Verfahren zum Herstellen einer CoFe-Legierung für ein Blechpaket

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer CoFe-Legierung für ein Blechpaket.

Elektrische Maschinen können als Motoren oder Generatoren betrieben werden und weisen in den meisten Ausführungen einen Stator aus einem weichmagnetischen Material auf. Im Betrieb von elektrischen Maschinen unterliegen Richtung und Stärke des magnetischen Flusses im Rotor und Stator einem periodischen Wechsel. Dieses magnetische Wechselfeld induziert in kreisförmiger Richtung dazu, also auch in Richtung der Längsachse des Rotors und Stators, Wirbelströme, welche einen Teil der dem System zugeführten Energie als Wärme dissipieren, sodass dieser Teil keinen Beitrag zur Verrichtung mechanischer Arbeit mehr leistet. Um Wirbelströme und die damit verbundenen Verluste gering zu halten, ist ein hoher elektrischer Widerstand von Rotor und Stator in axialer Richtung (Richtung der Längsachse des Rotors und Stators) erstrebenswert. Erreicht wird dies typischerweise durch einen geschichteten Aufbau.

Der Rotor und/oder der Stator einer elektrischen Maschine können eine Vielzahl identischer Einzelbleche (auch „Lamellen“ oder „Lagen“ genannt) aufweisen, die aufeinandergestapelt und dabei gegeneinander elektrisch isoliert werden. Man bezeichnet einen solchen Aufbau als Blechpaket (auch „Paket“, engl.: „stack“). Dabei sind die Wirbelstromverluste proportional zum Quadrat der Blechdicke der Einzellagen. Folglich: Je dünner die Lagen, desto niedriger die Wirbelstromverluste und desto höher der Wirkungsgrad.

Es ist wünschenswert, dass der Stator und der Rotor eine hohe Leistungsdichte haben, damit die elektrische Maschine ein kleines Bauvolumen und eine hohe Leistung hat. Der Füllfaktor eines Blechpakets beschreibt den Anteil magnetisch leitfähigen Materials innerhalb des Blechpakets, der sich aus dem Gesamtvolumen abzüglich des Volumens von Isolationsschichten, Klebeschichten, Luftspalten und anderen magnetisch schlecht leitenden Schichten ergibt. Vom Füllfaktor hängt u.a. die mit dem Antrieb erzielbare Leistungs- und Drehmomentdichte ab, so dass ein hoher Füllfaktor wünschenswert ist.

Ferner ist eine hohe magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität) des Materials sowie das Vermögen, eine möglichst große Flussdichte (Induktion) zu tragen, von Vorteil, um die Leistung des Stators zu erhöhen. Bei Anwendungen, in denen eine möglichst hohe Leistungsdichte notwendig oder gewünscht ist, werden Kobalt-Eisen (CoFe) - Legierungen verwendet. Kommerziell verfügbare CoFe-Legierungen weisen typischerweise eine Zusammensetzung von 49 Gewichts-% Fe, 49 Gewichts-% Co und 2 Gewichts-% V auf.

Aufgabe besteht somit darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein Blechpaket mit einer hohen Leistungsdichte hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird in einem ersten Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Herstellen einer CoFe-Legierung für ein Blechpaket bereitgestellt. Ein Stapel aus einer Vielzahl von Blechen aus einer CoFe-Legierung mit 5 bis 55 Gewichts-% Co wird bereitgestellt. Der Stapel wird in einer Schlussglühung bei einer Temperatur T1 in einem Hintergrundmagnetfeld für eine Haltezeit t1 wärmebehandelt, wobei T1 zwischen 700°C und 960°C, vorzugsweise 720°C bis 950°C, vorzugsweise 760°C bis 920°C liegt. Danach wird der Stapel auf eine Temperatur kleiner als 300°C, vorzugsweise kleiner als 200°C abgekühlt. Danach wird der Stapel in einer Magnetfeldglühung zumindest zeitweise in einem extern angelegten Magnetfeld bei einer Temperatur T2 für eine Haltezeit t2 wärmebehandelt, wobei T2 zwischen 500°C und T1 , vorzugsweise zwischen 650°C und T1 , vorzugsweise zwischen 700°C und T 1 , liegt und danach auf eine Temperatur kleiner als 300°C, vorzugsweise kleiner als 200°C abgekühlt. Das extern angelegte Magnetfeld ist größer als das Hintergrundmagnetfeld.

Auch wenn kein Magnetfeld gezielt angelegt wird, ist ein Hintergrundmagnetfeld vorhanden, da die Erde selbst ein Magnetfeld mit einer Feldstärke von ungefähr 0,05 mT erzeugt. Ferner können Störmagnetfelder vorhanden sein, die beispielweise durch die elektrisch leitenden Heizelemente eines Ofens erzeugt sind. Gleichzeitig kann eine metallische Haube, die den Stapel abdeckt, als Abschirmung dienen. Folglich entsteht einen Hintergrundmagnetfeld, dessen Wert aus diesen und weiteren Faktoren gebildet wird. Das Hintergrundmagnetfeld beträgt höchstens 1 kA/m, vorzugsweise kleiner als 0,5 kA/m, vorzugsweise kleiner als 0,1 kA/m.

In der Magnetfeldglühung wird ein weiteres Magnetfeld zusätzlich zu dem Hintergrundmagnetfeld aktiv angelegt, so dass das Gesamtmagnetfeld in der Magnetfeldglühung größer ist als das Hintergrundmagnetfeld, das inhärent in der Schlussglühung vorhanden ist. Das externe Magnetfeld, das aktiv angelegt wird, ist somit größer als 0,1 kA/m. In manchen Ausführungsbeispielen wird das externe Magnetfeld so eingestellt, dass in dem zu glühenden weichmagnetischen Material eine Feldstärke größer 0,5 A/cm, bevorzugt größer als 1 A/cm, besonders bevorzugt größer als 3 A/cm vorliegt.

Durch die Wärmebehandlung bei erhöhten Temperaturen in einem extern angelegten Magnetfeld werden Bleche bzw. ein Blechpaket aus einer CoFe-Legierung mit verbesserten weichmagnetischen Eigenschaften bereitgestellt.

Die Bleche weisen jeweils eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche auf, die gegenüber der ersten Hauptoberfläche liegt. Die erste Hauptoberfläche eines ersten Blechs kann auf die zweite Hauptoberfläche eines zweiten Blechs in einer Stapelrichtung, die senkrecht zu der ersten Hauptoberfläche liegt, gestapelt werden, um den Stapel zu bilden. In manchen Ausführungsbeispielen sind die Bleche lose im Stapel. Nach der Magnetfeldglühung werden die Bleche zu einem Blechpaket verarbeitet. In anderen Ausführungsbeispielen sind die Bleche des Stapels miteinander befestigt, beispielsweise mit einem oder mehreren Schweißnähten oder -punkten und bilden ein Blechpaket. Das Blechpaket wird der Schlussglühung und danach einer getrennten Magnetfeldglühung unterzogen.

Die CoFe-Legierung weist zwischen 5 und 55 Gewichts-% Co auf. Die CoFe- Legierung kann eine 50%-CoFe-Legierung sein, deren Grundzusammensetzung durch ca. 49 Gewichts-% Co, ca. 49 Gewichts-% Fe und ca. 2 Gewichts-% V gegeben ist. Bekannte Handelsnamen sind VACOFLUX 48, VACOFLUX 50, VACODUR 50, VACODUR 49, VACODUR S Plus, HIPERCO 50, HIPERCO 50A, HIPERCO 50HS AFK 502 und AFK 502R. Neben den Hauptlegierungselementen Co, Fe und V sind in diesen kommerziell erhältlichen Legierungen teilweise kornfeinende Zusätze wie z.B. Nb, Ta, Zr enthalten, welche das Kornwachstum begrenzen und so erhöhte Festigkeiten ermöglichen.

CoFe-Legierungen werden einer so genannten Schlussglühung unterzogen, um die weichmagnetischen Eigenschaften zu verbessern. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei diesen CoFe-Legierungen diese weichmagnetischen Eigenschaften in der Blechebene weitestgehend isotrop sind und dass die weichmagnetischen Eigenschaften zur Anwendung in elektrischen Maschinen noch verbessert werden könnten, wenn eine magnetisch bevorzugte Richtung erzeugt werden könnte.

Die Bleche des Stapels oder des Blechpakets können einen Vollschnitt eines Stators oder einen Teil eines Stators wie einen Statorring oder Einzelzähne aufweisen. Der Stapel oder das Blechpaket kann die Gestalt eines Stators oder ein Segment eines Stators aufweisen, wie einen lateralen Teil, d.h. Bausteine, die aufeinander gestapelt werden, um den Teil eines Stators zu bilden, oder einen Teil eines Stators wie einen Statorring oder Einzelzähne (einen sogenannten T-Zahn), oder aus einem Statorring mit in den Statorring eingefügten Einzelzähnen aufweisen.

