussung des magnetischen Flusses an Bauteilen aus einem weichmagnetischen Werkstoff sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil. The invention relates to a method for locally targeted influencing of the magnetic flux on components made of a soft magnetic material and a component produced by the method.
Elektromotoren oder elektrische Generatoren werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt. Da die Betriebskosten von Elektromotoren deren Anschaffungskosten um ein Vielfaches übersteigen und bei Generatoren ein hoher Wirkungsgrad angestrebt ist, ist die Forderung nach einem effizienten Betrieb gegeben. Electric motors or electric generators are used in a variety of industrial applications. Since the operating costs of electric motors exceed their cost of acquisition many times over and generators aim at high efficiency, the demand for efficient operation is given.
Für diese Anwendungen werden weichmagnetische, geblechte und hartmagnetische Werkstoffe eingesetzt. Letztgenannte kommen als Permanentmagnete zur Anwendung. Weichmagnetische Werkstoffe haben die Eigenschaft externe Magnetfelder in ihrem Inneren zu verstärken. In elektrischen Maschinen, im Speziellen ist der Rotor bzw. Stator gemeint, herrschen daher magnetische Flüsse vor, die zur Wandlung von elektrischer in kinetische Energie und umgekehrt unerlässlich sind. In den einen Magnetfluss führenden Bereichen, die direkt das Drehmoment der jeweiligen Maschine bestimmen, treten dynamische Verluste auf. Allgemein ist es bekannt, dass je geringer der Magnetfluss ist, desto geringer sind auch diese beschriebenen Verluste. Soft magnetic, laminated and hard magnetic materials are used for these applications. The latter are used as permanent magnets. Soft magnetic materials have the property amplify external magnetic fields in their interior. In electrical machines, in particular the rotor or stator is meant, prevail therefore magnetic fluxes, which are essential for the conversion of electrical to kinetic energy and vice versa. In the magnetic flux-carrying areas, which directly determine the torque of the respective machine, dynamic losses occur. In general, it is known that the lower the magnetic flux, the lower these described losses.
Zur Reduzierung der dynamischen (Wirbelstrom-)Verluste werden dünne Ein- zelbleche eines weichmagnetischen Werkstoffs eingesetzt. Während der Fertigung dieser Rotor- und Statoreinzelbleche, die im Anschluss zu einem Verbund gefügt werden, treten im Kantenbereich entlang der gesamten Kontur Schädigungen auf, die weit ins Bauteil hineinreichen können und zu einer Erhöhung der Verluste führen. Diese Verluste gilt es zu reduzieren. Dies kann beispielsweise über eine abgestimmte Fertigungstechnologie oder mit einer zusätzlichen Langzeitwärmebehandlung erreicht werden, was zu einem erhöhten Fertigungsaufwand führt. Üblicherweise sind Einzelbleche mit mindestens einer Isolationsschutzschicht auf der Ober- oder Unterseite oder gegebenenfalls auch beidseitig, versehen, um eine elektrische Kontaktierung zweier Einzelbleche im Verbund zu vermeiden. Die Funktion einer Isolationsschutzschicht sollte während einer Bearbeitung gewahrt werden. To reduce the dynamic (eddy current) losses, thin individual plates of a soft magnetic material are used. During the production of these rotor and stator individual sheets, which are subsequently joined into a composite, damage occurs in the edge region along the entire contour, which can extend far into the component and lead to an increase in losses. It is important to reduce these losses. This can be achieved for example via a coordinated manufacturing technology or with an additional long-term heat treatment, which leads to an increased production cost. Usually, individual sheets are provided with at least one insulation protective layer on the top or bottom or optionally also on both sides, in order to avoid electrical contacting of two individual sheets in the composite. The function of an insulation protective layer should be maintained during processing.
Die Anforderungen der späteren Anwendung, sprich die Auslegung der elektrischen Maschine, werden üblicherweise über das Design und den verwende- ten weichmagnetischen Werkstoff realisiert. Die Kontur des Stators und desThe requirements of the later application, ie the design of the electrical machine, are usually realized via the design and the soft magnetic material used. The contour of the stator and the
Rotors beeinflussen daher die hauptsächlichen magnetischen Flussrichtungen und Bereiche beider Bauteile, die in magnetischer Wechselwirkung miteinander stehen. D.h. in Bereichen eines solchen Bauteils, in denen der weichmagnetische Werkstoff im Rahmen des Konturgebungsprozesses entfernt wurde, tritt keine magnetische Flussverstärkung des äußeren Magnetfeldes auf. Über die Kontur kann somit der magnetische Fluss beeinflusst werden, wobei Materialaussparungen diesen in gewisser Weise lenken können. Dadurch wird im gleichen Maße aber auch die mechanische Stabilität des jeweiligen Bauteils reduziert. Im rotatorischen Betrieb können daher auftretende Fliehkräfte zu Schädigungen am Bauteil und an der gesamten elektrischen Maschine führen.Therefore, rotors influence the main magnetic flux directions and regions of both components that are in magnetic interaction with each other. That In areas of such a component in which the soft magnetic material has been removed during the contouring process, no magnetic flux enhancement of the external magnetic field occurs. Thus, the magnetic flux can be influenced via the contour, with material recesses being able to direct it in a certain way. As a result, however, the mechanical stability of the respective component is reduced to the same extent. In rotary operation, therefore, centrifugal forces can lead to damage to the component and to the entire electrical machine.
Dies kann eine Begrenzung der maximalen mechanischen Belastbarkeit des jeweiligen Bauteils erforderlich machen. This can be a limitation of the maximum mechanical strength of the respective component required.
