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Dokumentenidentifikation DE102005034486A1 01.02.2007
Titel Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für Generatoren sowie Generator mit einem derartigen Kern
Anmelder Vacuumschmelze GmbH & Co. KG, 63450 Hanau, DE
Erfinder Gerster, Joachim, Dr., 63755 Alzenau, DE;
Pieper, Witold, Dr., 63450 Hanau, DE;
Ansmann, Rudi, 63776 Mömbris, DE;
Köhler, Michael, 63543 Neuberg, DE;
Pyschow, Michael von, 63452 Hanau, DE
Vertreter Schweiger & Partner, 80333 München
DE-Anmeldedatum 20.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005034486
Offenlegungstag 01.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.2007
IPC-Hauptklasse H02K 15/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für Generatoren sowie einen Generator mit einem deratigen Kern. Dabei wird für das Herstellen eines Kerns eine Vielzahl magnetisch formierter und/oder magnetisch formierbarer Bleche einer CoFeV-Legierung, die eine Textur aufweisen, hergestellt. Anschließend wird diese Vielzahl von Blechen zu einem Blechpaket gestapelt. Schließlich erfolgt ein magnetisches Formieren des Blechpaketes, falls es aus magnetisch formierbaren Blechen besteht. Schließlich wird das magnetisch formierte Blechpaket zu einem weichmagnetischen Kern erodiert. Ein derartiger Kern ist für einen Generator mit Stator und Rotor für hochtourige Flugturbinen vorgesehen, wobei die Bleche in dem Blechpaket in unterschiedliche Texturrichtungen zueinander ausgerichtet sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für Generatoren sowie einen Generator mit einem derartigen Kern. Dazu wird eine Vielzahl durch einen Schlussglühprozess magnetisch formierbarer Bleche einer weichmagnetischen Legierung gestapelt und diesem Stapel die Form eines weichmagnetischen Kerns durch Erodieren des Blechpakets gegeben. Dazu ist es üblich, nach der endgültigen Formgebung des Blechpakets zu einem Kern ein Schlussglühen anzuschließen, um optimale magnetische Eigenschaften des Kerns in seiner endgültigen Form zu erreichen.

Ein derartiges Verfahren zur Herstellung eines Kerns zu einem Stapel mehrerer dünnwandiger Lagen aus einem magnetisch leitenden Material ist aus der Druckschrift CH 668 331 A5 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden die kalt gewalzten weichmagnetischen Bleche für die einzelnen Lagen in gleicher Ausrichtung aufeinander gestapelt und zu der endgültigen Form des Kerns erodiert. Ein Schlussglühen des Kerns aus mehreren dünnwandigen Lagen eines magnetisch leitenden Materials kann sich nach dem Erodieren anschließen.

In einem derartigen Fall besteht jedoch die Gefahr, dass durch das Schlussglühen bzw. Formatieren sich die Abmessungen des Kerns verändern. Insbesondere dann, wenn bei entsprechenden Phasenbildungen während des Schlussglühens bzw. Formatierens eine anisotrope Umordnung des weichmagnetischen Gefüges auftritt, was sich besonders bei großvolumigen weichmagnetischen Kernen auswirkt, da sich dann die anisotropischen Dimensionsverschiebungen verstärkt auswirken. Derartige anisotrope Änderungen können zusätzlich bei rotierenden Kernstrukturen zu Unwuchten führen, was erhebliche Probleme bei hochtourigen Maschinen, insbesondere bei Fluganwendungen, mit sich bringt.

Darüberhinaus bildet sich beim Kaltwalzen eine kristalline Textur aus, die Anisotropien der magnetischen und mechanischen Eigenschaften hervorrufen kann. Diese Anisotropien sind für rotierende Kerne beispielsweise eines hochtourigen Rotors oder mit rotierenden Teilen in Wechselwirkung stehenden Statoren nicht erwünscht, da für derartige Anwendungen eine exakt rotationssymetrische Verteilung der magnetischen und mechanischen Eigenschaften anzustreben ist.

Somit sind die Lehren aus der Druckschrift CH 668 331 A5, bei der kaltgewaltzte Bleche gleichförmig in Walzrichtung aufeinander zu stapeln sind, um die verstärkte magnetische Wirkung in Richtung der "GOSS-Textur" für stationäre Magnetköpfe zu nutzen nicht auf die Erfordernisse von rotierenden Kernen übertragbar. Es besteht somit der Bedarf, neue Fertigungswege zu entwickeln, um die Forderung nach rotationssymetrischer Gleichförmigkeit magnetischer und mechanischer Eigenschaften eines weichmagnetischen Kerns in Generatoren zu erfüllen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen Kerns für Generatoren sowie einen Generator mit einem derartigen Kern anzugeben, womit die oben erwähnte Probleme überwunden werden. Insbesondere soll ein weichmagnetischer Kern hergestellt werden, der für großvolumige Anwendungen in entsprechenden hochtourigen Generatoren geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für Generatoren geschaffen, wobei das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist.

