Verfahren zum Sintern eines mehrkomponentigen Sinterzeugs, elektrische Maschine und elektrisches Fahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sintern eines mehr komponentigen Sinterzeugs, eine elektrische Maschine und ein elektrisches Fahrzeug.

Ein neues Verfahren zur Herstellung von Magnetblechen für elektrische Maschinen nutzt den Schablonendruck. Bei diesem Verfahren wird ausgehend von Metallpulvern zunächst eine Druckpaste erzeugt, welche dann mittels einer Schablonen drucktechnik zu einem Grünkörper in Gestalt einer Dickschicht verarbeitet wird. Anschließend wird dieser Grünkörper durch thermische Behandlung, d.h. mittels Entbinderung und Sinte rung, in ein metallisches, strukturiertes Blech in Gestalt eines Magnetblechs überführt.

Es ist bekannt, auch mehrkomponentige Magnetbleche auf solche Weise herzustellen. Dazu werden die verschiedenen Komponenten eines Magnetblechs sequentiell hintereinander auf eine Trä gerplatte gedruckt und danach gemeinsam thermisch behandelt.

Jedoch können nicht sämtliche Werkstoffe auf diese Weise zur Sinterung herangezogen werden. Insbesondere das Sintern von verzugfreiem und dichtem Sinterzeug ist auf diese Weise bis weilen nur schwer zu realisieren.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Sintern eines mehrkomponentigen Sinterzeugs anzugeben, welches die eingangs erwähnten Nachteile überwindet. Ferner ist es Aufga be der Erfindung, eine verbesserte elektrische Maschine und ein verbessertes elektrisches Fahrzeug anzugeben.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zum Sin tern eines mehrkomponentigen Sinterzeugs mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen sowie mit einem elektrischen Fahrzeug mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Sintern eines mehr- komponentigen Sinterzeugs wird eine mit einem ersten Material gebildete erste Komponente mit mindestens einer Ausnehmung, d.h. mit einer oder mehreren Ausnehmungen, für eine zweite Komponente gedruckt und es wird eine mit einem zweiten Mate rial gebildete zweite Komponente in die Ausnehmung oder Aus nehmungen der ersten Komponente eingelegt und es werden erste und zweite Komponente mittels Sinterns aneinander ange schrumpft. Anschrumpfen meint dabei, dass aufgrund unter schiedlichen Sinterschwunds bei entsprechender Geometrie von erster und zweiter Komponente eine feste Verbindung von ers ter und zweiter Komponente erreicht wird.

Erfindungsgemäß können Materialien mit deutlich verschiedenen Sinterschwindungen miteinander zu einem verzugsfreien und dichten Sinterzeug mit hoher mechanischer Festigkeit, insbe sondere an Grenzen von erster Komponente und zweiter Kompo nente, gesintert werden.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können vorteilhaft auch schwer sinterbare oder nur schwer in Pulverform erhält liche Materialien Komponenten in mehrkomponentigen Sinterzeu gen bilden. Insbesondere schwer sinterbare magnetische Mate rialien können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens leicht zu einem mehrkomponentigen Sinterzeug gesintert wer den .

Ferner können mittels der gemeinsamen Sinterung von erster und zweiter Komponente Prozessschritte bei der Fertigung se pariert und parallelisiert werden, sodass der Auslastungsgrad der eingesetzten Maschinen deutlich erhöht ist. Zweckmäßig bildet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Sinterzeug eine Schicht, insbesondere ein Magnetblech, d.h. das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zum Sintern einer solchen Schicht. Vorzugsweise ist das Magnetblech ein Rotorblech oder ein Statorblech.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich insbe sondere Magnetbleche fertigen, welche ein Rotorblech und/oder ein Statorblech bilden und welche in einer radialen Richtung strukturiert sind und insbesondere in einer radialen Richtung eine Abfolge von erster und zweiter Komponente aufweisen. Zweckmäßig lassen sich Magnetbleche fertigen, welche vorge fertigte Laminate und/oder Faserverbundwerkstoffe umfassen.

Vorzugsweise ist die zweite Komponente eine gestanzte Kompo nente und/oder eine vorgesinterte Struktur. Zweckmäßig sind etwa flussführende Bereiche von Magnetblechen mittels der zweiten Komponente gebildet.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die erste Komponente mit mindestens einer solchen Ausnehmungen ge druckt, welche die zweite Komponente umgreift oder umrahmt.

Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die erste Komponente mit mindestens einer gezahnten und/oder gestuften Ausnehmung gebildet. Auf diese Weise lässt sich die Verbindung der ersten Komponente und der zweiten Komponente durch Formschluss infolge der mindestens einen gezahnten und/oder gestuften Ausnehmung zusätzlich verbessern.

Vorteilhaft wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung eine erste Komponente mit einer im Vergleich zur zweiten Komponen te ausgeprägteren Sinterschwindung herangezogen. Auf diese Weise umschrumpft die erste Komponente beim Sintern die zwei te, in Ausnehmungen der ersten Komponenten eingelegte, Kompo nente . Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zwei te Komponente gedruckt, bevor erste und zweite Komponente ge sintert werden. Auf diese Weise sind auch konventionell schwer realisierbare Geometrien von erster und zweiter Kompo nente fertigbar.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die zweite Komponente, insbesondere aus einem Blech und/oder mittels eines Lasers, gestanzt oder geschnit ten, bevor erste und zweite Komponente gemeinsam gesintert werden. Auf diese Weise können einfach Stanzteile als zweite Komponenten gefertigt und zu einem mehrkomponentigen Sinter zeug verarbeitet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die erste Komponente vorzugsweise amagnetisch.

Geeignet ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die zweite Komponente weichmagnetisch und/oder elektrisch leitend und/oder permanentmagnetisch. Auf diese Weise können magne tisch flussführende oder felderzeugende Bestandteile eines Magnetblechs mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gefer tigt werden.

Vorteilhaft werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erste und zweite Komponente, vorzugsweise uniaxial oder isosta tisch, aneinander gepresst und/oder laminiert. Auf diese Wei se kann eine weiter verbesserte Verbindung von erster und zweiter Komponente erreicht werden und der Form- und/oder Kraftschluss von erster und zweiter Komponente erhöht werden.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Sin terzeug eine Schicht, idealerweise ein Magnetblech, etwa ein Rotor- und/oder Statorblech.

Besonders vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfah ren mittels eines Sinterwerkzeugs gesintert, das eine Sinter zeugfläche zur Anlage des Sinterzeugs aufweist, wobei bei dem Verfahren die Sinterzeugflache beim Sintern, etwa mittels akustischer Oberflächenwellen, in Vibration versetzt wird. In dieser Weiterbildung der Erfindung lässt sich das kraft- und/oder formschlüssige Anhaften von Sinterzeug an der Sin terzeugfläche mittels der Vibration leicht vermeiden.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Rotor, gebildet mit Rotorblechen und/oder einen Stator, gebildet mit Statorblechen auf, die mittels eines erfindungsgemäßen Ver fahrens wie vorhergehend beschrieben gefertigt sind.

Das erfindungsgemäße elektrische Fahrzeug ist insbesondere ein hybridelektrisches Flugzeug und weist eine solche erfin ^¬ dungsgemäße elektrische Maschine auf.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäß gefertigtes Magnetblech umfassend eine erste und eine zweite Komponen ^¬ te schematisch in einer Draufsicht,

Fig . 2 eine Einzelheit des erfindungsgemäß gefertig ^¬ ten Magnetblechs gern. Fig. 1 schematisch in einer Draufsicht,

Fig . 3 einen Längsschnitt der Einzelheit gern. Fig. 2 des Magnetblechs gern. Fig. 1 in einer schema ^¬ tischen Darstellung,

Fig. 4 einen Rand einer Ausnehmung der ersten Kompo nente des Magnetblechs gern. Fig. 1 bis 3 sche ^¬ matisch in einer perspektivischen Darstellung,

Fig . 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rands einer Ausnehmung der ersten Komponente des Magnetblechs gern. Fig. 1 bis 3 schematisch in einer perspektivischen Darstellung,

Fig . 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rands einer Ausnehmung der ersten Komponente des Magnetblechs gern. Fig. 1 bis 3 schematisch in einer perspektivischen Darstellung, sowie

Fig. 7 ein erfindungsgemäßes hybridelektrisches Flug ^¬ zeug mit einem erfindungsgemäßen Elektromotor mit Magnetblechen gern. Fig. 1 bis 3 schema tisch in einer Prinzipskizze.

Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäß gefertigte Magnet ^¬ blech 10 ist ein Magnetblech 10 zur Bildung eines Rotors ei ner elektrischen Maschine in Gestalt eines Elektromotors. Das Magnetblech 10 ist in an sich bekannter Weise im Wesentli chen, d.h. soweit nachfolgend nicht anders beschrieben, als kreiszylindrische Scheibe ausgebildet, die, zumindest soweit nachfolgend nicht anders beschrieben, mit einem magnetisch nicht-flussleitendem Material 20 gebildet ist. Das Magnet ^¬ blech ist zur Drehung des Rotors um eine Rotationsachse R vorgesehen und ausgebildet, d.h. der Mittelpunkt der kreis ^¬ förmigen Außenkontur des Magnetblechs 10 liegt auf der Rota ^¬ tionsachse R.

Das Magnetblech 40 weist umfänglich verteilt Durchführungen 30 auf, welche sich entlang eines Abschnitts in umfänglicher Richtung erstrecken, welcher länger ist als die Abmessung der Ausnehmung in radialer Richtung, im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel dreimal so lang. Die Durchführungen 30 des Mag ^¬ netblechs 10 dienen zur Aufnahme von Permanentmagneten oder von Spulen zum Betrieb des Rotors des Elektromotors.

Das Magnetblech 10 weist wie in Einzelheit E in Fig. 2 darge ^¬ stellt an den umfänglichen Orten der Durchführungen 30, je doch radial außenliegend von diesen Durchführungen 30, je weils einen Bereich 50 aus flussleitendem Metall auf, welcher sich von den Durchführungen 30 bis hin zum radialen Rand des Magnetblechs 10 erstreckt.

Der Bereich 50 ist von dem nicht-flussleitenden Material 20 derart eingerahmt, dass der Bereich 50 radial außenliegend von den Durchführungen 30 nicht etwa die Gestalt eines Kreis sektors einnimmt, sondern stattdessen ragt am radialen äuße ren Rand des Magnetblechs 10 jeweils das nicht-flussleitende Material 20 mit zwei in umfänglicher Richtung aufeinander zu weisenden Vorsprüngen 55 um den Bereich 50 herum aufeinander zu. Die Vorsprünge 55 treffen dabei umfänglich nicht zusam men, sondern lassen umfänglich einen Freiraum für den Bereich 50, sodass ein sich von den Durchführungen 30 bis zum radia len Rand des Magnetblechs 10 erstreckender Bereich 50 des Magnetblechs 10 von nicht-flussleitendem Material 20 frei bleibt. Auf diese Weise ist die Effizienz des so ausgebilde ten Rotors nicht beeinträchtigt. Infolge der Vorsprünge 55 umklammert das nicht-flussleitende Material 20 den Bereich 50.

Ferner sind die Bereiche 50 an ihren Randbereichen, welche nicht an die Durchführungen 30 oder direkt an den radialen Rand des Magnetblechs 10 angrenzen, mit einem in axialer Richtung R gestuften Profil ausgebildet. Wie in Fig. 3 ent lang eines Schnitts des Rotors gern. Fig. 2 dargestellt ver läuft der Rand 40 der Bereiche 50 entlang eines ersten axia len Abschnitts des Magnetblechs 10 in axialer Richtung R und an einem sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten axialen Abschnitt des Magnetblechs 10 ebenfalls in axialer Richtung R, allerdings ist der Rand 40 im zweiten axialen Ab schnitt gegenüber dem Rand 40 im ersten axialen Abschnitt in einer Richtung senkrecht zu den Erstreckungsrichtungen des Randes 40 im ersten axialen Abschnitt versetzt. Aufgrund die ses gestuften Randes 40 zwischen nicht-flussleitendem Materi al 20 und Bereich 50 sind nicht-flussleitendes Material 20 und Bereich 50 neben der umfänglichen Verklammerung aufgrund der Vorsprünge 55 auch in axialer Richtung R miteinander ver zahnt . Zusätzlich kann der Rand 40 in weiteren Ausführungsbeispielen wie in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt in einer Ebene senk recht zur axialen Richtung R gezahnt (Fig. 4) oder kammartig (Fig. 5) oder klemmbausteinartig (Fig. 6) verlaufen. Alterna tiv oder zusätzlich kann der Rand auch wellig ausgebildet sein. In diesen weiteren Ausführungsbeispielen gern. Fig. 4 bis 6 sind nicht-flussleitendes Material 20 sowie die Berei che 50 miteinander verklammert oder verzahnt und somit form schlüssig miteinander verbunden.

In weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Rand 40 auch gebördelt oder mit einer Abflachung, etwa zur Aufnahme eines mit einer solchen Abflachung korrespondie renden Vorsprungs oder Kragens, versehen sein.

Erfindungsgemäß wird das Magnetblech gern. Fig. 1 wie folgt gefertigt :

Zunächst werden in einem ersten Verfahrensschritt zur Ferti gung des Magnetblechs 10 die Bereiche aus dem nicht

flussleitenden Material 20 gedruckt, welche eine erste zusam menhängende Komponente aus dem nicht-flussleitenden Material 20 bilden. Anschließend wird die erste Komponente getrocknet. Dabei sind an der ersten Komponente Ausnehmungen vorgesehen, welche die Bereiche 50 mit dem flussleitenden Material bilden werden, nachdem die Bereiche 50 mit dem flussleitenden Mate rial gefüllt sind.

In einem zweiten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Ver fahrens wird die erste Komponente in an sich bekannter Weise entbindert und vorgesintert. In weiteren, nicht eigens be schriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Ver fahrens kann dieser zweite Schritt des Entbinderns und des Vorsinterns der ersten Komponente entfallen.

In einem dritten Verfahrensschritt werden als weitere Kompo nente weitere Bereiche 50 mit dem flussleitenden Material ge- druckt. Der Druck der weiteren Bereiche 50 mit dem flusslei tenden Material kann in einem weiteren, nicht gesondert dar gestellten Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, auch parallel zum Druck der ersten Komponente mit dem nicht-flussleitenden Material 20 erfolgen. Der dritte Verfahrensschritt muss also nicht zwingend zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt durchgeführt werden, sondern kann grundsätzlich auch zeitlich parallel zum ersten Verfahrensschritt erfolgen.

Der Druck der weiteren Komponenten mit den Bereichen 50 flussleitenden Materials erfolgt im hier beschriebenen Aus führungsbeispiel räumlich separat von der ersten Komponente mit dem nicht-flussleitenden Material 20. Grundsätzlich kön nen alternativ auch die weiteren Bereiche 50 direkt in die Ausnehmungen der ersten Komponente hinein gedruckt werden.

In einem vierten Verfahrensschritt werden die weiteren Kompo nenten in an sich bekannter Weise entbindert und vorgesin tert. In weiteren, nicht eigens beschriebenen Ausführungsbei spielen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieser vierte Schritt des Entbinderns und des Vorsinterns der weiteren Kom ponenten entfallen.

In einem letzten Verfahrensschritt werden die erste Komponen te aus dem nicht-flussleitenden Material 20 sowie die weite ren Bereiche 50 aus flussleitendem Material gemeinsam gesin tert. Dabei ist die Sinterschwindung der ersten Komponente nicht-flussleitenden Materials 20 größer als die Sinter schwindung der weiteren Bereiche 50 flussleitenden Materials. Daher schrumpft die erste Komponte nicht-flussleitenden Mate rials 20 auf die weiteren Bereiche 50 flussleitenden Materi als auf.

In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen müssen die weiteren Bereiche 50 flussleitenden Materials nicht zwingend als Sinterteile vorliegen. Alternativ oder zusätzlich können die weiteren Bereiche 50 flussleitenden Materials in weite- ren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen als Stanzteile vorliegen, welche in die Ausnehmungen der ersten Komponente eingelegt werden. Auch in diesen Ausführungsbei spielen kann die erste Komponente nicht-flussleitenden Mate- rials 20 mittels Sinterns um die Stanzteile herum geschrumpft werden .

Die Magnetbleche 10 bilden wie in Fig. 7 dargestellt einen Rotor einer elektrischen Maschine 710 eines hybridelektri- sehen Flugzeugs 720. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen können die Magnetbleche 10 auch einen Stator der elektrischen Maschine 710 bilden. Die elektrische Maschine 710 bildet einen Elektromotor des hybridelektrischen Flugzeugs 720 und ist mit einem Propeller 730 des hybrid- elektrischen Flugzeugs 720 zu dessen Antrieb verbunden.