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Title:
METHOD FOR PRODUCING A LAYER ASSEMBLY FROM ELECTRICAL SHEET METAL, ACCORDINGLY PRODUCED LAYER ASSEMBLY, ROTOR OR STATOR AND ELECTRIC MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/185398
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a layer assembly (10) from electrical sheet metal (1). An accordingly produced layer assembly (10) comprises multiple electrical steel sheets which are electrically insulated in relation to one another, each formed as sintered sheets, and produced using a screen printing method. The invention also relates to a rotor or stator and an electric motor.

Inventors:
GEBAUER PETER (DE)
KNEISEL LUKAS (DE)
MEHNERT PETER (DE)
Application Number:
PCT/DE2021/100021
Publication Date:
September 23, 2021
Filing Date:
January 12, 2021
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG (DE)
International Classes:
B22F1/00; B22F10/64; B28B1/00; B33Y10/00; B33Y80/00; B41M1/12; H02K15/02
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Schichtanordnung (10) aus Elektroblech (1), mit folgenden Schritten:

- Bereitstellung einer ein metallisches Pulver und einen Binder umfassenden Paste (9),

- Aufragen der Paste (9) auf ein Substrat (7) im Siebdruckverfahren,

- Bildung von Elektroblech (1) durch Sintern der aufgetragenen Paste (9), - Entfernen des Elektrobleches (1) vom Substrat (7),

- Bildung eines Stapels aus gemäß den vorhergehenden Schritten erzeugten Elektroblechen (1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elektrob- leche (1) des Stapels durch jeweils eine Isolierschicht (11) elektrisch voneinander ge- trennt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Pulver aus einer Eisenlegierung enthaltend größer 6,5 Gew.-% Silizium und weiterhin Aluminium im Bereich von 1 bis 5 Gew.-% gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Pulver aus einer Eisenlegierung enthaltend Silizium im Bereich von größer als 6,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% gebildet wird.

5. Schichtanordnung (10), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprü che 1 bis 4, umfassend mehrere, elektrisch gegeneinander isolierte, jeweils als Sin terbleche ausgebildete Elektrobleche (1). 6. Schichtanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elekt robleche (1) jeweils eine Dicke von nicht mehr als 0,2 mm aufweisen.

7. Stator oder Rotor eines Elektromotors, umfassend mindestens eine Schichtanord nung (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6.

8. Elektromotor, umfassend mindestens einen Stator oder Rotor nach Anspruch 7.

9. Elektromotor nach Anspruch 8, welcher als Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgebildet ist.

Description:
Verfahren zur Herstellung einer Schichtanordnunq aus Elektroblech. danach herqestellte Schichtanordnunq, Rotor oder Stator sowie Elektromotor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtanordnung aus Elekt- roblech und eine danach hergestellte Schichtanordnung, insbesondere zur Ausbildung eines Aktivteils, das heißt Stators oder Rotors, eines Elektromotors. Ebenso betrifft die Erfindung einen solchen Rotor oder Stator sowie einen Elektromotor.

Elektroblech für Elektromotoren, Generatoren oder Transformatoren wird typischer weise aus mit Silizium und Aluminium legiertem Stahl hergestellt. Allgemein handelt es sich bei Elektroblech um einen weichmagnetischen Werkstoff, welcher zur Ferti gung von Magnetkernen elektrischer Maschinen verwendet wird. Hinsichtlich der magnetischen und sonstigen Anforderungen an Elektroblech wird auf die Normen EN 10106 „Kaltgewalztes nicht kornorientiertes Elektroblech und -band im schlussgeglüh ten Zustand“ und EN 10107 „Kornorientiertes Elektroblech und -band im schlussge glühten Zustand“ hingewiesen.

Ein Verfahren zum Erzeugen von Siliziumstahlband aus Brammen ist zum Beispiel in der DE 2 315 703 A1 offenbart. Im Rahmen dieses Verfahrens werden Brammen auf eine Temperatur von mehr als 1204°C erhitzt und anschließend auf eine Dicke im Be reich von 1 ,5 bis 3,75 mm ausgewalzt. In einem späteren Verfahrensschritt wird die Dicke des erzeugten Bandes auf 0,50 bis 0,75 mm reduziert. Mit diesem Verfahren soll ein Siliziumstahlband mit starken gerichteten magnetischen Eigenschaften er zeugbar sein.