Weiterhin stellen verschiedene Prozessschritte und Bauteilhandhabungsvorgänge während der Fertigung gewisse Anforderungen an die mechanische Stabilität der Einzelbleche. Um diese zu gewähren, können zusätzliche dünneFurthermore, various process steps and component handling operations during manufacturing make certain demands on the mechanical stability of the individual sheets. To grant this, can be extra thin
Stege in der Einzelblechkontur vorgesehen werden. Diese leiten jedoch den magnetischen Fluss unbeabsichtigt in unerwünschte Bereiche, wo wiederum Verluste entstehen. Das Hauptproblem besteht jedoch darin, dass durch diesen Vorgang der magnetische Fluss an anderer Stelle unerwünscht herabgesetzt wird und es womöglich zu einer Reduzierung des erreichbaren bzw. zulässigen Drehmomentes kommt. Bisher ist eine gezielte lokale Steuerung des magnetischen Flusses nicht möglich. Es sind jedoch sogenannte Flussbarrieren realisiert worden. Diese bestehen in der Regel aus einem oder mehreren aufeinander folgenden Luftspalten (US 7,432,624 B2). Luft besitzt keine verstärkende Wirkung für externe Magnetfelder im Inneren. Daher erhöht sich der resultierende magnetische Wi- derstand über diese Luftspalte hinweg. Nachteilig ist das Einbringen einer zusätzlichen Kontur in Form eines Spaltes oder Schnittes, was fertigungsbedingt eine Mindestgeometrie erfordert und einen zusätzlichen Prozessschritt bei der Herstellung erfordert. Gerade in Bereichen, wie z.B. Stegen, wo nur wenig weichmagnetisches Material übrig geblieben ist, führt das zusätzliche Heraus- lösen von weichmagnetischem Material zur Konturschädigung und dem magnetischen Bauteilversagen. Beziehungsweise müssen Mindestabstände zum Bauteilrand eingehalten werden. Das verbleibende Material im Bereich dieses Abstandes ist wiederum Magnetfluss führend. Ein weiterer Lösungsvorschlag wurde mittels mechanischer Schädigung der unerwünschten flussführenden Bereiche vorgestellt (EP 2 169 805 AI). Im Werkstoff lokal eingebrachte Spannungen verschlechtem die magnetischen Eigenschaften in diesem so beeinflussten Bereich und dienen als Barrieren für den magnetischen Fluss. Bei der Erzeugung dieser Schädigungen entstehen Vertiefungen auf der Blechoberseite (bedingt durch das Stanzwerkzeug) und eine Auswölbung auf der Unterseite. Wird nun ein Einzelbleche mit der Vertie- fung an der Oberseite mit einem weiteren Einzelblech mit einer komplementär entsprechenden Auswölbung an der Unterseite gefügt, kommt es zur Schädigung der Isolationsschutzschicht bedingt durch den mechanischen Formgebungsprozess und einer elektrischen Kontaktierung beider Bleche. Das Resultat ist eine Zunahme der dynamischen Wirbelstromverluste. Weiterhin ist dieses mechanische Schädigungsverfahren in dem Ausmaß seiner Schädigung nicht steuerbar, lokal begrenzt und nicht uneingeschränkt auf der herzustellenden Einzelblechkontur anwendbar. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine lokal gezielte Beeinflussung des magnetischen Flusses in einem Bauteil aus einem weichmagnetischen Werkstoff zu erreichen, ohne dass ein Werkstoffabtrag erfolgt oder eine Formänderung am Bauteil vorgenommen wird. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Anspruch 15 betrifft ein mit dem Verfahren bearbeitetes Bauteil. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden. Webs are provided in the single sheet contour. However, these inadvertently direct the magnetic flux into unwanted areas, where losses again occur. The main problem, however, is that this process undesirably reduces the magnetic flux elsewhere and may result in a reduction in the achievable or allowable torque. So far, a targeted local control of the magnetic flux is not possible. However, so-called river barriers have been realized. These usually consist of one or more successive air gaps (US Pat. No. 7,432,624 B2). Air has no reinforcing effect for external magnetic fields inside. Therefore, the resulting magnetic resistance increases across these air gaps. The disadvantage is the introduction of an additional contour in the form of a gap or cut, which requires a minimum geometry due to production and requires an additional process step in the production. Especially in areas such as webs, where only a small amount of soft magnetic material is left, the additional release of soft magnetic material leads to contour damage and magnetic component failure. Respectively, minimum distances to the component edge must be adhered to. The remaining material in the range of this distance is in turn leading magnetic flux. Another proposed solution was presented by means of mechanical damage to the unwanted flux-conducting regions (EP 2 169 805 A1). Localized stresses in the material degrade the magnetic properties in this area and serve as barriers to magnetic flux. In the production of these damages arise depressions on the upper side of the sheet (due to the punching tool) and a bulge on the underside. If now a single sheet with the vertical Fung on the top joined with another single sheet with a complementary corresponding bulge on the underside, it comes to damage the insulation protective layer due to the mechanical shaping process and an electrical contact between both sheets. The result is an increase in dynamic eddy current losses. Furthermore, this mechanical damage method is not controllable to the extent of its damage, locally limited and not fully applicable to the individual sheet metal contour to be produced. It is therefore an object of the invention to achieve a locally targeted influencing of the magnetic flux in a component of a soft magnetic material, without any material removal takes place or a change in shape of the component is made. According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1. The claim 15 relates to a machined with the method component. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with features described in the subordinate claims.
Die beschriebenen unerwünschten den magentischen Fluss führenden Bereiche im Rotor - möglich wäre auch die Anwendung für Bereiche im Stator - werden mittels Laser unter Auswahl einer geeigneten Bearbeitungsstrategie und adäquater Prozessparameter bestrahlt. Diese orientieren sich an dem zu bearbeitenden Werkstoff und der lateralen Ausdehnung des zu bestrahlendenThe described unwanted magnetic flux-carrying regions in the rotor-which would also be possible for applications in the stator-are irradiated by means of a laser with the selection of a suitable processing strategy and adequate process parameters. These are based on the material to be machined and the lateral extent of the beam to be irradiated
Bereiches. Area.