Für die Fertigung von Blechpaketen wäre es wünschenswert, wenn die jeweiligen Einzelteile in der Richtung ihrer magnetischen Beanspruchung verbesserte weichmagnetische Eigenschaften wie z.B. eine erhöhte Permeabilität aufweisen würden. Im Fall der Einzelzähne wäre das die radiale Richtung, d.h. die Längsachse des Zahns, welche in der Anwendung zur Mitte des Blechpakets weist. Im Fall eines Statorrings wäre das für den Ring die Umfangsrichtung.

Die Einzelsegmente eines Motor- oder Generatorblechpaketes sollten also idealerweise so gefertigt werden, dass in Richtung ihrer magnetischen Hauptbeanspruchung verbesserte Eigenschaften wie z.B. eine erhöhte Permeabilität und damit ein verminderter magnetischer Widerstand vorhanden sind. Verbesserte Eigenschaften sind dabei im Vergleich zu einem isotropen Blech zu sehen. Erfindungsgemäß werden diese anisotropisch weichmagnetischen Eigenschaften durch geeignete Magnetfeldglühungen erreicht, wobei diese verbesserten magnetischen Eigenschaften in der gewünschten Richtung erzeugt werden können.

In manchen Ausführungsbeispielen weist nach der Magnetfeldglühung die CoFe- Legierung ein Remanenzverhältnis Br/Bs von größer oder gleich 0,8 mit einer Remanenz Br und einer magnetischen Sättigung Bs gemessen bei 160 A/cm und/oder eine Maximalpermeabilität p _ma x von über 25.000, bevorzugt über 30.000, besonders bevorzugt über 40.000, auf.

Es kann zwischen zwei Arten der technischen Realisierung von Magnetfeldglühungen unterschieden werden. Liegt das Magnetfeld parallel zur späteren Richtung der Flussdichte im Bauteil, so spricht man von einem magnetischen Längsfeld. Bei sogenannten Längsfeldglühungen kann die Vorgabe des Magnetfeldes durch stromführende Leitungen im Glühofen erfolgen. Wird in einem Magnetfeldofen durch Spulensysteme ein äußeres uniaxiales Feld aufgebracht, welches parallel zur späteren Richtung der Flussdichte im Bauteil der darin geglühten Teile liegt, so kann man auch hier von einer Längsfeldglühung sprechen.

Eine Längsfeldglühung unterscheidet sich von einer sogenannten Querfeldglühung, bei der zum Beispiel Ringbandkerne auf einer Stange aufgefädelt sind und das Magnetfeld in axialer Ringrichtung bzw. quer zur Bandrichtung der Ringbandkerne liegt. Diese Anordnung kann verwendet werden, Ringbandkerne mit einer flachen, linearen „F“-Schleife zu erzeugen.

Für den Fall der Glühung eines kompletten Stators in Gestalt eines Stapels von losen Blechen oder eines Blechpakets kann die gewünschte Vorzugsrichtung durch eine geeignete Glühung in einem magnetischen Längsfeld erzeugt werden, d.h. das äußere Feld wird durch die Bestromung senkrecht zur Blechebene verlaufender elektrischer Leiter erzeugt, die ein Magnetfeld parallel zur späteren magnetischen Beanspruchungsrichtung der Teile, d.h. die Hauptoberfläche des Blechs, erzeugen. Für den Fall der Glühung einzelner Statorsegmente kann dagegen ein externes Magnetfeld verwendet werden, dessen Quelle außerhalb des Glühraums des Ofens angeordnet ist. Beispielweise kann die Quelle ein Spulensystem sein, das in der Wand oder außerhalb der Wand eines Ofens angeordnet ist. Die Magnetfeldquelle und/oder das Segment bzw. die Segmente werden derart orientiert, dass die Umfangsrichtung der Statorsegmente möglichst parallel zum Verlauf des angelegten Magnetfeldes angeordnet ist. In diesem Fall gibt es keine ideal eingetemperte Vorzugsrichtung, da sie nicht nahezu parallel zur Umfangsrichtung verlaufen kann. Trotzdem wird aber eine Verbesserung der Eigenschaften im Vergleich zu einem isotropen Blech erreicht.

Für den Fall der Glühung einzelner Statorsegmente können die Statorsegmente schon vor der Glühung zu einem Statorring zusammengesetzt und dann der so gefügte komplette Statorring einer Glühung im Längsfeld unterzogen werden, um so die gewünschte Vorzugsrichtung entlang des Umfangs zu erreichen.

Für den Fall der getrennten Fertigung von Statorring und Einzelzähnen eines Stators kann für den Statorring eine Längsfeldglühung verwendet werden, bei der das notwendige magnetische Längsfeld durch stromführende Leiter erzeugt wird. Die Einzelzähne können in diesem Fall in einem äußeren Magnetfeld geglüht werden.

Bei der Magnetfeldglühng von Statorsegmenten im äußeren Magnetfeld können ein oder mehrere Flussleitstücke verwendet werden. Das Flussleitstück bzw. die Flussleitstücke werden so angeordnet, dass der durch die Flussleitstücke in das Statorsegment eingeprägte Fluss möglichst weitgehend der Flussrichtung im aus den Einzelsegmenten zusammengesetzten Stator in der späteren Motoranwendung entspricht.

In der Magnetfeldglühung kann das externe Magnetfeld nur teilweise bzw. zeitweise oder über die ganze Dauer der Wärmebehandlung angelegt werden.

In einem ersten Verfahren wird die Magnetfeldglühung in einem getrennten Verfahren nach der normalen Schlussglühung, die dazu dient, das Gefüge in der Abkühlphase einzustellen, durchgeführt. Beispielweise kann die Schlussglühung in einem herkömmlichen Ofen ohne Magnetfeldquelle durchgeführt werden und der Stapel in einen weiteren Ofen transportiert werden, der mit einer Magnetfeldquelle ausgestattet ist.

Die Schlussglühung wird typischerweise bei Temperaturen T1 von über 700°C oder größer als 720°C, bevorzugt zwischen 750°C und 960°C durchgeführt. Die maximal mögliche Schlussglühtemperatur wird durch die Temperatur, bei der der Phasenübergang a/a+y stattfindet, beschränkt. Nur durch eine Glühung im ferntischen a-Bereich werden die guten weichmagnetischen Eigenschaften eingestellt. Die Temperatur T1 kann somit zwischen 700°C und T _a /a+ _Y liegen. Die Temperatur, bei der der Phasenübergang a/a+y stattfindet, ist von der Zusammensetzung der CoFe-Legierung abhängig. Die Haltezeit t1 der Schlussglühung kann zum Beispiel zwischen 0,5 und 10 Stunden liegen. Die Abkühlrate der Abkühlung von T1 kann zwischen 10 K/h und 1000 K/h, bevorzugt zwischen 30 K/h und 300 K/h liegen. In der Magnetfeldglühung wird eine maximale Temperatur verwendet, die unterhalb der Temperatur der Schlussglühung liegt.

In manchen Ausführungsbeispielen wird das externe Magnetfeld nur während der Abkühlung der Magnetfeldglühung auf einer Temperatur kleiner als 300°C, vorzugsweise kleiner als 200°C, angelegt. Das externe Magnetfeld ist somit während des Aufheizens und während der Haltezeit t2 der Magnetfeldglühung nicht angelegt.

In manchen Ausführungsbeispielen wird das externe Magnetfeld während der Haltezeit t2 und während der anschließenden Abkühlung auf einer Temperatur kleiner als 300°C, vorzugsweise kleiner als 200°C, angelegt. Das Magnetfeld kann über die Gesamthaltezeit t2 und gesamte Abkühlung von T2 auf einer Temperatur kleiner als 300°C, vorzugsweise kleiner als 200°C, angelegt werden.

In manchen Ausführungsbeispielen wird das externe Magnetfeld während weniger als 50% der Haltezeit t2 und während der anschließenden gesamten Abkühlung auf einer Temperatur kleiner als 300°C, vorzugsweise kleiner als 200°C, angelegt. In manchen Ausführungsbeispielen wird das Magnetfeld erst in der zweiten Hälfte der Haltezeit t2 und während der anschließenden gesamten Abkühlung auf einer Temperatur kleiner als 300°C, vorzugsweise kleiner als 200°C, angelegt.

Die Haltezeit t2 der Magnetfeldglühung kann zwischen 1 Minute und 10 Stunden liegen. Die Abkühlrate der Abkühlung von T2 kann zwischen 10 K/h und 1000 K/h, bevorzugt zwischen 30 K/h und 300 K/h, liegen.