Zunächst wird eine Vielzahl magnetisch formierter und/oder magnetisch formierbarer Bleche einer binären Kobalt-/Eisen-Legierung (CoFe-Legierung) oder einer ternären Kobalt-/Eisen-/Vanadium-Legierung (CoFeV-Legierung) hergestellt, wobei die Bleche eine Kaltwalztextur aufweisen.

Solche binären Eisen-Kobalt-Legierungen mit einem Kobaltgehalt zwischen 33 und 55 Gew.% sind außerordentlich spröde, was auf die Bildung einer geordneten Überstruktur bei Temperaturen unterhalb 730°C zurückzuführen ist. Der Zusatz von ungefähr 2 Gew.% Vanadium beeinträchtigt den Übergang in diese Überstruktur, so dass eine relativ gute Kaltverformbarkeit nach Abschrecken auf Raumtemperatur von der Temperaturen oberhalb 730°C erreicht werden kann.

Als ternäre Grundlegierung kommen demnach die bekannten Eisen-Kobalt-Vanadium-Legierungen in Betracht, die ca. 49 Gew.% Eisen, ca. 49 Gew.% Kobalt und ca. 2 Gew.% Vanadium enthalten. Dieses ternäre Legierungssystem ist seit langer Zeit bekannt. Es wird beispielsweise in "R. M. Bozorth, Ferromagnetism, van Nostrand, New York (1951)" ausführlich beschrieben. Diese vanadiumhaltige Eisen-Kobalt-Legierung zeichnet sich durch ihre sehr hohe Sättigungsinduktion von ca. 2,4 T aus.

Eine Weiterentwicklung dieser ternären vanadiumhaltigen Kobalt-Eisen-Grundlegierung ist aus der US 3,634,072 bekannt. Dort wird bei der Herstellung von Legierungsbändern ein Abschrecken des warmgewalzten Legierungsbandes von einer Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperatur von 730°C beschrieben. Dieser Prozess ist notwendig, damit die Legierung hinreichend duktil für das anschließende Kaltwalzen ist. Mit dem Abschrecken wird die Ordnungseinstellung unterdrückt. Fertigungstechnisch ist das Abschrecken jedoch sehr kritisch, da es bei den sogenannten Kaltwalzstichen sehr leicht zu Bandbrüchen kommen kann. Deshalb wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Duktilität der Legierungsbänder zu steigern und damit die Fertigungssicherheit zu erhöhen.

Die US 3,634,072 schlägt daher als duktilitätssteigernde Zusätze eine Zugabe von 0,02 bis 0,5 Gew.% Niob und/oder 0,07 bis 0,3 Gew.% Zirkon vor.

Niob, das im Übrigen auch durch das homologe Tantal ersetzt werden kann, hat im Eisen-Kobalt-Legierungssystem nicht nur die Eigenschaft, den Ordnungsgrad stark zu unterdrücken, was beispielsweise von R. V. Major und C. M. Orrock in "High saturation ternary cobalt-iron based alloys", IEEE Trans. Magn. 24 (1988), 1856–1858, beschrieben worden ist, sondern es hemmt auch das Kornwachstum.

Die Zugabe von Zirkon in den in der US 3,634,072 vorgeschlagenen Mengen von maximal 0,3 Gew.% hemmt ebenfalls das Kornwachstum. Beide Mechanismen verbessern wesentlich die Duktilität der Legierung nach dem Abschrecken.

Neben dieser aus der US 3,634,072 bekannten hochfesten niob- und zirkonhaltigen Eisen-Kobalt-Vanadium-Legierung sind des Weiteren noch zirkonfreie Legierungen aus der US 5,501,747 bekannt.

Dort werden Eisen-Kobalt-Vanadium-Legierungen vorgeschlagen, die ihre Anwendung in schnelldrehenden Flugzeuggeneratoren und Magnetlagern finden. Die US 5,501,747 baut auf der Lehre der US 3,364,072 auf und schränkt den dort gelehrten Niobgehalt auf 0,15–0,5 Gew.% ein.