Das Verfahrensprinzip basiert auf der laserstrahlinduzierten Volumenausdehnung und somit elastischen oder plastischen Deformation der Körner entspre- chend deren kristallografischen Orientierung im bestrahlten Bereich. Nahe der mit einem Laserstrahl beaufschlagten Oberfläche des weichmagnetischen Werkstoffs werden große Anteile der Laserstrahlung absorbiert. Die darüber liegende Isolationsschutzschicht sollte hauptsächlich die Laserstrahlung transmittieren. Der Energieeintrag, der über die thermische Volumenausdeh- nung das Ausmaß der Schädigung bestimmt, sollte einen ausreichenden zeitlichen Gradienten aufweisen um unnötige Wärmeleitvorgänge im Werkstoff zu vermeiden. Die Bearbeitungsdauer einzelner Bereiche sollte so ausgestaltet sein, dass thermische Entspannungsvorgänge der Körner vermieden werden. Denn thermisch induzierte Eigenspannungen an den Korngrenzen und in den Körnern selbst setzen die magnetische Aktivität des Werkstoffs, sprich die Leitfähigkeit des magnetischen Flusses, herab. Eine thermisch induzierte Schädigung des Kristallgitters reduziert folglich die relative Permeabilität des weichmagnetischen Werkstoffs und führt zur Reduzierung der Verstärkung externer Magnetfelder. Somit verringert sich ebenfalls die magnetische Flussdichte im bestrahlten und veränderten Werkstoffbereich im Vergleich zum unbehandelten Werkstoff beim Einwirken von externen Magnetfeldern gleicher Frequenz und Amplitude. The process principle is based on the laser beam-induced volume expansion and thus elastic or plastic deformation of the grains according to their crystallographic orientation in the irradiated area. Near the surface of the soft magnetic material acted upon by a laser beam, large portions of the laser radiation are absorbed. The overlying insulation layer should mainly transmit the laser radiation. The energy input, which determines the extent of damage via the thermal volume expansion, should have a sufficient temporal gradient in order to avoid unnecessary heat conduction in the material avoid. The processing time of individual areas should be designed so that thermal relaxation processes of the grains are avoided. For thermally induced residual stresses at the grain boundaries and in the grains themselves reduce the magnetic activity of the material, that is, the conductivity of the magnetic flux. Thermally induced damage to the crystal lattice consequently reduces the relative permeability of the soft magnetic material and leads to a reduction in the amplification of external magnetic fields. Thus, the magnetic flux density in the irradiated and changed material area also decreases compared to the untreated material when exposed to external magnetic fields of the same frequency and amplitude.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher so vorgegangen, dass bei einem Bauteil aus einem weichmagnetischen Werkstoff, z.B. einem Elektro- blech, der Brennfleck eines Laserstrahls mindestens entlang einer Achse über die Oberfläche eines Bauteils bewegt wird. Dabei wird im bestrahlten Bereich eine Volumenausdehnung mit dadurch initiierter elastisch-plastischen Deformation mehrerer Körner des Werkstoffs und/oder thermisch induzierte Eigenspannungen an Korngrenzen und in Körnern des Werkstoffgefüges erreicht und dadurch tritt in diesem Bereich eine Reduzierung der relativen magnetischen Permeabilität μΓ und der magnetischen Flussdichte B durch eine definierte Leistungsdichte Pd im Brennfleck des Laserstrahls auf. In the method according to the invention, therefore, the procedure is such that in the case of a component made of a soft magnetic material, for example an electrical sheet, the focal spot of a laser beam is moved over at least one axis over the surface of a component. In this case, in the irradiated area, a volume expansion is achieved with thereby initiated elastic-plastic deformation of several grains of the material and / or thermally induced residual stress at grain boundaries and in grains of the material structure and thereby occurs in this area a reduction of the relative magnetic permeability μ Γ and the magnetic flux density B by a defined power density P d in the focal spot of the laser beam.
Die Eigenspannungen können je nach Art und Richtung aus der die Bestrahlung auf das Bauteil erfolgt Zug- oder Druckspannungen sein. The residual stresses can be tensile or compressive stresses, depending on the type and direction of the irradiation on the component.
Die Leistungsdichte im Brennfleck mittels der Laserleistung kann dadurch be- einflusst werden, dass die Größe der Fläche des Brennflecks angepasst, eine Wellenlänge des eingesetzten Laserstrahls ausgewählt wird, die vom Werkstoff des Bauteils in geeigneter Weise absorbiert wird und/oder die Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck entlang der Oberfläche bewegt wird, angepasst wird. Dabei spielt natürlich das Absorptionsvermögen des Werkstoffs des Bauteils und sein Gefüge bzw. seine Kristallgitterstruktur eine Rolle, die entsprechend bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beachtet werden können. Ein Laserstrahl sollte dabei unmittelbar auf ein dünnes Blech, als Bauteil gerichtet werden. Unter einem dünnen Blech sollen solche mit einer Dicke im Bereich 0,1 mm bis 3 mm, bevorzugt im Bereich 0,2 mm bis 1 mm verstanden werden. Ein Blech sollte dabei aus einem Stahl mit nicht orientierter The power density in the focal spot by means of the laser power can be influenced by adjusting the size of the focal spot area, selecting a wavelength of the laser beam used, which is suitably absorbed by the material of the component, and / or the feed rate at which the Focal spot is moved along the surface is adjusted. Of course, the absorption capacity of the material of the component and its structure or its crystal lattice structure plays a role, which can be considered correspondingly when carrying out the method according to the invention. A laser beam should be aimed directly at a thin sheet metal, as a component. A thin sheet is to be understood as meaning those having a thickness in the range of 0.1 mm to 3 mm, preferably in the range of 0.2 mm to 1 mm. A sheet should be made of a steel with non-oriented
Gefügestruktur gebildet sein. Ein Rotor oder Stator können beispielsweise aus mehreren übereinander angeordneten gestapelten Blechen hergestellt werden. Microstructure be formed. For example, a rotor or stator may be made from a plurality of stacked sheets stacked one above the other.
Bei der Erfindung können Bauteile aus einer Stahllegierung in der Silicium, Cobalt, Nickel und/oder Gadolinium als Legierungselement(e) enthalten ist/sind, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind Cobalt-Legierungen. In the invention, components made of a steel alloy in which silicon, cobalt, nickel and / or gadolinium is contained as an alloying element (s) can be used. Particularly preferred are cobalt alloys.
Der Einfluss der Bestrahlung sollte sich auf die vorab beschriebenen damit erreichbaren Effekte beschränken. Insbesondere sollte infolge der Bestrahlung keine Umwandlung von kubisch-raumzentrierten Ferrit und/oder keine Carbidbildung oder keine Veränderung an Carbidkristallen im Bauteilwerkstoff erreicht werden, da diese zu einer Versprödung des Werkstoffs führen und die günstigen mechanischen Eigenschaften damit herabsetzen. The influence of irradiation should be limited to the effects described above. In particular, as a result of the irradiation, no conversion of cubic body-centered ferrite and / or carbide formation or modification of carbide crystals in the component material should be achieved, since these lead to embrittlement of the material and thus reduce the favorable mechanical properties.