Die Schlussglühung und die Magnetfeldglühung können getrennt durchgeführt werden. Beispielweise werden in manchen Ausführungsbeispielen die Schlussglühung und die Magnetfeldglühung in unterschiedlichen Öfen durchgeführt.

Die Schlussglühung kann unter einer Schutzgasatmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre und/oder die Magnetfeldglühung im Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Bei einem zweistufigen Verfahren mit getrennten Schluss- und Magnetfeldglühungen kann die Atmosphäre in der Schlussglühung und Magnetfeldglühung unterschiedlich sein. Als Schutzatmosphäre kann reiner Stickstoff oder Argon verwendet werden. Für eine reduzierende Atmosphäre kann eine wasserstoffhaltige Atmosphäre verwendet werden. Die wasserstoffhaltige Atmosphäre kann reiner Wasserstoff oder Stickstoff und/oder Argon mit Beimischung von Wasserstoff sein. In einem Ausführungsbeispiel ist die Schutzgasatmosphäre oder reduzierende Atmosphäre trocken. In manchen Ausführungsbeispielen weist die wasserstoffhaltige Atmosphäre einen Ausgangstaupunkt von weniger als -40°C auf.

In einem alternativen Verfahren wird die Magnetfeldglühung in die Schlussglühung integriert, sodass der Stapel nicht zunächst von T 1 auf einer Temperatur kleiner als 300°C abgekühlt und dann danach wieder auf eine Temperatur T2 aufgeheizt wird. Insbesondere wird das externe Magnetfeld zumindest zeitweise während der Abkühlung des Stapels von der Haltetemperatur T1 der Schlussglühung angelegt, wobei das Aufheizen und die Haltezeit t1 im Hintergrundmagnetfeld durchgeführt werden. In dem alternativen Verfahren zum Herstellen eines Blechpakets wird ein Stapel aus einer Vielzahl von Blechen aus einer CoFe-Legierung mit 5 bis 55 Gewichts-% Co bereitgestellt. Der Stapel wird in einer Schlussglühung bei einer Temperatur T1 im Hintergrundmagnetfeld für eine Haltezeit t1 , wobei T 1 zwischen 700°C und 960°C, vorzugsweise 720°C bis 950°C, vorzugsweise 760°C bis 920°C liegt, gefolgt von einer Abkühlung auf eine Temperatur kleiner als 200°C, wärmebehandelt. Zumindest während der Abkühlung wird ein externes Magnetfeld angelegt, wobei das externe Magnetfeld größer als das Hintergrundmagnetfeld ist.

Die Schlussglühung kann unter einer Schutzgasatmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden. Die Schutzgasatmosphäre kann reiner Stickstoff oder Argon sein. Für eine reduzierende Atmosphäre kann eine wasserstoffhaltige Atmosphäre verwendet werden. Die wasserstoffhaltige Atmosphäre kann reinen Wasserstoff oder Stickstoff und/oder Argon mit Beimischung von Wasserstoff sein. In einem Ausführungsbeispiel kann die Schutzgasatmosphäre oder reduzierende Atmosphäre trocken sein. In manchen Ausführungsbeispielen weist die wasserstoffhaltige Atmosphäre einen Ausgangstaupunkt von weniger als -40°C auf.

In beiden Verfahren, d.h. einstufig und zweistufig, kann die Haltezeit t1 zwischen 0,5 und 10 Stunden betragen und/oder Abkühlraten zwischen 10 K/h und 1000 K/h, bevorzugt zwischen 30 K/h und 300 K/h während der Abkühlung verwendet werden.

In manchen Ausführungsbeispielen wird das externe Magnetfeld in Bezug auf den Stapel so angelegt, dass eine magnetische Vorzugsrichtung in den Blechen erzeugt wird. Beispielsweise kann das externe Magnetfeld ungefähr parallel zu den Hauptoberflächen der Bleche verlaufen. In manchen Ausführungsbeispielen verläuft das externe Magnetfeld ungefähr parallel zu der gewünschten Vorzugsrichtung.

Die Quelle des externen Magnetfelds, das gezielt angelegt werden kann, kann innerhalb des Glühraums des Ofens angeordnet werden. In manchen Ausführungsbeispielen wird zumindest ein Leiter, beispielsweise ein elektrisch leitender Draht oder ein Kabel, durch den ein Strom fließen kann, um den Stapel herum angeordnet. Beispielsweise kann der Draht um den Stapel gewickelt werden, wobei mehrere Wicklungen verwendet werden können, um die Magnetfeldstärke zu erhöhen. Zum Anlegen des externen Magnetfelds wird eine Spannung an dem Leiter angelegt, wodurch Strom durch den Leiter fließt und ein Magnetfeld um den Leiter herum erzeugt. Das so erzeugte Magnetfeld fließt somit durch den Stapel, da der Leiter um den Stapel herum angeordnet ist. Zum Ausschalten des Magnetfelds wird die Spannung vom Leiter entfernt, sodass kein Magnetfeld mehr erzeugt ist. Typischerweise werden mehrere Leiter oder mehrere Wicklungen eines oder mehrerer Leiter verwendet. Diese Anordnung kann bei ringförmigen Gegenständen wie einem Statorring oder einem zylinderförmigen Stator verwendet werden, wobei der Leiter in der zentralen Öffnung angeordnet und um die Außenseite des ringförmigen Gegenstands gewickelt wird.

In manchen Ausführungsbeispielen hat der Leiter die Form von Kupferstäben, die am oberen und unteren Teil des Glühgestells miteinander verbunden werden und somit einen elektrischen Kreis bilden, der das zu glühende Teil wie eine Wicklung umschließt.

Der Strom, der durch den Leiter fließt, kann eingestellt werden, um das gewünschte Magnetfeld zu erzeugen. In manchen Ausführungsbeispielen beträgt der Strom je Leiter größer 5 A, vorzugsweise größer 50 A, vorzugsweise größer 100 A.

In manchen Ausführungsbeispielen wird die Magnetfeldglühung in einem Magnetfeldofen durchgeführt, der ein Anregungsmagnetfeld von größer als 50 kA/m, vorzugsweise größer als 100 kA/m, vorzugsweise zwischen 100 kA/m und 300 kA/m, aufweist. In einem Magnetfeldofen werden typischerweise die Leiter zum Erzeugen des Magnetfelds außerhalb des Glühraums bzw. in den Wänden des Glühraums angeordnet.

In manchen Ausführungsbeispielen wird das externe Magnetfeld so eingestellt, dass in der CoFe-Legierung eine Feldstärke größer 0,5 A/cm, bevorzugt größer als 1 A/cm, besonders bevorzugt größer als 3 A/cm vorliegt.

In manchen Ausführungsbeispielen wird zum Verstärken des Magnetfelds in den Blechen zumindest ein Flussleitstück am Stapel und/oder auf dem Stapel und/oder unter dem Stapel angeordnet. Das Flussleitstück kann eine weichmagnetische Legierung, beispielsweise eine CoFe-Legierung, aufweisen.

In manchen Ausführungsbeispielen ist das Flussstück mit den Blechen und dem Stapel nicht integriert, sondern als ein getrenntes Teil ausgebildet, sodass ein Luftspalt dazwischen gebildet wird. Es wird angestrebt, dass der Luftspalt möglichst klein ist, damit die Wirkung des Flussstückes effektiver ist. In manchen Ausführungsbeispielen beträgt der Luftspalt höchstens 0,1 mm, bevorzugt höchstens 0,05 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,01 mm.

In manchen Ausführungsbeispielen sind die Bleche lose im Stapel und werden nach der Magnetfeldglühung zu einem Blechpaket befestigt. In manchen Ausführungsbeispielen werden die Bleche des Stapels zu einem Blechpaket befestigt und das Blechpaket der Schlussglühung und der nachfolgenden Magnetfeldglühung, wenn ein getrenntes Verfahren für die Magnetfeldglühung verwendet wird, unterzogen.

In manchen Ausführungsbeispielen wird ein Rückschlussring bereitgestellt, der zusammen mit dem Stapel bzw. Blechpaket einen magnetischen Kreis bildet. Dadurch wird das Magnetfeld im Stapel bzw. Blechpaket erhöht. In manchen Ausführungsbeispielen ist der Rückschlussring ein Teil des jeweiligen Blechs bzw. Blechpakets, der nach der Magnetfeldglühung entfernt wird. Der Rückschlussring kann mittels Laserschneidens oder Erodierens entfernt werden.

In manchen Ausführungsbeispielen weist das Blechpaket die Gestalt eines Stators mit einem Statorring und Statorzähnen auf. In diesen Ausführungsbeispielen weist der Rückschluss die Form eines inneren Rückschlussrings auf, der sich zwischen den inneren Enden der Statorzähne erstreckt.