Als besonders geeignet hat sich eine CoFeV-Legierung gezeigt, die aus

35,0 ≤ Co ≤ 55,0 Gew.%,

0,75 ≤ V ≤ 2,5 Gew.%,

0 ≤ (Ta + 2 × Nb) ≤ 1,0 Gew.%,

0,3 < Zr ≤ 1,5 Gew.%,

Ni ≤ 5,0 Gew.%,

Rest Fe sowie erschmelzungsbedingten und/oder zufälligen Verunreinigungen besteht. Diese Legierung sowie die dazugehörigen Herstellverfahren sind ausführlich in der DE 103 20 350 B3 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.

Darüberhinaus ist zusätzlich noch aus der DE 699 03 202 T2 bekannt, bei solchen ternären CoFeV-Legierungen den Borgehalt zwischen 0,001 und 0,003 Gew.% einzustellen, um eine bessere Warmwalzfähigkeit zu erzielen.

All diese oben genannten Legierungen eigenen sich hervorragend zur Herstellung der Blechpakete nach der vorliegenden Erfindung.

Anschließend wird diese Vielzahl der Bleche zu einem Blechpaket gestapelt. Besteht nun dieser Stapel aus formierbaren Blechen, so wird noch vor einem Strukturieren des Blechpakets zu einem weichmagnetischen Kern das Formieren durch ein Schlussglühen des Blechpakets durchgeführt. Besteht jedoch das Blechpaket aus bereits weichmagnetisch formierten Blechen, so kann sich unmittelbar an das Stapeln das Struktu – rieren des magnetisch formierten Blechpakets bzw. des Pakets aus magnetisch formierten Blechen zu einem weichmagnetischen Kern anschließen.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass in jedem Fall das Strukturieren am Ende des gesamten Herstellungsverfahrens für einen weichmagnetischen Kern durchgeführt wird.

Vorzugsweise erfolgt das Strukturieren des Blechpakets zu einem weichmagnetischen Kern mittels eines Erosionsverfahren. Beim Erodieren wird ein Materialabtrag mittels einer Folge nicht stationärer elektrischer Entladungen erziehlt, wobei die Entladungen zeitlich voneinander getrennt sind, d. h., dass bei dieser Funkenerosion nur jeweils ein einziger Funke einmal entsteht. Die Funkenentladungen werden durch Spannungsquellen von über 200 V erzeugt und werden in einem dielektrischen Bearbeitungsmedium, in das das Blechpaket aus weichmagnetischen Lagen eingetaucht ist, durchgeführt. Dieses funkenerosive Bearbeitungsverfahren wird auch als elektroerosives Bearbeiten oder als EDM (electrical discharge machining) bezeichnet.

Bei der erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise eine Drahterosion durchgeführt, die den Vorteil hat, dass das Blechpaket mit Hilfe der Drahtelektrode in einer Isolierflüssigkeit exakt das vorprogrammierte Profil des weichmagnetischen Kerns aus dem Blechpaket erodiert. Dabei ist während der Drahterosion eine 100%-ige Überwachung der endgültigen Form und der Oberfläche des bearbeiteten Blechpakets möglich, so dass Oberflächen mit hoher Maßhaltigkeit und minimaler Toleranz erreicht werden können.

Sofern die geometrischen Randbedingungen des Blechpakets und die Materialeigenschaften der gestapelten Bleche es zulassen, kann auch eine spanabhebende Bearbeitung zum Strukturieren des Blechpakets zu einem weichmagnetischen Kern erfolgen.

Weitere Strukturierungsverfahren sind das Wasserstrahlschneiden und das Laserstrahlschneiden. Während beim wasserstrahlschneiden die Gefahr der Ausbildung von kraterförmigen Schnittkanten besteht, neigt das Laserstrahlschneiden dazu, abdampfendes Material als Mikrowulst neben den Schnittkanten abzuscheiden. Erst eine Kombination beider Verfahren ermöglicht eine hohe Schnittqualität beim Strukturieren des Blechstapels zu einem weichmagnetischen Kern. Dazu wird mittels Totalreflektion der divergierende Laserstrahl im Mikrowasserstrahl gehalten und das durch den Laserstrahl abgetragene Material wird mit Hilfe des Mikrowasserstrahls fortgerissen, sodass sich keine Ablagerungen auf den Schneidekanten bilden können. Folglich ergeben sich gratfreie Schnittprofile. Auch die Schnittkantenerwärmung ist vernachlässigbar gering, sodass kein thermischer Verzug auftritt. Mit dem wasserstrahlgeführten Laserstrahlschneiden sind Bohrungsdurchmesser dB erreichbar von dB ≤ 60 &mgr;m und Schnittbreiten bS mit bS ≤ 50 &mgr;m erreichbar. Durch die Wasserstrahlführung erfolgt in vorteilhafter Weise keinerlei Veränderung der Materialeigenschaften in den Schnittrandzonen.