Häufig sind Bauteiloberflächen mit einer Isolationsschutzschicht, die dielektrisch sein sollte, versehen. In diesen Fällen kann ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge eingesetzt werden, der von der Isolationsschutzschicht nur unwesentlich absorbiert wird, so dass wenn überhaupt nur eine geringfügige Schädigung der Isolationsschutzschicht auftreten kann. Unter unwesentlich können dabei maximal 10 %, bevorzugt maximal 5 % Absorption verstanden werden. Der größte Anteil der Laserstrahlung sollte vom Bauteilwerkstoff absorbiert werden. Dabei ist unter zum größten Teil mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % der Strahlungsenergie zu verstehen. Der Werkstoff der Isolationsschutzschicht sollte für die Wellenlänge des Laserstrahls überwiegend transparent sein, so dass die vorab erwähnten Mindestanteile der Strahlung vom eigentlichen Bauteilwerkstoff absorbiert werden können. Frequently, component surfaces are provided with an insulation protective layer, which should be dielectric. In these cases, a laser beam with a wavelength can be used, which is absorbed only insignificantly by the insulation protective layer, so that if at all only a slight damage to the insulation protective layer can occur. Under insignificant can be understood a maximum of 10%, preferably a maximum of 5% absorption. Most of the laser radiation should be absorbed by the component material. In this case, for the most part more than 50%, preferably more than 75%, of the radiation energy is to be understood. The material of the insulation protective layer should be predominantly transparent to the wavelength of the laser beam, so that the aforementioned minimum proportions of the radiation can be absorbed by the actual component material.
Der Brennfleck des Laserstrahls sollte so entlang der Oberfläche des Bauteils bewegt und betrieben werden, dass eine infolge thermischer Leitung auftretende Reduzierung der relativen magnetischen Permeabilität μΓ und der magnetischen Flussdichte B in nicht bestrahlten Bereichen vermieden wird, so dass nur dort eine gezielte Veränderung erreicht wird und unbestrahlte Bereiche ihre ursprünglichen magnetischen Eigenschaften beibehalten. Der in seinen kristallographischen Eigenschaften veränderte Bereich sollte dementsprechend eine Breite in Bezug zur Vorschubbewegungsachsrichtung aufwei- sen, der geringfügig breiter, maximal 300 %, bevorzugt maximal 100 % bereiter, als die maximale laterale Ausdehnung des Brennflecks senkrecht zu dieser Achsrichtung ist. Es kann auch ein von einer kreisform abweichender Brennfleck, mit rechteckiger oder elliptischer Form eingesetzt werden. Dabei sollte die Ausrichtung so gewählt werden, dass die größte laterale Ausdehnung des Brennflecks in der Vorschubachsrichtung der Brennfleckbewegung ausgerichtet ist. Dadurch kann die Breite reduziert und die Strahlungsenergie effektiver genutzt werden. The focal spot of the laser beam should be moved and operated along the surface of the device so as to avoid a reduction in relative magnetic permeability μ Γ and magnetic flux density B due to thermal conduction in unirradiated areas that only there a targeted change is achieved and unirradiated areas retain their original magnetic properties. The range changed in its crystallographic properties should accordingly have a width with respect to the advancing movement axis direction that is slightly wider, at most 300%, preferably at most 100%, than the maximum lateral extent of the focal spot perpendicular to this axial direction. It can also be a deviating from a circular focal spot, can be used with rectangular or elliptical shape. The alignment should be selected so that the largest lateral extent of the focal spot is aligned in the feed axis direction of the focal spot movement. As a result, the width can be reduced and the radiant energy can be used more effectively.
Die Leistungsdichte kann sehr einfach durch eine ausgewählte angepasste Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck entlang der Oberfläche bewegt wird erreicht werden. Ein geeigneter Geschwindigkeitsbereich ist dabei 1 m/min bis 200 m/min, bevorzugt 5 m/min bis 50 m/min. The power density can be achieved very easily by a selected adjusted feed rate at which the focal spot is moved along the surface. A suitable speed range is 1 m / min to 200 m / min, preferably 5 m / min to 50 m / min.
Der Vorschub kann durch eine entsprechende Bewegung des Laserstrahls, eine Auslenkung des Laserstrahls mit einem oder mehreren verschwenkbaren reflektierenden Element(en) und/oder eine Bewegung des Bauteils erreicht werden. The feed can be achieved by a corresponding movement of the laser beam, a deflection of the laser beam with one or more pivotable reflective element (s) and / or movement of the component.
Neben dem cw-Betrieb des Laserstrahls kann auch ein gepulst betriebener Laserstrahl eingesetzt werden. Dabei kann zusätzlich eine Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften auch durch die Pulsfrequenz und die Pulslänge erreicht werden. In addition to the cw operation of the laser beam and a pulsed laser beam can be used. In addition, an influencing of the magnetic properties can also be achieved by the pulse frequency and the pulse length.