In manchen Ausführungsbeispielen weist der innere Rückschlussring eine Breite auf, die mindestens halb so groß ist wie die Breite der Statorzähne.

In manchen Ausführungsbeispielen ist der Rückschluss nicht in das Blechpaket nicht integriert, sondern ein getrenntes Teil, sodass ein Luftspalt zwischen dem Blechpaket und dem Rückschluss gebildet wird. Es wird angestrebt, dass der Luftspalt möglichst klein ist, damit die Wirkung des Rückschlusses effektiver ist. In manchen Ausführungsbeispielen beträgt der Luftspalt höchstens 0,1 mm, bevorzugt höchstens 0,05 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,01 mm.

Das Blechpaket kann zum Beispiel eine Ringform oder eine längliche Form aufweisen. Beispielsweise kann ein ringförmiges Blechpaket ein Statorring und ein längliches Blechpaket ein Statorzahn sein. Das Blechpaket kann somit ein Segment eines Stators sein.

In manchen Ausführungsbeispielen wird nach der Magnetfeldglühung das Blechpaket aus mehreren Teilen bzw. Segmenten zusammengesetzt.

In manchen Ausführungsbeispielen wird das Blechpaket vor der Schlussglühung in Teile segmentiert und die Teile werden in der Schlussglühung und in der Magnetfeldglühung im extern angelegten Magnetfeld wärmebehandelt. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die Teile unterschiedlichen Magnetfeldglühungen unterzogen werden können. Somit kann zum Beispiel das Magnetfeld parallel zu der Länge der Statorzähne in einer Magnetfeldglühung und parallel zu der Umfangsrichtung des Statorrings in einer weiteren Magnetfeldglühung ausgerichtet werden. Die magnetischen Eigenschaften der Teile können somit getrennt optimiert werden. Ferner kann die Schlussglühung auch dazu dienen, Beschädigungen, die vom Segmentieren verursacht sind, zu heilen.

Alternativ wird in manchen Ausführungsbeispielen erst nach der Schlussglühung das Blechpaket in Teile segmentiert und die Teile werden in der Magnetfeldglühung im extern angelegten Magnetfeld wärmebehandelt. Dieses Verfahren ermöglicht auch, dass die magnetischen Eigenschaften der Teile gezielt und getrennt optimiert werden können.

In manchen Ausführungsbeispielen werden die Teile zusammen mit Flussleitstücken in der Magnetfeldglühung im extern angelegten Magnetfeld wärmebehandelt. In manchen Ausführungsbeispielen ist das Flussstück mit den Blechen bzw. dem Stapel nicht integriert, sondern ein getrenntes Teil, sodass ein Luftspalt dazwischen gebildet wird. Es wird angestrebt, dass der Luftspalt möglichst klein ist, damit die Wirkung des Flussstückes effektiver ist. In manchen Ausführungsbeispielen beträgt der Luftspalt höchstens 0,1 mm, bevorzugt höchstens 0,05 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,01 mm.

In manchen Ausführungsbeispielen sind die Bleche im Stapel lose vorhanden. Bei einem losen Stapel kann auch ein integrierter Rückschluss bereitgestellt werden, der Teil der jeweiligen Bleche ist. In manchen Ausführungsbeispielen weisen die jeweiligen Bleche die Gestalt eines Stators mit einem Statorring und Statorzähnen auf. In diesen Ausführungsbeispielen können die Bleche den Rückschluss in Form eines inneren Rückschlussrings haben, der sich zwischen den inneren Enden der Statorzähne erstreckt. In manchen Ausführungsbeispielen weist der innere Rückschlussring der jeweiligen Bleche eine Breite auf, die mindestens halb so groß ist wie die Breite der Statorzähne. In manchen Ausführungsbeispielen ist der Rückschlussring ein Teil des Blechs, der nach der Magnetfeldglühung entfernt wird. Der Rückschlussring kann mittels Laserschneidens oder Erodierens oder Stanzens entfernt werden.

In manchen Ausführungsbeispielen ist der Rückschluss ein getrenntes Teil, das an, auf oder unter dem Stapel angeordnet ist. Ein Luftspalt wird typischerweise zwischen dem Stapel und dem Rückschluss gebildet, der so klein wie möglich gehalten werden sollte. In manchen Ausführungsbeispielen beträgt der Luftspalt höchstens 0,1 mm, bevorzugt höchstens 0,05 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,01 mm.

In manchen Ausführungsbeispielen weisen die jeweiligen Bleche eine Ringform oder eine längliche Form auf. Beispielsweise kann ein ringförmiges Blech die Gestalt eines Statorrings und ein längliches Blech die Gestalt eines Statorzahns haben. Das Blech kann somit Teil eines Segments eines Stators sein.

In manchen Ausführungsbeispielen werden nach der Magnetfeldglühung und eventuellem Entfernen des Rückschlussrings die Bleche miteinander zu einem Blechpaket zusammengesetzt und befestigt. Dies kann mittels Klebens und/oder Schweißens durchgeführt werden. Die CoFe-Legierung kann verschiedene Zusammensetzungen aufweisen. In manchen Ausführungsbeispielen kann die CoFe-Legierung eine kommerzielle erhältliche Legierung wie HIPERCO oder PERMENDUR sein. In manchen Ausführungsbeispielen weist die CoFe-Legierung

35 bis 55 Gewichts-% Co und bis zu 2,5 Gewichts-% V, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, oder

45 Gewichts-% < Co < 52 Gewichts-%, 45 Gewichts-% < Fe < 52 Gewichts-%, 0,5 Gewichts-% < V < 2,5 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, oder

35 Gewichts-% < Co < 55 Gewichts-%, vorzugsweise 45 Gewichts-% < Co < 52 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Ni < 0,5 Gewichts-%, 0,5 Gewichts-% < V < 2,5 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, oder

35 Gewichts-% < Co < 55 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < V < 2,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < (Ta + 2Nb) < 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Zr < 1 ,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Ni < 5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < C < 0,5 Gewichts-%, 0 Gewichts- % < Cr < 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Mn < 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Si < 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < AI < 1 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < B < 0,01 Gewichts- %, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, oder

5 bis 25 Gewichts-% Co, 0,3 bis 5,0 Gewichts-% V, 0 Gewichts-% < Si < 3 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Cr < 3 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Mn < 3 Gewichts- %, 0 Gewichts-% < AI < 3 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, oder

47 Gewichts-% < Co < 50 Gewichts-%, 1 Gewichts-% < V < 3 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Ni < 0,2 Gewichts-%, 0,08 Gewichts-% < Nb < 0,12 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < C < 0,007 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Mn < 0,5 Gewichts-%, 0 Gewichts-% < Si < 0,1 Gewichts-%, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen auf.

Die Bleche können mit metallurgischen Verfahren hergestellt werden. In manchen Ausführungsbeispielen wird eine Schmelze aus der FeCo-Legierung mit der gewünschten Zusammensetzung bereitgestellt und unter Vakuum gegossen, um nach anschließendem Erstarren einen Gussblock zu formen. Der Gussblock wird zu der Bramme und die Bramme zu einem Warmwalzband warmgewalzt, gefolgt vom Abschrecken des Warmwalzbandes von einer Temperatur oberhalb 700°C auf eine Temperatur kleiner 200°C. Das abgekühlte Warmwalzband wird zu einem kaltgewalzten Band kaltgewalzt und die Bleche aus dem kaltgewalzten Band geformt. Die Bleche können somit vor der Schlussglühung eine Kaltwalztextur aufweisen.

Die Bleche können mittels zum Beispiel Schneidens, Stanzens, Laserscheidens, Erodierens oder Ablängens aus dem Band geformt werden. Die Bleche können eine Dicke db aufweisen, wobei 0,01 mm < db < 0,35 mm, vorzugsweise, 0,01 mm < db < 0,2 mm, vorzugsweise 0,01 mm < db < 0,1 mm, vorzugsweise 0,01 mm < db < 0,06 mm ist.

In manchen Ausführungsbeispielen werden die Bleche mit einer Lösung mit Mg- enthaltendem Methylat oder Mg-enthaltendem Propylat oder Zr-enthaltendem Methylat oder Zr-enthaltendem Propylat oder mit einer Böhmit-enthaltenden Suspension beschichtet, die sich während der Wärmebehandlung zu MgO bzw. ZrÜ2 bzw. AI2O3 umwandeln. Typischerweise wird das Band, aus dem die Bleche geformt werden, mit der Lösung beschichtet und die Bleche werden mit der Beschichtung aus dem beschichten Band geformt. Die Beschichtung kann eine Dicke d _s aufweisen, wobei 0,01 pm < d _s 1 pm, 0,01 pm < d _s 1 pm, vorzugsweise, 0,01 pm < d _s 0,5 pm, vorzugsweise 0,01 pm < d _s 0,2 pm ist. Im Fall der AI2O3 haltigen Beschichtung kann die Dicke d _s auch größer sein, wobei 0,1 pm < d _s 6 pm, vorzugsweise 0,5 pm < d _s 4 pm.