In einem bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird zum magnetischen Formatieren ein Schlussglühen der CoFeV-Legierung unter Inertgasatmoshphäre bei einer Formiertemperatur TF zwischen 500°C ≤ TF ≤ 940°C durchgeführt. Bei diesem weichmagnetischen Formatieren zeigt sich, dass die Kobalt-/Eisen-/Vanadium-Legierung anisotrop wächst, wobei die Dimensionsänderungen vermutlich durch die Ordnungseinstellung im System CoFe verursacht wird, und eine Anisotropie der Dimensionsänderung auf die beim Kaltwalzen entstehenden Textur zurückzuführen ist.

So wird eine Längenänderung von etwa 0,2% in Walzrichtung und eine Längenänderung von 0,1% in Querrichtung zur Walzrichtung beim nachfolgenden Formieren festgestellt. Wenn von einer Kerngröße von 200 mm ausgegangen wird, so ändern sich die Bleche um 0,4 mm in der einen und nur 0,2 mm in der anderen Richtung, so dass der Querschnitt eines zylindrischen weichmagnetischen Kerns von einer Kreisform vor dem Formieren in eine Ellipsenform nach dem Formieren übergeht. Diese Formänderung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, indem das Erodieren des Blechpakets erst nach dem weichmagnetischen Formieren bzw. nach dem Schlussglühen der CoFeV-Legierung erfolgt.

In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens werden die Bleche beim Stapeln zu einem Paket unter unterschiedlichen Texturrichtungen zueinander ausgerichtet. Dieses Ausrichten in unterschiedliche Texturrichtungen steht im Gegensatz zu dem aus der Druckschrift CH 668 331 A5 bekannten Vorgehensweise und hat in diesem Fall den Vorteil, dass insbesondere für rotierende weichmagnetische Kerne die Tendenzen Unwuchten auszubilden, vermindert werden. Außerdem werden texturbedingte Anisotropien der magnetischen und mechanischen Eigenschaften ausgeglichen und eine rotationssymmetrische Verteilung der weichmagnetischen und mechanischen Eigenschaften erreicht. Vorzugsweise werden die Bleche in Bezug auf ihre Texturrichtungen in einem 45°-Winkel im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn nacheinander ausgerichtet. Somit können die oben erwähnten Längendifferenzen, insbesondere wenn das weichmagnetische Formieren erst mit dem gesamten Blechpaket durchgeführt wird, besser ausgeglichen werden.

Wenn Einzellamellen bzw. Bleche des Pakets vor dem Stapeln formiert werden, so wird vorzugsweise darauf geachtet, dass die Lamellen bzw. Einzelbleche äußerst eben sind, um auf einen möglichst hohen Füllfaktor f mit f ≥ 90% für das Blechpaket zu kommen. Die elektrisch isolierten ebenen und schlussgeglühten Bleche werden dazu versetzt gestapelt, um ein beim Kaltwalzen entstehendes Linsenprofil im Querschnitt zu kompensieren. Dieses Linsenprofil macht sich dadurch bemerkbar, dass zwischen der Blechdicke im Randbereich zu der im Mittenbereich ein Unterschied von wenigen &mgr;m auftritt. Doch bei Blechstapeln von 1000 und mehr Blechen, wie sie für den weichmagnetischen Kern eines Rotors oder Stators in einem Generator erforderlich werden, ergeben sich dabei Unterschiede von einigen Millimetern, so dass hier das Versetzen um einen 45°-Winkel oder einen 90°-Winkel eine zusätzliche Verbesserung und Vergleichmäßigung in dem Blechpaket ermöglicht.

Vor dem Stapeln wird auf die magnetisch formierten Bleche mindestens einseitig eine elektrisch isolierende Beschichtung aufgebracht. Da bereits magnetisch formierte Bleche ein Schlussglühen vor dem Stapeln durchlaufen haben, kann diese isolierende Beschichtung für magnetisch bereits formierte Bleche durchaus eine Lack- oder Harzbeschichtung beinhalten, zumal das Blechpaket nicht mehr einem Schlussglühen unterzogen werden muss. Werden jedoch magnetisch formierbare Bleche gestapelt, so wird vor dem Stapeln mindestens einseitig eine keramische, elektrisch isolierende Beschichtung aufgebracht, die den oben erwähnten Formierungstemperaturen standhält. Eine Möglichkeit ist es, die magnetisch formierten Bleche vor dem Stapeln in einer Wasserdampfatmosphäre oder in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre unter Bildung einer elektrisch isolierenden Metalloxidschicht zu oxidieren. Dieses hat den Vorteil, dass eine äußerst dünne und effektive Isolation zwischen den Metallplatten auftritt.