Die DE 24 46 509 B1 hat die Verwendung eines im flüssigen Zustand vakuumbehan delten Stahls als Elektroband zum Gegenstand. Der vakuumbehandelte Stahl enthält 0,1 bis 4,0 % Silizium und weniger als 0, 6 % Aluminium. Nach dem Kaltwalzen ist ein entkohlendes Glühen bei einer Temperatur von 750 bis 1250°C vorgesehen. Die Dokumente DE 102018204 298 A1 , DE 102018 204 299 A1 und DE 102018 204 300 A1 beschreiben Rotoren von permanentmagneterregten elektrischen Ma schinen. In den genannten Dokumenten wird davon ausgegangen, dass sich entwe der Elektrobleche oder Sinterwerkstoffe zum Aufbau von Rotoren elektrischer Maschi nen eignen.

Die DE 10 2005 048 793 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Wick lungsträgers einer elektrischen Maschine. Der Wicklungsträger weist unter anderem einen Grundkörper und mindestens zwei Polzähne auf. Zur Herstellung des Grund körpers wird Elektroblech oder gesintertes Material vorgeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Komponenten, nämlich Statoren oder Rotoren, von Elektromotoren gegenüber dem genannten Stand der Technik sowohl unter physikalischen als auch unter fertigungstechnischen Gesichts punkten weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtanord nung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ei ne danach hergestellte Schichtanordnung gemäß Anspruch 5. Im Folgenden im Zu sammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt Schichtanord nung, und umgekehrt.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine Eisenbasislegierung, um als Werkstoff für ein Elektroblech geeignet zu sein, möglichst hohe Legierungsgehalte an Aluminium und Silizium aufweisen sollte. Jedoch wird der Legierungsgehalt durch die Notwendigkeit, den Werkstoff zu walzen, begrenzt. Bei einem zu hohen Legierungs gehalt nimmt die Sprödigkeit zu, so dass es zur Rissbildung beim Kaltwalzen des Bandes kommen kann. Ein denkbarer Ansatz, Werkstoffe mit einem höheren Legierungsgehalt an Aluminium und Silizium für die Verwendung in Elektromotoren oder sonstigen elektrischen Ma schinen nutzbar zu machen, liegt darin, das betreffende Bauteil, das heißt Aktivteil, welches besonders vorteilhafte magnetische Eigenschaften aufweisen und sich insbe sondere durch geringe Ummagnetisierungsverluste auszeichnen soll, als Sinterteil zu fertigen. In einem solchen Fall liegt keine Struktur des Bauteils als Blech vor.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 führt die zwei im Stand der Technik üblichen Konzepte, nämlich einerseits die Fertigung eines weichmagneti schen Bauteils aus einer Vielzahl aufeinandergelegter Bleche und andererseits die Ur- formung eines solchen Bauteils als Sinterteil, zusammen, indem die Verwendung von als Sinterteilen ausgebildeten, weichmagnetischen Blechen in einer elektrischen Ma schine vorgeschlagen wird.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildete Schichtanordnung gemäß An spruch 5 umfasst mehrere, jeweils als Sinterbleche ausgebildete Elektrobleche, wel che elektrisch gegeneinander isoliert sind. Durch die Gestaltung der Elektrobleche als Sinterbleche sind im Vergleich zu bandförmigen Ausgangsmaterialien erweiterte Ge staltungsmöglichkeiten gegeben, wobei insbesondere eine einfache endkonturnahe Herstellung der Schichtanordnung möglich ist. Für die Verarbeitung von Blech typi sche Verarbeitungsschritte wie Stanzen können entfallen.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die als Sinterteile ausgebildeten Elektrobleche auf einfache Weise, auch unter Bedingungen der Serienfertigung, mit besonders geringer Dicke herstellbar sind. In bevorzugter Ausgestaltung weist jedes Elektroblech der Schichtanordnung eine Dicke von nicht mehr als 0,2 mm auf.

Zum technologischen Hintergrund wird, was die Herstellung von gesinterten Blechen betrifft, auf die EP 0 933 984 B1 hingewiesen. In diesem Fall wird die Herstellung ei nes Bleches auf der Basis von Metallfasern vorgeschlagen. lm Unterschied zu dem in der EP 0 933 984 B1 beschriebenen Verfahren sind zur Herstellung der anmeldungsgemäßen Schichtanordnung keine faserförmigen Aus gangsmaterialien vorgesehen.