In manchen Ausführungsbeispielen werden die Bleche mit einer Böhmit-enthaltenden Suspension beschichtet, die sich während der Wärmebehandlung zu AI2O3 umwandelt.

Ausführungsbeispiele und Beispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Stapels von Blechen, die jeweils die Form eines Stators aufweisen. Figur 2 zeigt Diagramme von drei Wärmebehandlungen.

Figur 3 zeigt eine Darstellung eines Aufbaus zur Wärmebehandlung eines Stapels im magnetischen Längsfeld.

Figur 4 zeigt eine Hystereseschleife für ein Vergleichsbeispiel, die im Hintergrundmagnetfeld schlussgeglüht wird, und für ein erfindungsgemäßes Beispiel, bei dem ein Magnetfeld während der Abkühlphase der Schlussglühung angelegt wird.

Figur 5 zeigt ein Diagramm von gemessenen Permeabilitäten für Bleche, die in unterschiedliche Längsmagnetfelder schlussgeglüht werden und für Vergleichsbleche, die ohne zusätzliches angelegtes Magnetfeld schlussgeglüht werden.

Figur 6 zeigt einen Graph des Verlaufs der Maximalpermeabilitäten und Koerzitivfeldstärken in Abhängigkeit vom Längsfeld.

Figur 7 zeigt einen Graph des Verlaufs der Induktion B3 bei einer Feldstärke 3 A/cm, der Remanenz Br und des Remanenzverhältnisses Br/Bs in Abhängigkeit vom Längsfeld.

Figur 8 zeigt einen Graph des Remanenzverhältnisses Br/B160 für Beispiele, die in unterschiedlichen Magnetfeldern abgekühlt werden.

Figur 9 zeigt die magnetischen Eigenschaften He, B3, pmax und Br nach einer Nachglühung.

Figur 10 zeigt einen Graph des Abfalls von pmax und Br/B3 nach einer Nachglühung bei verschiedenen Temperaturen.

Figur 11 zeigt einen Graph der Permeabilitäten der Glühungen mit Magnetfeld und deren Referenz ohne Magnetfeld. Figur 12A zeigt eine Darstellung eines Stators mit einem Rückschlussring.

Figur 12B zeigt eine weitere Darstellung des Stators mit dem Rückschlussring.

Figur 12C zeigt eine Darstellung des Stators nach dem Entfernen des

Rückschlussrings.

Figur 12D zeigt eine Darstellung eines Stators mit einem getrennten Flussleiter.

Figur 13 zeigt einen Statorzahn mit einem Flussleiter.

Figur 14 zeigt die Verteilung der Flussdichte im Statorzahn mit und ohne Flussleiter.

Figur 15 zeigt verschiedene Fertigungswege, mit denen ein Blechpaket oder ein Teil eines Blechpakets hergestellt werden kann.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stapels 10 aus einer Vielzahl von Blechen 11 , die eine weichmagnetische CoFe-Legierung aufweisen. Die Co-Fe- Legierung kann zwischen 5 und 55 Gewichts-% Kobalt aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel weist die CoFe-Legierung ca. 49 Gewichts-% Co, ca. 49 Gewichts-% Fe und ca. 2 Gewichts-% V auf. Neben den Hauptlegierungselementen Co, Fe und V sind in diesen kommerziell erhältlichen Legierungen teilweise kornfeinende Zusätze wie z.B. Nb, Ta, Zr enthalten, welche das Kornwachstum begrenzen und so erhöhte Festigkeiten ermöglichen. Als CoFe-Legierung kann eine CoFe-Legierung mit einem der Handelsnamen VACOFLUX 48, VACOFLUX 50, VACODUR 50, VACODUR 49, VACODUR S Plus, HIPERCO 50, HIPERCO 50A, HIPERCO 50HS, AFK 502 und AFK 502R verwendet werden.

In der Ausführungsform der Figur 1 weisen die jeweiligen Bleche die Form eines Stators 12 mit einem Statorring 13 und mehrere Statorzähne 14 auf, die sich von der Innenseite des Statorrings 13 in der Richtung der Achse 15 des Stators erstrecken. In anderen Ausführungsformen können die Bleche 11 eine rechteckige oder quadratische Form haben, oder die Form eines Teils eines Stators, beispielsweise eine Ringform für den Statorring oder eine T-Form oder eine I-Form für einen Statorzahn.

Die jeweiligen Bleche 11 haben eine erste Hauptoberfläche 16, eine zweite Hauptoberfläche 17, die gegenüber der ersten Hauptoberfläche 16 angeordnet ist, und eine Dicke db, wobei 0,01 mm < db < 0,35 mm, vorzugsweise, 0,01 mm < db < 0,2 mm, vorzugsweise 0,01 mm < db < 0,1 mm, vorzugsweise 0,01 mm < db < 0,06 mm ist. Die zweite Hauptoberfläche 17 eines ersten Blechs 11 ist auf der ersten Hauptoberfläche 16 eines zweiten Blechs 1 T angeordnet, um den Stapel in einer Stapelrichtung 18, die sich senkrecht zu der Hauptoberflächen 16 und 17 erstreckt, aufzubauen.

Eine oder beide der Hauptoberflächen 16, 17 der jeweiligen Bleche 11 können komplett oder teilweise mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 19 beschichtet sein, die als Glühseparator sowie als elektrische Isolation zwischen den Blechen 11 im fertigen Blechpaket dient. Die Beschichtung 19 kann nach der Schlussglühung eine Keramik wie AI2O3, MgO oder ZrÜ2 aufweisen.

In der Ausführungsform der Figur 1 sind die Bleche 11 des Stapels 10 lose und nicht miteinander verbunden. In anderen Ausführungsbeispielen sind die Bleche miteinander verbunden, beispielsweise mittels eines oder mehrerer Schweißnähte und bilden ein Blechpaket oder ein Segment eines Blechpakets, beispielsweise eines Statorrings oder Statorzahns.

Der Stapel 10 wird einer Wärmebehandlung unterzogen, um die weichmagnetischen Eigenschaften der Co-Fe-Legierung einzustellen.

Figur 2 zeigt Diagramme von drei Beispielen möglicher Wärmebehandlungen für eine CoFe-Legierung mit 5 bis 55 Gewichts-% Co. Diese Wärmebehandlungen können zum Herstellen eines Blechpakets, eines Stapels aus Blechen aus der CoFe- Legierung oder Segmente und Teile eines Stators verwendet werden.

Figur 2A zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wärmebehandlung 30, die zwei getrennte Stufen aufweist, nämlich eine Schlussglühung 31 , die von einer getrennten Magnetfeldglühung 32 gefolgt wird. In der Schlussglühung 31 wird der Stapel aufgeheizt und bei einer Temperatur T 1 für eine Zeit t1 gehalten und danach auf eine Temperatur von weniger als 300°C abgekühlt. Der Stapel kann auf Raumtemperatur abgekühlt und danach gelagert werden. Nach dieser Schlussglühung wird die Magnetfeldglühung 32 durchgeführt. Dies kann zu einem späteren Zeitpunkt nach der Lagerung des Stapels bei Raumtemperatur durchgeführt werden. In der Magnetfeldglühung wird der Stapel aufgeheizt und bei einer Temperatur T2 für eine Zeit t2 gehalten und danach auf eine Temperatur von weniger als 300°C abgekühlt. Zumindest teilweise während der Magnetfeldglühung wird ein externes Magnetfeld angelegt.

Die Zeitdauer, während der das externe Magnetfeld angelegt wird, ist durch den schwarzen Balken 33 in Figur 2 gezeigt. Außerhalb dieses Bereichs wird die Wärmebehandlung im Hintergrundmagnetfeld durchgeführt. Das Hintergrundmagnetfeld beträgt typischerweise höchstens 1 kA/m, vorzugsweise kleiner als 0,5 kA/m, vorzugsweise kleiner als 0,1 kA/m. Das externe Magnetfeld, das aktiv angelegt wird, ist somit größer als das Hintergrundmagnetfeld, d.h. größer als 0,1 kA/m. In manchen Ausführungsbeispielen wird das externe Magnetfeld so eingestellt, dass eine Feldstärke größer 0,5 A/cm, bevorzugt größer als 1 A/cm, besonders bevorzugt größer als 3 A/cm am Stapel vorliegt.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 2A ist die Haltezeit t2 kurz, beispielsweise eine halbe Stunde, und das Magnetfeld wird angelegt, nachdem die Temperatur T2 erreicht worden ist und gehalten, bis aufgrund der nachfolgenden Abkühlung von der Haltetemperatur T2 eine Temperatur von ungefähr 200°C erreicht wird. Danach kann das externe Magnetfeld ausgeschaltet und die weitere Abkühlung auf niedrige Temperaturen im Hintergrundmagnetfeld durchgeführt werden.