Für das Schlussglühen vor dem Erodieren wird das Blechpaket aus magnetisch formierbaren Blechen zwischen zwei Stahlplatten als Glühplatten eingespannt. Diese Glühplatten können bei dem nachfolgenden Erodieren ebenfalls für ein Fixieren des Blechpakets eingesetzt werden. Durch die Stahlplatten wird die Lage der Bleche nicht mehr verändert, wodurch ein maßgenaueres Blechpaket sowohl für den Innendurchmesser als auch für den Außendurchmesser sowie für die Nuten, die für den weichmagnetischen Kern eines Stators oder Rotors erforderlich sind, erhalten wird. In derartigen maßgenauen Nuten kann dann die Wicklung für einen Rotor oder Stator optimal untergebracht werden, was hohe Stromdichten im Nutenquerschnitt in vorteilhafter Weise ermöglicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Generator mit Stator und Rotor für hochtourige Flugturbinen geschaffen, wobei der Stator und/oder Rotor einen weichmagnetischen laminierten Kern aufweist. Der weichmagnetische Kern ist aus einem formstabil erodierten Blechpaket eines Stapels einer Vielzahl weichmagnetisch formierter Bleche einer CoFeV-Legierung geformt. Die Bleche des Blechpaketes weisen dabei eine Kaltwalztextur auf, und sind in dem Blechpaket in unterschiedlichen Texturrichtungen zueinander ausgerichtet. Ein derartiger weichmagnetischer Kern hat den Vorteil, dass er eine überdurchschnittlich hohe Sättigungsinduktion von etwa 2,4 T aufweist und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften mit einer Streckgrenze von über 600 MPa für die extremen Belastungen, wie sie in Generatoren für hochtourige Flugturbinen mit Drehzahlen zwischen 10.000 U/min 40.000 U/min auftreten, gewachsen ist.

Vorzugsweise sind die Texturrichtungen der einzelnen Bleche in einem 45°-Winkel zueinander ausgerichtet, so dass sich die Unterschiede in den Dimensionsänderungen der unterschiedlichen Texturrichtungen ausgleichen. Für die Dicke der weichmagnetischen Bleche in dem Blechpaket werden vorzugsweise Bleche mit Dicken d von d < 350 &mgr;m oder von d < 150 &mgr;m und insbesondere äußerst dünne Bleche mit Dicken in der Größenordnung von 75 &mgr;m eingesetzt. Diese dünnen weichmagnetischen Bleche weisen mindestens einseitig eine elektrisch isolierende Beschichtung auf, wobei diese isolierende Beschichtung eine Oxidschicht sein kann.

Keramische Beschichtungen werden für Bleche in Blechpaketen dann eingesetzt, wenn das weichmagnetische Formieren in Form eines Schlussglühens des Blechpakets nach dem Stapeln und vor der erusiven Formgebung durchgeführt wird.

Abhängig von den Dimensionen, die für derartige weichmagnetische Kerne eines Rotors oder eines Stators erforderlich sind, wird eine Vielzahl n von weichmagnetisch formierten Blechen gestapelt, wobei die Zahl n ≥ 100 ist. Neben den Hauptbestandteilen der CoFeV-Legierung kann diese Legierung auch mindestens ein Element aus der Gruppe Ni Zr, Ta oder Nb als weitere Legierungselemente aufweisen. Dabei liegt der Zirkoniumgehalt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung oberhalb 0,3 Gew.%, wodurch wesentlich bessere mechanische Eigenschaften unter gleichzeitiger Erzielung hervorragender magnetischer Eigenschaften erreicht werden.

Diese Verbesserung ist auch darauf zurückzuführen, dass es durch die Zugabe von Zirkon in einer Menge oberhalb von 0,3 Gew.% innerhalb des Gefüges der CoFeV-Legierung mitunter zur Ausbildung einer bisher nicht bekannten kubischen Laves-Phase zwischen den einzelnen Körner der CoFeV-Legierung kommt, die diesen positiven Einfluss auf die mechanischen und magnetischen Eigenschaften bewirken.

Um die Streckgrenzen über 600 MPa zu vergrößern, werden die Elemente Tantal oder Niob hinzulegiert, wobei vorzugsweise ein Gehalt von 0,04 ≤ (Ta + 2 × Nb) ≤ 0,8 Gew.% eingehalten wird.