Günstig kann es auch sein, einen zu bearbeitenden Bereich, in dem die mag- netischen Eigenschaften mehrfach zu bestrahlen, und dabei den Brennfleck des Laserstrahls mehrfach entlang dieses Bereiches zu bewegen. Dadurch kann eine ausreichende Änderung der magnetischen Eigenschaften in diesem so bestrahlten Bereich erreicht werden und andere Bereiche sowie die Isolationsschutzschicht werden infolge Wärmeleitung nicht oder zumindest nicht soweit in ihren Eigenschaften verändert, dass sie ihre ursprüngliche Funktion verlieren. Bei der Erfindung besteht auch die Möglichkeit nebeneinander angeordnete Bereiche mit einem Laserstrahl zu bestrahlen und diese Bereiche im Sinne der Erfindung zu verändern. Dabei können zwei oder mehr als zwei Spuren, die zumindest teilweise parallel und/oder in einem gleichen Abstand zueinander verlaufen ausgebildet werden, um den Effekt der Beeinflussung eines in diesem Bereich wirkenden magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zu verbessern. Eine Reduzierung der magnetischen relativen Permeabilität μΓ und magnetischen Flussdichte B in einem Bereich sollte dabei vorteilhaft durch mehrfaches Bestrahlen der Oberfläche eines Bauteils mit Spuren erreicht werden. Die einzelnen Spuren können dabei jeweils einen Abstand im Bereich 0,5 mm bis 20 mm zueinander aufweisen. It may also be beneficial to repeatedly irradiate a region to be processed, in which the magnetic properties are repeatedly irradiated, and thereby to move the focal spot of the laser beam several times along this region. As a result, a sufficient change of the magnetic properties can be achieved in this area thus irradiated and other areas as well as the insulation protective layer are not or at least not so far changed in their properties due to heat conduction that they lose their original function. In the invention, it is also possible to irradiate juxtaposed areas with a laser beam and to change these areas in the sense of the invention. In this case, two or more than two tracks which are at least partially parallel and / or at the same distance from each other can be formed in order to improve the effect of influencing a magnetic or electromagnetic field acting in this area. A reduction of the magnetic relative permeability μ Γ and magnetic flux density B in one area should advantageously be achieved by repeatedly irradiating the surface of a component with tracks. The individual tracks can each have a distance in the range 0.5 mm to 20 mm from each other.
In den bestrahlten Bereich des Brennflecks kann auch ein Zusatzgas zugeführt werden, das im Wesentlichen eine Schutzfunktion für optische Elemente vor Verschmutzung, Beschädigung oder Zerstörung erfüllen soll. Dabei kann mit kleinem Druck und Volumenstrom gearbeitet werden. In the irradiated area of the focal spot and an additional gas can be supplied, which should essentially fulfill a protective function for optical elements from contamination, damage or destruction. It can be used with low pressure and flow.
In Laborexperimenten konnte eine lokale Degeneration der relativen Permeabilität von bis zu 75% erreicht werden. Die bestrahlten Bereiche weisen einen höheren magnetischen Widerstand auf. Es existieren bestrahlte und unbehandelte Bereiche nebeneinander, weicht der magnetische Fluss auf den Bereich mit geringerem magnetischem Widerstand aus. Aufgrund der lokalen Anwendbarkeit und der verschiedenen Möglichkeiten zur zeitlichen und lateralen Ausgestaltung der Intensität der Laserbestrahlung ist eine vielseitige Steuerung des magnetischen Flusses möglich. In laboratory experiments, a local degeneration of the relative permeability of up to 75% could be achieved. The irradiated areas have a higher magnetic resistance. Irradiated and untreated areas exist side by side, the magnetic flux deviates to the area with lower magnetic resistance. Due to the local applicability and the various possibilities for temporal and lateral design of the intensity of the laser irradiation, a versatile control of the magnetic flux is possible.
Die Wirkung der beabsichtigten Technologie ist je nach Anwendungsfall die Erhöhung der Maximaldrehzahl des Rotors aufgrund verbesserter mechanischer Stabilität bei sonst gleichem magnetischem Verhalten. Bei einem unveränderten Drehmomentverhalten führt dies zu einer verbesserten Leistungsabgabe der Maschine. Liegt der Fokus nicht auf der Verbesserung der mechanischen Stabilität, können hingegen höhere Leistungsdichten und demzufolge höhere Wirkungsgrade erzielt werden, da eine bessere Ausnutzung des mag- netisierbaren Materials möglich ist. In einem anderen Anwendungsfall ist eine Effizienzsteigerung der Maschine aufgrund eines angepassten magnetischen Flussverhalten im Rotor bzw. Stator und folglich reduzierten Verlusten bei gleicher mechanischer Stabilität möglich. Depending on the application, the effect of the intended technology is to increase the maximum speed of the rotor due to improved mechanical stability with otherwise the same magnetic behavior. With an unchanged torque behavior, this leads to an improved power output of the machine. On the other hand, if the focus is not on improving the mechanical stability, higher power densities and consequently higher efficiencies can be achieved since better utilization of the magnetizable material is possible. In another application, an increase in efficiency of the machine due to an adapted magnetic Flow behavior in the rotor or stator and consequently reduced losses possible with the same mechanical stability.
Vorteilhaft kann eine lokal gezielte Beeinflussung des magnetischen Flusses erreicht werden, ohne dass Schnitte sowie Aussparungen oder Verformungen ausgebildet werden müssen. Diese können zu Schädigungen an anderen Einzelblechen während des Fügens zum Verbund führen oder Schwachstellen für die dynamische Belastung darstellen. An dem Bauteil Rotor einer elektrischen Maschine sind nach der erfindungsgemäßen Bearbeitung an signifikanten Positionen, z.B. eines jeden Einzelbleches (oder zumindest an einer größeren Anzahl) bestimmte Bearbeitungsmuster zu erkennen. Die Laserbestrahlung dieser signifikanten Bereiche weist bei dezenter Bearbeitung zumindest eine Verfärbung der Isolationsschutzschicht auf. Signifikante Positionen sind in der Nähe von Dauermagneten, an dünnenAdvantageously, a locally targeted influencing the magnetic flux can be achieved without cuts and recesses or deformations must be formed. These can lead to damage to other single sheets during joining to the composite or pose weaknesses for the dynamic load. On the component rotor of an electric machine, after the processing according to the invention, at significant positions, e.g. of each individual sheet (or at least a larger number) to recognize certain processing patterns. The laser irradiation of these significant areas has at least a discoloration of the insulation protective layer with subtle processing. Significant positions are close to permanent magnets, thin ones
Stegen und entlang ausgesparter Taschen, welche besonders bei Webs and along recessed pockets, which especially at
Synchronreluktanzmaschinen vorkommen, zu finden. Wird ein Synchronreluktanzmaschinen happen to find. Becomes a
metallografischer Querschliff im Bereich der Laserbestrahlung angefertigt, ist ein bestimmter Bereich zu erkennen, indem der Grundwerkstoff aufgeschmol- zen und wieder erstarrt ist, jedoch ohne einer signifikanten Änderung derMetallographic cross-section made in the area of laser irradiation, a certain area is identified by the base material is melted and solidified again, but without a significant change in the
Gefügestruktur oder eine Kornfeinung zu verursachen. Microstructure or to cause grain refining.