Die Figur 2B offenbart auch eine zweistufige Wärmebehandlung 30 mit einer Schlussfolgerung 31 und darauffolgender getrennter Magnetfeldglühung 32. Diese Wärmebehandlung 30 unterscheidet sich von der Wärmebehandlung 30 der Figur 2A durch die Dauer der Haltezeit t2, die länger ist, beispielsweise 6 Stunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Magnetfeld während der gesamten Haltezeit t2 sowie während der Abkühlung auf eine Temperatur von ungefähr 200°C angelegt. In anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Magnetfeld nur während der Abkühlung von der Temperatur T2 angelegt, d.h. nach Ablauf der Zeitdauer t2 oder wird erst während der Haltezeit angelegt, sodass eine erste Periode der Haltezeit t2 im Hintergrund des Magnetfelds und eine nachfolgende Periode der Haltezeit t2 sowie die Abkühlung in dem extern angelegten Magnetfeld durchgeführt wird.

Die Verwendung von zwei getrennten Glühungen, die ähnlich zu den Beispielen der Figuren 2A und 2B für die Schlussglühung und nachfolgender Magnetfeldglühung sein können, hat die Vorteile, dass unterschiedliche Prozessparameter auf die jeweilige Wärmebehandlung hin optimiert und ausgewählt werden können. Ein Beispiel ist die Abkühlrate, die bei der Schlussglühung ausreichend hoch sein sollte, um ein Verweilen im Ausscheidungsbereich der y2- Phase zu vermeiden, und welche bei der Magnetfeldglühung ausreichend niedrig gewählt sein sollte, um die Einstellung einer Nahordnung zu berücksichtigen. Unterschiedliche Ofentypen können verwendet werden, was z.B. technische Vorteile hinsichtlich der Temperaturgenauigkeit, aber auch logistische Vorteile bietet. Unterschiedliche Glühatmosphären können verwendet werden, z.B. Wasserstoff für die Schlussglühung und Vakuum oder Schutzgasatmosphäre für die Magnetfeldglühung.

Figur 2C zeigt eine Wärmebehandlung 30' nach einer weiteren Ausführungsform, in der die Magnetfeldglühung in der Schlussfolgerung 31 integriert ist. Die Wärmebehandlung 30' ist somit einstufig. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Stapel auf eine Temperatur T1 im Hintergrundmagnetfeld aufgeheizt, wobei die Temperatur T1 für eine Haltezeit t1 gehalten wird. Nach der Haltezeit t1 wird der Stapel auf eine Temperatur, die kleiner als 300°C ist, abgekühlt. Ein externes Magnetfeld wird zumindest während der Abkühlung angelegt, wie schematisch durch den Balken 33 in Figur 2C dargestellt ist. In diesem Beispiel wird das Magnetfeld während der zweiten Hälfte der Haltezeit t1 angeschaltet und bleibt angeschaltet während der Abkühlung bis zu einer Temperatur von ungefähr 250°C. Danach kann das externe Magnetfeld ausgeschaltet und die weitere Abkühlung auf niedrige Temperaturen im Hintergrundmagnetfeld durchgeführt werden. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann das Magnetfeld früher, beispielsweise während der Haltezeit t1 , angelegt werden. Die Abkühlrate für die Schlussglühung und die getrennte Magnetfeldglühung kann zwischen 10 K/h und 1000 K/h, beispielsweise zwischen 30 K/h und 300 K/h, sein, wobei die Abkühlrate während der Abkühlung innerhalb dieses Bereichs variieren kann. Normalerweise wird die Abkühlrate langsamer bei absteigender Temperatur, wie in Figur 2 dargestellt ist.

Bei sämtlichen Wärmebehandlungen kann das Magnetfeld in Bezug auf die Orientierung des Stapels 10 so angelegt werden, dass eine magnetische Vorzugsrichtung in den Blechen 11 erzeugt wird. Insbesondere kann das Magnetfeld so angelegt werden, dass es ungefähr parallel zu den Hauptoberflächen 16, 17 der Bleche 11 verläuft. Ferner kann das externe Magnetfeld ungefähr parallel zu der gewünschten Vorzugsrichtung in den Blechen 11 verlaufen. Beispielsweise kann in Bezug auf den Stator der Figur 1 das Magnetfeld so angelegt werden, dass es entlang die Länge der Statorzähne 14 verläuft.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die Bleche 11 des Stapels 10 einen Teil eines Stators aufweisen, beispielsweise einen Statorzahn, kann das Magnetfeld nicht nur parallel zu den Hauptoberflächen, sondern auch parallel zu der Längsrichtung des Statorzahns verlaufen. In einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Bleche die Form eines Statorrings aufweisen, kann das Magnetfeld so angelegt bzw. die Bleche in Bezug auf das Magnetfeld so orientiert werden, dass das Magnetfeld in der Umfangsrichtung des Rings und parallel zu den Hauptoberflächen verläuft.

Das extern angelegte Magnetfeld kann in unterschiedliche Weisen erzeugt werden. Beispielsweise kann der Stapel in einem sogenannten Magnetfeldofen angeordnet werden, der eine schaltbare Magnetfeldquelle aufweist. Die schaltbare Magnetfeldquelle kann ein Spulensystem sein, das in oder außerhalb der Wände des Ofens angeordnet ist. Der Stapel kann im Glühraum des Ofens in Bezug auf die Magnetfeldquelle des Ofens so angeordnet werden, dass das Magnetfeld in der gewünschten Vorzugsrichtung des Teils verläuft. Alternativ können ein oder mehrere elektrisch leitende Leiter um den Stapel herum gewickelt werden, dieser Aufbau in einem Ofen angeordnet werden und ein Strom, der durch den Leiter fließt, erzeugt das Magnetfeld. Diese Anordnungen kann als Längsmagnetfeld (LF) bezeichnet werden.

Für den Fall der getrennten Fertigung von Statorring und Einzelzähnen wird für den Statorring eine Längsfeldglühung vorgesehen, bei der das notwendige magnetische Längsfeld während der Glühung mittels stromführender Leiter erzeugt wird. Für die Einzelzähne wird dagegen eine Glühbehandlung in einem Magnetfeldofen vorgesehen. Die Einzelzähne werden dabei so im Magnetfeld orientiert, dass die durch dieses Feld eingeprägte Magnetisierungsrichtung möglichst der Magnetisierungsrichtung in der späteren Anwendung entspricht.

Figur 3 zeigt eine Darstellung eines Aufbaus 40 zur Wärmebehandlung eines Stapels 41 im magnetischen Längsfeld. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Bleche jeweils eine Ringform mit einer zentralen Öffnung 43 auf, sodass der Stapel 41 aus losen Blechen rohrförmig ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden sechs Windungen eines Leiters 42 um den Stapel 41 gewickelt. Der Leiter 42 erstreckt sich durch die Öffnung 43 und dann neben der Randseite des Stapels 41 , um die sechs Windungen zu bilden. Der Leiter 42 kann ein Kupferleiter sein. Die Kupferleitungen sind gegenseitig und zu den Ofenwänden durch Keramikrohre elektrisch isoliert und an einen nicht gezeigten Verstärker zur Gleichstromversorgung angeschlossen.

Das externe Magnetfeld wird durch die Bestromung senkrecht zur Blechebene verlaufender elektrischer Leiter 42 erzeugt, die ein Magnetfeld parallel zur späteren magnetischen Beanspruchungsrichtung der Teile, d.h. die Hauptoberfläche der Bleche, erzeugen, wobei ein magnetisches Längsfeld erzeugt wird.