Die Schichtanordnung aus Elektroblech wird mit folgenden Schritten hergestellt:

- Bereitstellung einer ein metallisches Pulver und einen Binder umfassenden Paste,

- Aufragen der Paste auf ein Substrat im Siebdruckverfahren,

- Bildung von Elektroblech durch Sintern der aufgetragenen Paste,

- Entfernen des Elektrobleches vom Substrat,

- Bildung eines Stapels aus gemäß den vorhergehenden Schritten erzeugten Elektroblechen.

Was das Siebdruckverfahren betrifft, wird beispielhaft auf die DE 199 35677 B4 hin gewiesen, aus der eine Paste für den Siebdruck von elektrischen Strukturen auf Trä germaterialien bekannt ist.

Weiter wird auf die Patentanmeldung US 2013/0180583 A1 hingewiesen, die eine Leitpaste für Feinlinien-Siebdruck mit hohem Streckungsverhältnis offenbart. Die im Siebdruck zu verarbeitende Leitpaste soll bei der Herstellung von Halbleiterbauele menten zur Verwendung kommen.

Grundsätzlich kann die Elektrobandlegierung, welche im Rahmen des Herstellungs verfahrens verwendet wird, eine Zusammensetzung wie ein herkömmliches Elektro- band aufweisen. In bevorzugter Ausgestaltung wird jedoch eine Legierung mit einem besonders hohen Anteil an Silizium und Aluminium verwendet, welche für eine Verar beitung durch Walzen nicht geeignet wäre. Das eingesetzte metallische Pulver wird vorzugsweise aus einer Eisenlegierung enthaltend größer 6,5 Gew.-% Silizium und weiterhin Aluminium im Bereich von 1 bis 5 Gew.-% gebildet. Bevorzugt wird das me tallische Pulver aus einer Eisenlegierung enthaltend Silizium im Bereich von größer als 6,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% gebildet. Solche Zusammensetzungen des verwende ten metallischen Pulvers sind erst durch den Einsatz eines generativen Fertigungsver fahrens überhaupt verwendbar. Dadurch werden höhere magnetische Flussdichten er reicht als mit bekannten Elektroblechen und die Leistungsfähigkeit von Elektromotoren signifikant erhöht.

Bei dem Binder, welcher Bestandteil der metallhaltigen, unter anderem Silizium und Aluminium enthaltenden Paste, aus welcher das Elektroblech durch einen Siebdruck- und Sinterprozess gefertigt wird, ist, handelt es sich typischerweise um ein organi sches Lösungsmittel. Nach dem Sintern ist das Elektroblech von der Unterlage, das heißt dem Substrat, zu entfernen. Je nach verwendeten Werkstoffen kann die Auf bringung einer Trennschicht auf dem Substrat vor dem Siebdruck zweckmäßig sein.

Die Aufgabe wird weiterhin für einen erfindungsgemäßen Stator oder Rotor eines Elektromotors gelöst, indem dieser mindestens eine erfindungsgemäße Schichtanord nung umfasst.

Ein erfindungsgemäßer Elektromotor umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Rotor oder Stator. Insbesondere handelt es sich bei dem Elektromotor sich um einen Synchronmotor oder Asynchronmotor.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung nä her erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein zum Einbau in einen Elektromotor vorgesehenes Elektroblech in Draufsicht,

Fig. 2 ein zur Herstellung des Elektrobleches zu verwendendes Sieb,

Fig. 3 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Arbeitsschritt zur Her stellung des Elektrobleches mit Hilfe des Siebes, Fig. 4 einen aus mehreren Elektroblechen und Isolierschichten gebildeten

Schichtaufbau,

Fig. 5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens zur Fierstellung des

Elektrobleches.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Elektroblech ist zur Ver wendung in einem Stator oder Rotor, das heißt Aktivteil, eines Elektromotors vorgese hen. Das Elektroblech 1 wird im Siebdruckverfahren erzeugt und stellt damit lediglich von seiner äußeren Form her ein Blech dar. Ein Blechwalzen ist nicht vorgesehen. Vielmehr handelt es sich bei dem Elektroblech 1 um ein Sinterteil, das heißt ein Sin terblech.