Es können weichmagnetische Bauteilwerkstoffe bearbeitet werden, die als Eisenlegierung mit z.B. mit Kobalt, Kupfer, Silizium oder Nickel legiert sind. Ein besonderes Beispiel ist dabei eine nach DIN IEC 60404-1 und folgende als deklarierte Elektroblechgüte vom Typ M330-35A bezeichnete Eisen-Silizium- Legierung. Soft magnetic component materials may be processed which are used as iron alloys with e.g. are alloyed with cobalt, copper, silicon or nickel. A particular example is an iron-silicon alloy designated as DIN 80404-1 and the following as declared grade M330-35A electrical steel.
Es kann auch eine Bearbeitung um einen in das Bauteil integrierten oder da- ran angeordneten Permanentmagneten herum durchgeführt werden. Dabei muss die Bearbeitung nicht um den gesamten Umfang herum erfolgen. Es kann genügen lediglich bestimmte Richtungen magnetisch durch eine erfindungsgemäße Bearbeitung zu verändern. Machining can also be carried out around a permanent magnet integrated into the component or arranged thereat. The processing does not have to be done around the entire circumference. It may suffice to change only certain directions magnetically by a machining according to the invention.
Im Anschluss an die Bearbeitung zur Reduzierung der magnetischen Permeabilität und des magnetischen Flusses kann ein Warmglühen in herkömmliche weise durchgeführt werden. Following processing to reduce magnetic permeability and magnetic flux, annealing may be performed in conventional be performed wisely.
Besonders vorteilhaft kann derselbe Laser auch zum Schneiden mindestens einer Kontur am Bauteil eingesetzt werden. Dadurch kann beispielsweise eine Ausbildung von Durchbrechungen im Bauteil erreicht werden. Particularly advantageously, the same laser can also be used for cutting at least one contour on the component. As a result, for example, a formation of openings in the component can be achieved.
Nachfolgende Tabelle gibt Werkstoffe und geeignete Parameter für die Bearbeitung wieder. The following table shows materials and suitable parameters for machining.
Figure imgf000011_0001
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. zeigen: ein Diagramm der relativen Änderung der magnetischen relativen Pemeabilität μΓ, die durch lokal gezielte Beeinflussung an einem Bauteil aus einer M330-35A Eisen-Silizium-Legierung bei verschiedenen Laserleistungen und Vorschubgeschwindigkeiten des bewegten Brennflecks erreicht worden sind; einen Teil eines Einzelblechs für einen Synchron- Reluktanzrotor; einen Teil eines Einzelblechs für einen Rotor eines permanenterregten Synchronmotors; ein Diagramm der Verteilung der magnetischen Flussdichte B in einem 5 mm breiten und 0,35 mm dicken Bauteil, das mit Laserstrahlung bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 50 m/min beaufschlagt wurde; ein Diagramm der Verteilung der magnetischen Flussdichte B in einem 5 mm breiten und 0,35 mm dicken Bauteil, das mit Laserstrahlung bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 80 m/min beaufschlagt wurde; ein Diagramm der Durchbiegung eines bestrahlten Bauteils mit einer Breite von 5 mm, einer Länge von 250 mm und einer Dicke von 0,35 mm in Abhängigkeit des veränderten Eigenspan- nungszustandes bei verändertem Spurenabstand T bei mehrfacher Überfahrung des Laserstrahls über die Bauteiloberfläche bei einer eingehaltenen Vorschubgeschwindigkeit von 100 m/min, einer Laserleistung von 400 W und The invention will be explained in more detail by way of example in the following. Figure 4 is a graph of the relative change in magnetic relative permeability, μ Γ , obtained by locally targeting an M330-35A iron-silicon alloy component at various laser powers and moving focal-speed feed rates; a part of a single plate for a synchronous reluctance rotor; a portion of a single sheet for a rotor of a permanent magnet synchronous motor; a diagram of the distribution of the magnetic flux density B in a 5 mm wide and 0.35 mm thick component, which was exposed to laser radiation at a feed rate of 50 m / min; a diagram of the distribution of the magnetic flux density B in a 5 mm wide and 0.35 mm thick component, which was exposed to laser radiation at a feed rate of 80 m / min; a diagram of the deflection of an irradiated component with a width of 5 mm, a length of 250 mm and a thickness of 0.35 mm depending on the changed state of inherent stress at a modified track pitch T with multiple over-travel of the laser beam over the component surface at a maintained feed rate of 100 m / min, a laser power of 400 W and
Figur 7 ein Diagramm der Änderung der relativen magnetischen Permeabilität μΓ eines bestrahlten Bauteils mit einer Breite von 5 mm, einer Länge von 250 mm und einer Dicke von 0,35 mm in Abhängigkeit des veränderten Eigenspannungszustandes bei verändertem Spurenabstand T bei mehrfacher Überfahrung des Laserstrahls über die Bauteiloberfläche bei einer eingehaltenen Vorschubgeschwindigkeit von 100 m/min, einer Laserleistung von 400 W, ermittelt bei einer Magnetfeldfrequenz von 50 Hz. Figure 7 is a graph of the change in the relative magnetic permeability μ Γ of an irradiated component having a width of 5 mm, a length of 250 mm and a thickness of 0.35 mm in Dependence of the altered residual stress state with a modified track pitch T with multiple over-travel of the laser beam over the component surface at a feed rate of 100 m / min, a laser power of 400 W, determined at a magnetic field frequency of 50 Hz.
Für die Auswertung wurde ein standardisiertes (induktives) Messgerät zur Bestimmung der B-H-Kennlinien (Flussdichte-Magnetfeld-Kennlinie), der relativen Permeabilität und der Ummagnetisierungsverluste von weichmagnetischen Werkstoffen eingesetzt. So konnte die Leistungsfähigkeit der Laserbearbeitung hinsichtlich der besagten magnetischen Parameter bewertet werden. For the evaluation, a standardized (inductive) measuring device was used to determine the B-H characteristics (flux density-magnetic field characteristic), the relative permeability and the re-magnetization losses of soft magnetic materials. Thus, the performance of the laser processing could be evaluated with respect to the said magnetic parameters.