Beispiele

Es wurden Glühversuche mit CoFe-Legierung-Ringen im magnetischen Längsfeld durchgeführt. Dazu wurden Stanzringe 038,1 mm x 031 ,75 mm aus VACODUR 49 in einen Keramiktrog mit blankem Kupferdraht 02 mm bewickelt. Um die elektrische Isolation der Leitungen untereinander und zum Ofen zu gewährleisten, wurden Keramik I-Röhrchen mit 03 mm Innenloch auf den Kupferdraht aufgefädelt, wie in Figur 3 gezeigt ist. Zwei Messreihen werden durchgeführt. In einer ersten Messreihe wird eine Wärmebehandlung gemäß Figur 2C durchgeführt und ein Magnetfeld aktiv in der Abkühlphase einer Schlussglühung bei 880°C für 6 Stunden angelegt. In einer zweiten Messreihe wird ein Zwei-Schritt-Verfahren untersucht, in dem eine Schlussglühung bei 800°C für 6 Stunden getrennt von einer nachfolgenden Magnetfeldglühung nach der Wärmebehandlung gemäß den Figuren 2A und 2B durchgeführt wird. Ein externes Magnetfeld wird zumindest teilweise während der Magnetfeldglühung angelegt. Die Schlussglühung findet im Hintergrundmagnetfeld statt.

Erste Messreihe

In einer ersten Messreihe wird in der Abkühlphase der Schlussglühung 6h 880°C das externe Magnetfeld angelegt und variiert, indem der aufgebrachte Strom variiert wird. Die verwendeten Stromstärken I = 0 / 0,5 / 1 / 2,5 / 5 / 10 / 20 A entsprechen Magnetfeldern am Ort der Ringe von H = 0 / 0,27 / 0,5 / 1 ,37 / 2,74 / 5,47 / 10,9 A/cm. Für jeden Strom wird eine neue Probe bewickelt und geglüht.

Figur 4 zeigt eine Hystereseschleife für ein Vergleichsbeispiel eines Blechs aus VACODUR 49, die ohne zusätzlich angelegtes Magnetfeld, weil H(LF) = 0 A/cm, und nur im Hintergrundmagnetfeld bei 800°C für 6 Stunden schlussgeglüht wird, und ein erfindungsgemäßes Beispiel, bei dem ein Magnetfeld H(LF) von 10,9 A/cm während der Abkühlphase der Schlussglühung angelegt wird. Figur 4 zeigt eine rechteckige Z- Schleife für das erfindungsgemäße Beispiel, das im magnetischen Längsfeld abgekühlt wird, während das Vergleichsbeispiel, das einer Schlussglühung ohne ein zusätzliches extern angelegtes Magnetfeld und nur im Hintergrundmagnetfeld unterzogen wird, eine runde R-Schleife aufweist. Dieser Vergleich zeigt, dass die Verwendung des zusätzlichen extern angelegten Magnetfelds während der Abkühlphase der Schlussglühung zu anisotropen magnetischen Eigenschaften und somit eine bevorzugte Richtung der magnetischen Eigenschaften in den Blechen führt. Figur 5 zeigt ein Diagramm von gemessenen Permeabilitäten (p) für die Bleche, die in unterschiedlichen Längsmagnetfeldern schlussgeglüht werden und für ein Vergleichsblech, das ohne zusätzliches angelegtes Magnetfeld schlussgeglüht wird. Das höchste angelegte Feld von 10,9 A/cm erzeugt eine Maximalpermeabilität von über 50.000, was 2,5-mal so hoch ist wie das Vergleichsbeispiel ohne extern angelegtes Magnetfeld, das eine Maximalpermeabilität von 20.000 hat.

Figur 6 zeigt einen Graph des Verlaufs der Maximalpermeabilitäten (pmax) und Koerzitivfeldstärken in Abhängigkeit vom Längsfeld. Für diese Beispiele wird bei steigender Magnetfeldstärke die maximale Permeabilität (pmax) erhöht und die Koerzitivfeldstärke (Hc) reduziert.

Figur 7 zeigt einen Graph des Verlaufs der Induktionen bei einer Feldstärke 3 A/cm (B3), der Remanenz (Br) und des Remanenzverhältnisses (Br(Bs) in Abhängigkeit vom Längsfeld.

Figur 8 zeigt einen Graph des Remanenzverhältnisses Br/B160 für Beispiele, die in unterschiedlichen Magnetfeldern abgekühlt werden. Figur 8 zeigt einen Anstieg des Remanenzverhältnisses mit steigendem Längsfeld. Eine isotrope Domänenverteilung (perfekt runde R-Schleife, keine Anisotropie) würde ein Remanenzverhältnis von 0,637 erzeugen, die mit der gestrichelten Linie in Figur 8 dargestellt ist.

Tabelle 1 zeigt magnetische Kennwerte der Proben nach Schlussglühung mit angelegtem Magnetlängsfeld HLF während der Abkühlung, wobei das Magnetlängsfeld HLF mit einem Strom IF im Leiter erzeugt wird, und Tabelle 2 zeigt die Aktivität des Magnetlängsfeldes LF in der Abkühlphase der Schlussglühung.

Tabelle 1

Tabelle 2

Es wird auch untersucht, inwieweit die verbesserten magnetischen Eigenschaften in einem Betrieb des Blechpakets aufrechterhalten sind, wenn das Blechpaket erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Dies wird durch hierin genannte Nachglühungen untersucht. Diese Nachglühungen sind nicht Teil des Herstellungsverfahrens, sondern dienen lediglich dazu, die Temperaturbeständigkeit der magnetischen Eigenschaften festzustellen.

Figur 9 zeigt die magnetischen Eigenschaften He, B3, pmax und Br nach einer Nachglühung der I = 20A geglühten Probe bei einer Temperatur zwischen 200°C bis 880°C in 50°C Schritten. Es wurde jeweils 1 h nachgeglüht. Bei B3 und Br erkennt man ein lokales Minimum im Temperaturbereich zwischen 600 und 650°C. Figur 10 zeigt einen Graph des Abfalls von p _ma x und Br/B3 bei aufsteigender Nachglühtemperatur.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Verbesserung in den magnetischen Eigenschaften gegenüber dem Vergleichsbeispiel, das ohne zusätzliches Magnetfeld schlussglüht wird, bei erhöhten Temperaturen von bis zu ungefähr 300°C beibehalten sind. Somit sind die Bleche geeignet für Anwendungen, bei denen sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.

Zweite Messreihe

Bei dieser Messreihe werden die magnetische Schlussglühung bei 880°C für 6 Stunden im Hintergrundmagnetfeld und die Magnetfeldglühung bei 600°C getrennt durchgeführt.

Nach der Schlussglühung im Hintergrundmagnetfeld wird eine von zwei unterschiedliche Magnetfeldglühungen durchgeführt, eine mit einer halben Stunden Haltezeit, wobei das Magnetfeld entweder aktiv 15 Minuten vor Beginn der Abkühlung und während Abkühlung bis unterhalb von 200° angelegt wird, und eine mit acht Stunden Haltezeit bei 800°C, wobei das Magnetfeld während der gesamten Haltezeit und während Abkühlung bis unterhalb von 200°C angelegt wird, die der Wärmbehandlung der Figuren 2A bzw. 2B entsprechen. Bei beiden Glühungen werden auch Referenzproben beigelegt, die dem Feld nicht ausgesetzt waren.

Figur 11 zeigt einen Graph der Permeabilitäten der Glühungen mit Magnetfeld und deren Referenz ohne Magnetfeld und Tabelle 3 zeigt Magnetwerte der getrennten Schlussglühung und Magnetfeldglühung aus Figur 11 . Als Referenz sind die beiden Probennummern 2002506 und 2002522 aus Tabelle 1 zugefügt.

Tabel e 3

Figur 11 zeigt, dass die 8h Magnetfeldglühung bei 600°C schlechtere Magnetik hervorbringt als die 0,5h bei 600°C. Das liegt vermutlich daran, dass bei den 50%- CoFe- Legierungen zwischen 500°C und 650°C ein Ausscheidungsbereich einer V- reichen Phase existiert, der auch y2- Phase genannt wird. Dieser Bereich sollte einerseits nach der Schlussglühung schnell durchfahren werden, um die magnetisch unvorteilhaften Ausscheidungen zu vermeiden. Andererseits sollte die Abkühlrate hoch genug sein, den Nulldurchgang der magnetokristallinen Anisotropiekonstante K1 einzustellen, der sowohl vom Co-Gehalt als auch vom Ordnungszustand abhängt. Typische Abkühlraten nach der Schlussglühung liegen im Bereich 100- 200°C/h. Bei der Magnetfeldglühung kann es vorteilhaft sein, eine andere Abkühlrate zu wählen, um die Nahordnung einzustellen. Zur Einstellung unterschiedlicher Abkühlraten kann es daher vorteilhaft sein, magnetische Schlussglühung und Magnetfeldglühung getrennt voneinander mit unterschiedlichen Temperaturverläufen durchzuführen.

Zum Erhöhen des Magnetfelds am Stapel bzw. an den Blechen kann ein Flussleiter und/oder ein Rückschlussteil verwendet werden.