Die Fierstellung des Elektrobleches 1 im Siebdruckverfahren hat den Vorteil, dass auf einfache Weise eine endkonturnahe Formgebung möglich ist. Unter anderem werden Bohrungen 2, welche sich im Elektroblech 1 befinden, unmittelbar durch das Sieb druckverfahren erzeugt. Zu diesem Zweck wird ein Sieb 3 verwendet, welches Kontu ren aufweist, die den Endkonturen des Elektroblechs 1 , das heißt Blechelementes, entsprechen. Ein Rahmen des im vorliegenden willkürlich als trapezförmiges Element gezeichneten Siebes 3 ist mit 4 bezeichnet. Bei Siebdruck undurchlässige Scheiben flächen 6 entsprechen hinsichtlich ihrer Größe und Anordnung der Form und Lage der Bohrungen 2.

Zur Fierstellung eines Grünlings, aus welchem das Blechelement 1 gefertigt wird, wird das Sieb 3 auf ein Substrat 7 gelegt, welches beispielsweise aus einem metallischen oder einem keramischen Werkstoff gefertigt ist. Anschließend wird mit FHilfe einer Ra kel 8 Paste 9 durch das Sieb 3 gestrichen, so dass die Paste 9 die vorgesehenen Oberflächenbereiche des Substrates 7, entsprechend der Form des herzustellenden Blechelements 1 , in der gewünschten Schichtdicke bedeckt. Die Paste 9 ist im Wesentlichen gebildet aus einem Metallpulver, dessen chemische Zusammensetzung der gewünschten Zusammensetzung des Blechelementes 1 ent spricht, und einem Binder, welcher die Verarbeitung als Paste ermöglicht. Die Paste 9 kann noch weitere Bestandteile, wie Lösungsmittel, Farbstoffe und dergleichen um fassen. Was die Legierungszusammensetzung betrifft, sind bei der Paste 9 weitaus höhere Freiheiten gegeben, als bei Metalllegierungen für Bleche, das heißt definiti onsgemäß durch Walzen zu verarbeitende Werkstücke. Ein Biegen oder sonstiges Verformen des Blechelementes 1 nach der Herstellung ist nicht oder nur in geringem Maße vorgesehen. Aufgrund der gegebenen Legierungszusammensetzung wäre das Blechelement 1 für einen Kaltwalzprozess nicht geeignet.

Zur Herstellung eines Rotors oder Stators eines Elektromotors ist ein Schichtaufbau 10 zu erzeugen, wie er ausschnittsweise und schematisiert in Figur 4 dargestellt ist. Innerhalb des Schichtaufbaus 10 befinden sich zwischen einzelnen Blechelementen 1 der beschriebenen Art Isolierschichten 11 . Die Isolierschichten 11 sind auf beliebige Weise, auch im Siebdruckverfahren, erzeugbar.

In Figur 5 ist der Start des Herstellungsverfahrens als Verfahrensschritt S1 bezeich net. Als Schritt S2 folgt die Formgebung des Blechelementes 1 , wie in Figur 3 illus triert. Im Schritt S3 schließt sich eine thermische Behandlung des Blechelementes 1 an, durch welche der Binder aus dem Grünling entfernt wird und die metallischen Be standteile des Blechelementes 1 versintert werden. Das damit hergestellte Blechele ment 1 , das heißt Elektroblech, weist einen Anteil an Silizium und Aluminium von mehr als 7 Gew.-% auf. Die Dicke des Elektrobleches 1 beträgt maximal 0,2 mm.

Auf das fertiggestellte Blechelement 1 wird im Schritt S4 Isoliermaterial aufgetragen, welches im Schritt S5 durch thermische Behandlung in die feste, elektrisch isolierende Isolierschicht 11 gewandelt wird. Abweichend von der vereinfachten Darstellung nach Fig. 4 kann die Schichtdicke der Isolierschicht 11 von der Dicke des Elektrobleches 1 abweichen. Die Schritte S2 bis S5 werden bis zum vollständigen Aufbau des Schicht aufbaus 10 wiederholt. Der Schritt S6 bezeichnet den Abschluss des Herstellungsver fahrens. Die Reihenfolge der Schritte S2 bis S5 ist nicht zwingen vorgegeben. Insbesondere ist es möglich, zunächst sämtliche Elektrobleche 1, die zur Herstellung des Schichtauf- baus 10 benötigt werden, im Siebdruck- und Sinterverfahren vorzufertigen und erst dann zum Schichtaufbau 10 zusammenzusetzen.

Bezuqszeichenliste Blechelement, Elektroblech Bohrung Sieb Rahmen Siebfläche Scheibenfläche Substrat Rakel Paste Schichtaufbau Isolierschicht .. S6 Verfahrensschritte