Als besonders geeignet hat sich eine CoFeV-Legierung gezeigtbestehend aus

35,0 ≤ Co ≤ 55,0 Gew.%,

0,75 ≤ V ≤ 2,5 Gew.%,

0 ≤ (Ta + 2 × Nb) ≤ 1, 0 Gew.%,

0,3 < Zr ≤ 1,5 Gew.%,

Ni ≤ 5,0 Gew.%,

Rest Fe sowie erschmelzungsbedingten und/oder zufälligen Verunreinigungen.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Für Aktuatoren, Generatoren und/oder Elektromotoren für Luftfahrtanwendungen wird in vorteilhafter Weise eine CoFeV-Legierung eingesetzt, um eine Gewichtsreduktion der Systeme zu erreichen. Bei Stator- und Rotorblechpaketen von sog. Reluktanz-Motoren für Luftfahrtanwendungen werden neben einer hohen magnetischen Sättigung und guten weichmagnetischen Eigenschaften des Materials äußerst enge Toleranzen der Abmessungen gefordert.

Bei den hohen Drehzahlen bis zu 40.000 U/min muss vor allem der Rotor eine hohe Festigkeit aufweisen. Um auch die Verluste bei den hohen Wechselfeldfrequenzen niedrig zu halten, werden diese Pakete für den weichmagnetischen Kern des Rotors bzw. des Stators aus extrem dünnen weichmagnetischen Blechen von 500, 350 oder 150 &mgr;m oder 75 &mgr;m aufgebaut. Die Abmessungen eines Stators liegen bei dieser Ausführungsform der Erfindung bei einem Außendurchmesser von ca. 250 mm, einem Innendurchmesser von ca. 150 mm bei einer Blechdicke von 300 &mgr;m und einer Höhe von ca. 200 mm.

Dazu werden außen ca. 650 Bleche im Blechpaket für den Stator eingesetzt. Wie oben erwähnt bei den CoFeV-Legierungen nach einem magnetischen Schlussglühen oder Formieren von kaltgewalzten Bändern ein Längenwachstum von 0,2% in Bandrichtung und ein Breitenwachstum von 0,1% senkrecht zur Bandrichtung auf. Um dennoch die Maßhaltigkeit von Teilen mit engen Toleranzbereichen sicherzustellen, werden in dieser Ausführungsform der Erfindung, die Teile aus formierten Bändern hergestellt. Um die einzelnen Bleche voneinander zu isolieren, wird in dieser Ausführungsform der Erfindung ein Oxidationsglühen der Bleche nach dem Formieren angeschlossen. Wegen der geringen Blechdicken und den engen Maßtoleranzen wäre eine Einzelblechfertigung und ein anschließendes Stapeln dieser fertigen Bleche mit einem hohen Aufwand und hohen Ausfallraten verbunden. Somit wird bei dieser Durchführung des Verfahrens das Erodieren eines Paketes aus weichmagnetisch formierten und schlussgeglühten sowie oxidierten Blechen durchgeführt.

Zusammenfassend sind folgende drei Hauptschritte durchzuführen, nämlich einmal das magnetische Formieren bzw. Schlussglühen von elektrisch isolierten Blechen oder Bandabschnitten, anschließend optional das Oxidationsglühen dieser einzelnen Bleche bzw. Bandabschnitte und schließlich das Bilden eines Pakets und das Erodieren eines Rotorkerns bzw. Statorkerns aus diesem Paket. Dazu werden im einzelnen folgende Verfahrensschritte durchgeführt.

Zunächst wird als Vormaterial ein Vormaterial mit engen Toleranzforderungen an das Ausgangsband in Bezug auf seine Ellipsenform und seine Bogigkeit eingesetzt. Dabei sind die Dickentoleranzen nach der Norm EN10140C einzuhalten. Bei einer Dicke eines Bleches von 350 &mgr;m bedeutet das eine Toleranz von +/– 15 &mgr;m, bei einer Dicke von 150 &mgr;m bedeutet das eine Toleranz von +/– 8 &mgr;m und bei einer Dicke von 75 &mgr;m bedeutet das eine Toleranz von +/– 5 &mgr;m. Beim Schneiden der Bleche wird darauf geachtet, dass der Grat an den Rändern der Bleche gering gehalten wird.

Deshalb wird eine speziell entwickelte Ablängeinrichtung für einen deutlich geringeren Grat beim Ablängen der Bleche aus dem Band eingesetzt. Um die Bleche bei einem sich anschließenden Oxidationsprozess zu halten, werden in Bereichen, die nicht für den Kern des Rotors oder Stators gebraucht werden, 1–2 Löcher gestanzt, um die Bleche in der Oxidationsanlage aufzuhänge.