Bedingt durch die Messgeräteanforderung mussten Einzelstreifenproben der Länge von 250 mm gefertigt werden. Als Breite wurden 5 mm gewählt. Diese Proben wurden magnetisch vermessen, laserbestrahlt und erneut vermessen. Als Kontur wurde im ersten Schritt eine Linie der Länge 100 mm gewählt. Andere Bearbeitungsstrategien sind aber ebenfalls möglich. Due to the meter requirement, single strip samples with a length of 250 mm had to be manufactured. The width was chosen to be 5 mm. These samples were magnetically measured, laser irradiated and re-measured. As a contour, a line of length 100 mm was chosen in the first step. Other processing strategies are also possible.
Es kamen zwei Laserstrahlquellen mit verschiedener Wellenlänge zum Einsatz. Dies waren ein C02-Laser mit einer maximal verwendeten Leistung von 300 W und ein Festkörperlaser mit einer maximal verwendeten Leistung von 500 W. Es wurde mit einem runden Brennfleck gearbeitet. Two laser beam sources with different wavelengths were used. These were a C0 2 laser with a maximum power of 300 W and a solid-state laser with a maximum power of 500 W. It was worked with a round focal spot.
Bei Einsatz des C02-Lasers wurden folgende Parameter gewählt: When using the C0 2 laser, the following parameters were selected:
Wellenlänge 10,6 μητι. Es wurde ohne Zusatzgas und mit variierten Vorschubgeschwindigkeiten zwischen 5 m/min und 40 m/min gearbeitet. Dabei stellte sich heraus, dass umso höher die Vorschubgeschwindigkeit, desto größer die magnetische Schädigung ist. Somit kann je nach Anwendungsfall durch eine geeignete Vorschubgeschwindigkeit, ohne eine Veränderung der anderen Parameter, eine gewünschte relative Permeabilität μΓ eingestellt werden. Wavelength 10.6 μητι. It worked without additional gas and with varying feed rates between 5 m / min and 40 m / min. It turned out that the higher the feed rate, the greater the magnetic damage. Thus, depending on the application by a suitable feed rate, without changing the other parameters, a desired relative permeability μ Γ can be set.
Es stellte sich heraus, dass sich eine Defokussierung des Brennfleckdurchmessers von 0,62 mm auf ca. 0,9 mm, als vorteilhaft erwies. Bei Einsatz des Festkörperlasers wurden folgende Parameter berücksichtigt. Wellenlänge 1,03 μηι. It turned out that a defocusing of the focal spot diameter of 0.62 mm to about 0.9 mm proved to be advantageous. When using the solid-state laser, the following parameters were taken into account. Wavelength 1.03 μηι.
Es wurde mit Zusatzgas bei sehr geringem Druck von 1 bar (zur Vermeidung von Spritzern bzw. Beschädigung optischer Komponenten) gearbeitet. DieIt was worked with additional gas at a very low pressure of 1 bar (to avoid spattering or damage to optical components). The
Vorschubgeschwindigkeit wurde wieder zwischen 5 m/min und 40 m/min variiert. Über die Vorschubgeschwindigkeit konnten die magnetischen Eigenschaften durch Veränderung des Eigenspannungszustandes gezielt beeinflusst werden. Feed rate was again varied between 5 m / min and 40 m / min. About the feed rate, the magnetic properties could be influenced by changing the residual stress state targeted.
Dieser Sachverhalt ist mit dem in Figur 1 gezeigten Diagramm verdeutlicht. This situation is illustrated by the diagram shown in FIG.
Die Figur 2 zeigt einen Teil eines Einzelblechs 1 als Bauteil, das bei einem Syn- chron-Reluktanzrotor eingesetzt werden kann. Dabei sind mit 2 Bereiche des magnetischen Flusses gekennzeichnet. Im Einzelblech 1 sind Durchbrüche 3, die frei von weichmagnetischem Werkstoff sind, ausgebildet. Mit 4 sind Bereiche in denen ein magnetischer Fluss unerwünscht ist, gekennzeichnet. Außerdem sind Verläufe 5 magnetischer Feldlinien schematisch dargestellt. Rückflüsse 6 magnetischer Feldlinien sind in Bereichen um DurchbrechungenFIG. 2 shows a part of a single sheet 1 as a component which can be used in a synchronous reluctance rotor. Here are marked with 2 areas of magnetic flux. In the single sheet 1 are breakthroughs 3, which are free of soft magnetic material is formed. With 4 are areas in which a magnetic flux is undesirable, characterized. In addition, curves 5 magnetic field lines are shown schematically. Reflows 6 magnetic field lines are in areas around openings
3 angegeben. Diese unerwünschten Rückflüsse 6 können mit der Erfindung vermieden werden, indem dort eine lokal gezielte Beeinflussung mit einem Laserstrahl erfolgt. Die entsprechend in ihren magnetischen Eigenschaften beeinflussten Bereiche können dort linienförmig als eine oder mehrere neben einander angeordnete Spuren ausgebildet sein. 3 indicated. These unwanted returns 6 can be avoided with the invention by there is a locally targeted influence with a laser beam. The regions which are correspondingly influenced in their magnetic properties may there be formed linearly as one or more tracks arranged next to one another.
Das in Figur 3 gezeigte Beispiel eines Einzelblechs 7 für einen Rotor eines permanent erregten Synchronmotors unterscheidet sich vom Beispiel nach Figur 2 dadurch, dass vergrabene oder formschlüssig befestigte Permanent- magnete 8 vorhanden sind. Auch hier sollten in den Bereichen in denen einThe example shown in FIG. 3 of a single plate 7 for a rotor of a permanently excited synchronous motor differs from the example according to FIG. 2 in that buried or positively secured permanent magnets 8 are present. Again, in areas where one should
Rückfluss von magnetischen Feldlinien 6 ohne eine zusätzliche Bearbeitung auftreten würde eine lokal gezielte erfindungsgemäßen Bearbeitung durchgeführt werden, um diesen Rückfluss 6 zu vermeiden, zumindest erheblich zu reduzieren. Reflux of magnetic field lines 6 would occur without additional processing a locally targeted processing according to the invention would be carried out in order to avoid this reflux 6, at least significantly reduce.