Figuren 12A und 12B zeigen eine schematische perspektivische Darstellung und eine Draufsicht eines Stators 50 mit einem Statorring 51 und Statorzähnen 52, der ferner einen integrierten Rückschlussinnenring 53 aufweist, der sich zwischen den inneren Enden der Statorzähne 52 erstreckt. Figur 12A zeigt ferner die stromführenden Leiter 54, die in den Zwischenräumen des Stators angeordnet sind. Der Rückschlussinnenring 53 wird nach der Magnetfeldglühung entfernt, beispielsweise mittels Erodierens oder Laserschneidens, um den Stator 50 mit Statorring 51 und Statorzähnen 52 herzustellen, wie in Figur 12C dargestellt ist.

Eine weitere Möglichkeit, trotz der Limitierung der externen Magnetfeldstärke eine ausreichende Flussdichte im Einzelzahn zu erzeugen, ist die Verwendung eines zusätzlichen weichmagnetischen Stücks 55, das als „Flussleiter“ bezeichnet werden kann. Er konzentriert zusätzlichen magnetischen Luftfluss und leitet ihn in den Einzelzahn weiter. Der Flussleiter 55 kann dabei verschiedene Formen annehmen. Ein Beispiel ist in Figur 12D dargestellt, in dem der Flussleiter 55 die Form eines inneren Rückschlussrings 53 aufweist, der von den anliegenden Statorzähnen 52 durch einen Luftspalt 56 getrennt ist. Analog könnte für einen als Außenläufer ausgeführten Stator ein äußerer Rückschlussring als Flussleiter verwendet werden.

Ein weiteres Beispiel ist in Figur 13 dargestellt, in dem der Flussleiter 60 die Form eines länglichen Quaders aufweist, der bündig an den Einzelzahn 61 anschließt: In anderen Ausführungsbeispielen kann ein getrennter Flussleiter verwendet werden, der möglichst nah am Stapel angeordnet ist, sodass ein Luftspalt zwischen dem Flussleiter und dem Stapel klein bleibt.

Figur 14 zeigt die Verteilung der Flussdichte im Statorzahn mit und ohne Flussleiter über die Höhe, die mittlere Höhe ist durch die schwarze vertikale Linie gekennzeichnet. Es ist möglich, dass die im Zahn erreichbare Flussdichte nicht homogen über die Zahnhöhe verteilt ist, wie mit der Kurve 70 dargestellt ist. Hingegen werden bei Verwendung eines Flussleiters auch die schwerer sättigbaren Bereiche vollständig aufmagnetisiert, wie mit der Kurve 71 dargestellt ist. Durch einen solchen Flussleiter ist es daher möglich, Einzelzähne in einem externen Magnetfeld so zu glühen, dass die Einstellung einer magnetischen Vorzugsrichtung effektiver ist. Vorzugsweise ist zwischen dem Flussleiter und dem zu glühenden Statorzahn möglichst kein Luftspalt. Um ein Verschweißen der Teile zu vermeiden, können eines oder beide Teile eine glühbeständige Beschichtung aufweisen oder die Teile sollten mit einem vor der Glühung aufgebrachten Glühseparator wie keramischem Glühpulver voneinander getrennt werden.

Figur 15 zeigt sechs verschiedene Fertigungswege 100, mit denen ein Blechpaket oder ein Teil eines Blechpakets hergestellt werden kann.

Die ersten vier Schritte werden für alle sechs verschiedene Fertigungswege durchgeführt. In Kasten 101 wird ein Band aus einer CoFe-Legierung nach einem der hierin beschriebenen Zusammensetzungen bereitgestellt. Dieses Band kann mit metallurgischen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise wird eine Schmelze aus der FeCo-Legierung mit der gewünschten Zusammensetzung bereitgestellt und unter Vakuum gegossen, um nach anschließendem Erstarren einen Gussblock zu formen. Der Gussblock wird zu der Bramme und die Bramme zu einem Warmwalzband warmgewalzt, gefolgt vom Abschrecken des Warmwalzbandes von einer Temperatur oberhalb 700°C auf eine Temperatur kleiner 200°C. Das abgekühlte Warmwalzband wird zu einem kaltgewalzten Band kaltgewalzt.

Danach wird in Kasten 102 das Band mit einer elektrisch isolierenden Schicht oder einer Schicht, die nach einer Wärmebehandlung eine elektrisch isolierende Schicht bilden kann, beschichtet. Danach wird eine Vielzahl von Blechen aus dem beschichteten Band geformt und in Kasten 103 zu einem Blechpaket gestapelt und verbunden. Die Bleche können beispielsweise durch Stanzpaketierung zu einem Blechpaket gestapelt und miteinander über eine hitzebeständige Verbindung oder Verbindungen, beispielsweise zumindest eine Laserschweißnaht oder Laserschweißpunkte, befestigt werden. Danach wird in Kasten 104 das Blechpaket einer Schlussglühung nach einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele unterzogen. Das Blechpaket kann unterschiedliche Formen haben. Abhängig davon werden die nachfolgenden Schritte des Herstellungsverfahrens einschließlich der Magnetfeldglühung angepasst.

Im ersten Fertigungsweg (a) weist das Blechpaket in Kasten 105 die Form eines Stators auf. In Allgemeinen wird das Blechpaket als Gesamtschnitt ausgeführt und liegt bei der Schlussglühung in Endkontur vor. Danach wird in Kasten 106 das Blechpaket in Endkontur bzw. der Stator in einem Magnetlängsfeld geglüht.

Beispielsweise kann der Aufbau der Figur 3 verwendet werden.

Im zweiten Fertigungsweg (b) weist in Kasten 107 das Blechpaket einen integrierten Rückschluss auf. In diesem Ausführungsbeispiel hat das Blechpaket die Form eines Stators mit einem inneren Rückschlussring, der sich zwischen den innen Enden der Statorzähne erstreckt. In Kasten 108 wird der Stator mit dem inneren Rückschlussring im Magnetlängsfeld geglüht. Beispielsweise kann der Aufbau der Figur 12A verwendet werden. Danach wird in Kasten 109 der inneren Rückschlussring entfernt, beispielsweise durch Laserschneiden.

Im dritten Fertigungsweg (c) weist das Blechpaket die Form eines Statorrings auf. Der Stattoring wird im Magnetlängsfeld geglüht. Beispielsweise kann der Aufbau der Figur 3 verwendet werden. Im vierten Fertigungsweg (d) des Kastens 112 weist das Blechpaket die Form von einem Statorzahn auf, der eine I-Form aufweisen kann. Typischerweise werden mehrere Statorzähne bereitgestellt und schlussgeglüht. Die Statorzähne werden in einem Magnetfeldofen einer Magnetfeldglühung unterzogen. Das Magnetfeld kann entlang die Hauptoberfläche und Längsrichtung der jeweiligen Statorzähnen verlaufen.

Der dritte und vierte Fertigungsweg können danach kombiniert werden, indem in Kasten 111 der Statorring des dritten Fertigungswegs mit den Statorzähnen des vierten Fertigungswegs zu einem Stator zusammengefügt werden.

Im fünften Fertigungsweg (e) werden in Kasten 113 ein oder mehrere Statorzähne mit einer T-Form im Magnetfeldofen geglüht. Diese Statorzähne können mit einem oder mehreren Flussleitstücken der Magnetfeldglühung unterzogen werden. Diese Flussleitstücke können getrennte Teile sein oder mit dem jeweiligen Statorzahn verbunden werden bzw. in dem jeweiligen Statorzahn integriert sein. In diesen Ausführungsbeispielen wird nach der Magnetfeldglühung das Flussleitstück vom Statorzahn entfernt, beispielsweise durch Laserschneiden. Danach werden in Kasten 114 die T-förmigen Statorzähne zu einem Stator gefügt. Im sechsten Fertigungsweg (f) weisen das Blechpaket bzw. die Blechpakete die Form eines Statorzahns mit einer T-Form auf. Diese Statorzähne werden zunächst zu einem Stator in Kasten 115 gefügt. Danach wird der zusammengebaute Stator in Kasten 116 in einem Magnetlängsfeld geglüht. Beispielsweise kann der Aufbau der Figur 3 verwendet werden. Optional kann ein innerer Rückschlussteil verwendet werden, der sich zwischen den inneren Enden der Statorzähne erstreckt, wie in Fig. 12D dargestellt. Das Rückschlussteil ist hier aber nicht materialschlüssig verbunden, sondern mit einem möglichst kleinen Luftspalt an die T-Zähne angefügt. Die in Fig 15 dargestellten Fertigungswege können auch dahingehend abgewandelt werden, dass die in Kasten 103 beschriebene Paketierung sich auf das Stapeln von losen Blechen beschränkt und das stoffschlüssige Verbinden der Bleche zu einem Blechpaket erst nach der Schlussglühung oder nach der Magnetfeldglühung erfolgt.