Das Formieren mittels Schlussglühen erfolgt zwischen ebenen Glühplatten aus Stahl oder aus Keramik. Dabei ist für die jeweilige Stapelhöhe beim Glühen eine homogene Temperaturverteilung sicherzustellen. Die Dauer des Formierens liegt bei 3 Stunden bei einer Stapeldicke von 4 cm und etwa bei 6 Stunden bei einer Stapeldicke von 7 cm. Dazu werden zur Beschwerung der Blechsplatten Glühplatten mit einer Dicke von 15 mm verwendet, die eben aufliegen und deren Ebenheit regelmäßig geprüft wird. Beim Aufstapeln der Bleche sind die einzelnen Lagen untereinander zu wenden, so dass die Richtung des jeweiligen Bogens im Stapel mehrfach wechselt.

Für eine Nachprüfung der Formatierung mittels Schlussglühens werden in jeden Stapel Stanzringe und Zugproben beigelegt, wobei die Probenmenge auch an der Anzahl der notwendigen folgenden Oxidationsglühungen bemessen wird. An den Stanzringen werden die magnetischen Eigenschaften überprüft und mit den Zugproben werden die mechanischen Grenzen ermittelt. Die Oxidation wiederum wird anschließend durchgeführt, indem die Platten einzeln und sich nicht berührend in einem Oxidationsofen aufgehängt werden und die Oxidation unter Wasserdampf oder an Luft durchgeführt wird. Dabei richten sich die Oxidationsparameter nach dem Ummagnetierungsierungsfrequenzen und nach der späteren Anforderung für das stoffschlüssige Fixieren der Blechpakete, je nachdem ob die Blechpakete zu einem Stapel zusammengeklebt oder zusammengeschweißt werden. Die Lagenisolation wird jeweils durch eine Widerstandsmessung überprüft, zumal nicht isolierte Blechbereiche im Paket zu lokalen Verlustmaxima führen können und damit eine lokale Aufheizung im Rotor oder Stator nach sich ziehen, was vermieden werden soll. Beim Stapeln zum Erodieren ist eine Versetzung der Bleche um einen 45°-Winkel von Vorteil.

Jedoch können sich durch die Ellipsenform des verwendeten Bandes mit einer größten Banddicke in der Mitte Luftspalte zwischen den Blechen am Stapelrand ergeben. Durch die 45°-Versetzung werden diese Luftspalte minimiert. Zum Erodieren wird das Blechpaket erst eingespannt, um ein Aufbiegen der Bleche während des Erosionsvorgangs zu verhindern und ein Eindringen von Isolierflüssigkeit zwischen die Bleche gering zu halten.

Nach dem Erodieren wird der entstandene weichmagnetische Kern getrocknet und anschließend trocken gelagert. Durch die Probenringe, die während des Formierens von jedem Stapel genommen werden, können die Eigenschaften des Vormaterials und die Qualität der Schlussglühung ermittelt werden, zumal eine Messung der Magneteigenschaft am fertigen Paket in der Regel nicht möglich ist. Nach dem Fertigen des Kerns wird dieser nochmals geprüft, wobei in einem Durchführungsbeispiel der Erfindung ein Stator hergestellt wurde, bei dem in den Endmaßen festgestellt werden konnte, dass der Durchmesser außen mit einem Sollwert von ca. 250 mm und einer Toleranz +0/–0,4 mm eine Istwertabweichung zwischen –3 &mgr;m bis –33 &mgr;m zeigte.

Beim Innendurchmesser, und zwar auf den Zähnen, war ein Sollwert von 180,00 + 0,1/–0 mm vorgegeben, und eine Abweichung der Istwerte zwischen +10 &mgr;m bis +15 &mgr;m konnte festgestellt werden. Der Durchmesser in den Nuten, in die ja die Wicklung eingelegt werden soll, hat einen Sollwert von 220,000 + 0,1/-0 mm und eine Abweichung der Istwerte ergab +9 &mgr;m bis +28 &mgr;m. Insbesondere die Einhaltung der Werte des Innendurchmessers und des Innendurchmessers in den Nuten ist bei einem derartigen Stator entscheident, da ein Nachschleifen der Oberfläche nur bedingt möglich ist. Hingegen können geringe Abweichungen beim Außendurchmesser durch Nachschleifen korrigiert werden.