Ansonsten sind die gleichen Elemente in Figur 3 mit den gleichen Bezugszei- chen, wie in Figur 2 gekennzeichnet. In beiden Figuren 2 und 3 ist jeweils ein Viertel eines Einzelblechs 1 oder 7 gezeigt. Otherwise, the same elements in FIG. 3 are given the same reference numerals. Chen, as indicated in Figure 2. In both Figures 2 and 3, a quarter of a single sheet 1 or 7 is shown in each case.

Claims

Patentansprüche Patent claims
Verfahren zur lokal gezielten Beeinflussung des magnetischen Flusses an Bauteilen aus einem weichmagnetischen Werkstoff, bei dem der Brennfleck eines Laserstrahls mindestens entlang einer Achse übe die Oberfläche eines Bauteils bewegt und dabei im bestrahlten Bereich eine Volumenausdehnung mit dadurch initiierter elastischen oder plastischen Deformation der Körner des Werkstoffs und/oder thermisch induzierte Eigenspannungen an Korngrenzen und in Körnern des Werkstoffgefüges und dadurch in diesem Bereich eine Reduzierung der magnetischen relativen Permeabilität μΓ und magnetischen Flussdichte B durch eine definierte Leistungsdichte im Brennfleck des Laserstrahls erreicht wird. Method for locally targeted influencing of the magnetic flux on components made of a soft magnetic material, in which the focal spot of a laser beam moves at least along one axis over the surface of a component and thereby causes a volume expansion in the irradiated area with thereby initiated elastic or plastic deformation of the grains of the material and / or thermally induced residual stresses at grain boundaries and in grains of the material structure and thereby a reduction in the magnetic relative permeability μ Γ and magnetic flux density B in this area is achieved by a defined power density in the focal spot of the laser beam.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte im Brennfleck mittels der Laserleistung, der Größe der Flä che des Brennflecks, der Wellenlänge des eingesetzten Laserstrahls und/oder die Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck entlan der Oberfläche bewegt wird, beeinflusst wird. Method according to claim 1, characterized in that the power density in the focal spot is influenced by means of the laser power, the size of the area of the focal spot, the wavelength of the laser beam used and / or the feed speed at which the focal spot is moved along the surface.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl unmittelbar auf ein dünnes Blech, als Bauteil gerichtet wird, wobei das Blech aus einem Stahl mit nicht orientierter Method according to claim 1 or 2, characterized in that a laser beam is directed directly onto a thin sheet as a component, the sheet being made of a steel with a non-oriented
Gefügestruktur gebildet ist. Microstructure is formed.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einer Stahllegierung in der Silicium Cobalt, Nickel und/oder Gadolinium als Legierungselement(e) enthalten ist/sind, eingesetzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch_ge- kennzeichnet, dass infolge der Bestrahlung keine Umwandlung von kubisch-raumzentrierten Ferrit und/oder keine Carbidbildung oder keine Veränderung an Carbidkristallen im Bauteilwerkstoff erreicht wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the component made of a steel alloy in which silicon cobalt, nickel and / or gadolinium is/are contained as alloying element(s) is used. Method according to one of the preceding claims, characterized in that, as a result of the irradiation, no conversion of body-centered cubic ferrite and/or no carbide formation or no change in carbide crystals in the component material is achieved.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge eingesetzt wird, der von einer auf einem Bauteil ausgebildeten Isolationsschicht nur unwesentlich und vom Werkstoff des Bauteils überwiegend absorbiert wird, eingesetzt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a laser beam is used with a wavelength which is only insignificantly absorbed by an insulation layer formed on a component and predominantly absorbed by the material of the component.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennfleck des Laserstrahls so entlang der Oberfläche des Bauteils bewegt und betrieben wird, dass eine infolge thermischer Leitung auftretende Reduzierung der magnetischen Permeabilität μ in nicht bestrahlten Bereichen vermieden wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the focal spot of the laser beam is moved and operated along the surface of the component in such a way that a reduction in the magnetic permeability μ in non-irradiated areas that occurs as a result of thermal conduction is avoided.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennfleck mit einer Vorschubgeschwindigkeit im Bereich 1 m/min bis 200 m/min, bevorzugt im Bereich 5 m/min bis 40 m/min bewegt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the focal spot is moved at a feed speed in the range of 1 m/min to 200 m/min, preferably in the range of 5 m/min to 40 m/min.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den bestrahlten Bereich ein Zusatzgas zugeführt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an additional gas is supplied to the irradiated area.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit rechteckigem oder elliptischen Brennfleck eingesetzt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a laser beam with a rectangular or elliptical focal spot is used.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bearbeitung um einen in das Bauteil integrierten oder daran angeordneten Permanentmagneten herum durchgeführt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that processing is carried out around a permanent magnet integrated into the component or arranged thereon.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl gepulst betrieben und/oder mehrfach entlang eines in seinen magnetischen Eigenschaften zu verändernden Bereichs geführt wird und/oder mehrere Spuren nebeneinander mit veränderten magnetischen Eigenschaften nebeneinander ausgebildet werden. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the laser beam is operated in a pulsed manner and/or is guided several times along an area whose magnetic properties are to be changed and/or several tracks are formed next to one another with changed magnetic properties next to one another.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reduzierung der magnetischen relativen Permeabilität μΓ und magnetischen Flussdichte B in einem Bereich durch mehrfaches Bestrahlen der Oberfläche eines Bauteils mit Spuren, wobei die einzelnen Spuren jeweils einen Abstand im Bereich 0,5 mm bis 20 mm zueinander aufweisen, erreicht wird. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a reduction of the magnetic relative permeability μ Γ and magnetic flux density B in an area by multiple irradiation of the surface of a component with tracks, the individual tracks each having a distance in the range 0.5 mm to 20 mm from each other is achieved.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe Laserstrahl auch zum Schneiden mindestens einer Kontur am Bauteil eingesetzt wird. 14. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the same laser beam is also used to cut at least one contour on the component.
15. Bauteil bearbeitet mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, bei dem in mindestens einem Bereich eine reduzierte magnetische relative Permeabilität μΓ und eine reduzierte magnetischen Flussdichte B vorhanden ist, um ein magnetisches Feld in seiner Ausbildung und Wirkung gezielt zu beeinflussen. 15. Component processed using a method according to one of the preceding claims, in which a reduced magnetic relative permeability μ Γ and a reduced magnetic flux density B are present in at least one area in order to specifically influence a magnetic field in its formation and effect.
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