Bei verschweissten Blechpaketen ist anschließend auch eine "Reparaturglühung" möglich, die die negativen Effekte der Verarbeitung, insbesondre eine etwaige magnetische Schädigung des Blechpakets infolge des Erodierens korrigiert. Diese "Reparaturglühung" kann mit den selben Parametern wie die magnetische Schlussglühung durchgeführt werden. Bei Blechpaketen mit keramischer Isolationsbeschichtung wird das Glühen vorzugsweise in einer Wasserstoffatmosphäre und bei Blechpaketen mit einer oxidischen Isolationsbeschichtung erfolgt das Glühen vorzugsweise unter Vakuum.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für Generatoren, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Herstellen einer Vielzahl magnetisch formierter und/oder magnetisch formierbarer Bleche einer CoFe-Legierung oder einer CoFeV-Legierung, die eine Textur aufweisen;

– Stapeln der Vielzahl von Blechen zu einem Blechpaket;

– magnetisches Formieren des Blechpakets, soweit es magnetisch formierbare Bleche aufweist;

– Strukturieren des magnetisch formierten Blechpakets bzw. des Blechpakets aus magnetisch formierten Blechen zu einem weichmagnetischen Kern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Bleckpakets zu einem weichmagnetischen Kern mittels eines Erosionsverfahrens, vorzugsweise mittels eines Drahterosionsverfahrens erfoglt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Blechpakets zu einem weichmagnetischen Kern mittels spanabhebender Bearbeitung erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Blechpakets zu einem weichmagnetischen Kern mittels Wasserstrahlschneidens erfoglt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Blechpakets zu einem weichmagnetischen Kern mittels Laserstrahlschneidens erfolt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Blechpakets zu einem weichmagnetischen Kern mittels wasserstrahlgeführten Laserstrahlschneidens erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum magnetischen Formieren ein Schlussglühen der CoFe-Legierung unter Inertgasatmosphäre oder Vakuum bei einer Formiertemperatur TF zwischen 500°C ≤ TF ≤ 940°C durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche beim Stapeln zu einem Paket unter unterschiedlichen Texturrichtungen zueinander ausgerichtet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Texturrichtungen der einzelnen Bleche in einem 45°-Winkel zueinander ausgerichtet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche vor dem Stapeln auf eine Dicke d mit 75 &mgr;m ≤ d ≤ 500 &mgr;m, vorzugsweise d ≤ 150 &mgr;m, kaltgewalzt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die magnetisch formierten Bleche vor dem Stapeln mindestens einseitig eine elektrisch isolierende Beschichtung aufgebracht wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die magnetisch formierbaren Bleche vor dem Stapeln mindestens einseitig eine keramische, elektrisch isolierende Beschichtung aufgebracht wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch formierten und/oder formierbaren Bleche vor dem Stapeln in einer oxidierenden Atmosphäre unter Bildung einer elektrisch isolierenden Metalloxidschicht oxidiert werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket aus magnetisch formierbaren Blechen vor dem magnetischen Formieren zwischen zwei Glühplatten fixiert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung von Rotor- oder Statorkernen eine Vielzahl n an weichmagnetisch formierten und/oder formierbaren Blechen von n ≥ 100 gestapelt wird. Generator mit Stator und Rotor, wobei der Stator und/oder der Rotor einen weichmagnetischen laminierten Kern aufweisen, und wobei der weichmagnetische Kern ein formstabil strukturiertes Blechpaket eines Stapels einer Vielzahl weichmagnetisch formierter Bleche einer CoFeV-Legierung, die eine Kaltwalztextur aufweisen umfasst, und wobei die Bleche in dem Blechpaket in unterschiedliche Texturrichtungen zueinander ausgerichtet sind. Generator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor des Generators mit dem laminierten Kern auf der Welle einer Flugturbine für Drehzahlen D zwischen 10.000 U/min ≤ D ≤ 60.000 U/min angeordnet ist. Generator nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Texturrichtungen der einzelnen Bleche in einem 45°-Winkel zueinander ausgerichtet sind. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche eine Dicke d mit 75 &mgr;m ≤ d ≤ 500 &mgr;m, vorzugsweise 150 &mgr;m ≤ d ≤ 350 &mgr;m aufweisen. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weichmagnetischen Bleche mindestens einseitig eine elektrisch isolierende Oxidschicht aufweisen. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch formierbaren Bleche mindestens einseitig eine keramische, elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weichmagnetische Kern des Rotors und/oder des Stators eine Vielzahl n an weichmagnetisch formierten Blechen mit n ≥ 100 aufweist. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die CoFeV-Legierung mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Zr, Ta, Nb, als weiteres Legierungselement aufweist. Generator nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet, dass

die CoFeV-Legierung aus

35,0 ≤ Co ≤ 55,0 Gew.%,

0,75 ≤ V ≤ 2,5 Gew.%,

0 ≤ (Ta + 2 × Nb) ≤ 1, 0 Gew.%,

0,3 < Zr ≤ 1,5 Gew.%,

Ni ≤ 5,0 Gew.%,

Rest Fe sowie erschmelzungsbedingten und/oder zufälligen Verunreinigungen besteht.






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