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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Elements, ein mit dem Verfahren hergestelltes ringförmiges Element sowie dessen Verwendung.
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Ringförmige Elemente, die in elektrischen Maschinen in Verbindung mit Permanentmagneten eingesetzt werden, sind üblicherweise so ausgebildet, dass Permanentmagnete stoffschlüssig unter Einsatz von Haftvermittlern als Elemente für einen Stator oder Rotor fixiert werden. Dies ist fertigungstechnisch aufwändig und stellt einen mehrstufigen Prozess dar. Es sind umfangreiche Vorbehandlungen in den jeweiligen Fügebereichen erforderlich, was sich in einer intensiven Reinigung, die in der Regel mit organischen bzw. aggressiven Reinigungsmitteln durchgeführt wird und einer Vorbehandlung mit einem Primer im Fügebereich widerspiegelt.
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Die eingesetzten Haftvermittler sind aber nur begrenzt geeignet, widrigen Umgebungsbedingungen, wie z.B. klimatischer Einflüsse, Strahlung und insbesondere Feuchtigkeit dauerhaft zu widerstehen, so dass sich die stoffschlüssige Verbindung nach einer gewissen Betriebszeit lösen kann. Dabei wirken sich auch die mögliche Spaltkorrosion und der Einfluss von unvermeidbaren Schwingungen für ein Lösen der Verbindung nachteilig aus.
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Stoffschlüssige Verbindungen mit Haftvermittlern sind auch schwer exakt herstellbar, da ein gleichmäßiger Auftrag bzw. die homogene Verteilung des jeweiligen Haftvermittlers in einem Fügebereich, wenn überhaupt nur schwer erreichbar ist.
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So sind aus
US 5 353 491 A ein Verfahren zur Herstellung eines Rahmens und eine Magnetanordnung für eine dynamoelektrische Maschine bekannt.
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DE 10 2012 003 442 A1 betrifft einen Rotorgrundkörper und Rotor für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors.
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Ein Rotor für einen Elektromotor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung sind in
DE 10 2008 040348 A1 offenbart.
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Von S. Guenther u.a. sind in „Investigation of a composite ring rolling process considering bonding behaviour in FEM and experiment“; Procedia Engineering; 207; (2017); S. 1236 - 1241 Möglichkeiten zur Herstellung ringförmiger Elemente beschrieben.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung ringförmiger Elemente, die Träger für Permanentmagnete darstellen, anzugeben, bei denen auf Haftvermittler verzichtet werden kann und mit denen die Fertigung vereinfacht und eine dauerhafte Fixierung von Permanentmagneten erreicht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 9 betrifft ein mit dem Verfahren hergestelltes ringförmiges Element und Anspruch 10 dessen Verwendung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Mit dem Verfahren wird ein ringförmiges Element hergestellt, das mit mindestens einem Innenring und einem Außenring sowie im Innenring gehaltenen Permanentmagneten ausgebildet wird.
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Dabei wird so vorgegangen, dass für den Innenring ein erstes hohlzylinderförmiges metallisches Halbzeug, in dem zumindest radial nach außen weisend offene Aufnahmen für die formschlüssige Aufnahme von Permanentmagneten ausgebildet sind, und das einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser eines zweiten hohlzylinderförmigen metallischen Halbzeugs. Die Permanentmagnete werden in die Aufnahmen des ersten hohlzylinderförmigen Halbzeugs eingesetzt.
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Dann werden erstes und zweites hohlzylinderförmiges Halbzeug in einer Ringwalzanlage so zueinander positioniert, dass das zweite hohlzylinderförmige Halbzeug das erste hohlzylinderförmige Halbzeug umschließt. Daraufhin wird mittels einer Hauptwalze, die gegen die äußere Mantelfläche des zweiten hohlzylinderförmigen Halbzeugs mit einer vorgebbaren Druckkraft wirkt und mittels einer Dornwalze, die an der inneren Oberfläche des ersten hohlzylinderförmigen Halbzeugs mit einer vorgebbaren Druckkraft wirkt, bei Rotation der Hauptwalze und der Dornwalze bei gleichzeitiger Verringerung des Abstands zwischen der äußeren Mantelfläche der Hauptwalze und der äußeren Mantelfläche der Dornwalze eine plastische Verformung der hohlzylinderförmigen Halbzeuge erreicht, bei der sich der Außendurchmesser des ersten hohlzylinderförmigen Halbzeugs mehr vergrößert als sich der Innendurchmesser des zweiten hohlzylinderförmigen Halbzeugs verändert, so dass erstes und zweites kreisförmiges Halbzeug kraftschlüssig miteinander verbunden werden und das ringförmige Element ausbilden.
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Zwischen erstem und zweiten hohlzylinderförmigem Halbzeug wird also eine Art Presspassung erhalten. Der dort eingestellte Fugendruck sollte dabei werkstoff- und geometrieabhängig gewählt werden.
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Dabei wird ein erstes hohlzylinderförmiges Halbzeug eingesetzt, dessen metallischer Werkstoff eine geringere Fließspannung aufweist, als der metallische Werkstoff, mit dem das zweite hohlzylinderförmige Halbzeug gebildet ist. Dadurch kann davon ausgegangen werden, dass sich das erste hohlzylinderförmige Halbzeug während der Umformung bis zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung mehr verformt, als das zweite hohlzylinderförmige Halbzeug.
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Bevorzugt sollte der Abstand zwischen den äußeren Mantelflächen der Hauptwalze und der Dornwalze bei der Verformung der hohlzylinderförmigen Halbzeuge kontinuierlich beim Ringwalzen verkleinert werden, bis der Endzustand erreicht worden ist. Diese Abstandsänderung kann aber auch sukzessive, bei der der Abstand beispielsweise von Umdrehung zu Umdrehung bzw. nach einer vorgebbaren Anzahl von Umdrehungen schrittweise verkleinert wird, durchgeführt werden.
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Am Ende der plastischen Verformung, die durch eine Abstandsänderung zwischen den äußeren Mantelflächen der Hauptwalze und der Dornwalze erreicht worden ist, kann der Abstand über mindestens eine vollständige Umdrehung der beiden hohlzylinderförmigen Halbzeuge konstant gehalten werden.
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Die Aufnahmen für die Permanentmagnete können im ersten hohlzylinderförmigen Halbzeug durch Umformung und/oder spanende Bearbeitung ausgebildet werden. Dabei sollten die einzelnen Aufnahmen so dimensioniert und geometrisch gestaltet sein, dass ein Herausfallen und eine Zerstörung der Permanentmagnete während des Ringwalzens vermieden werden kann. Dabei soll die Verformung, die auch im Bereich der Aufnahmen erfolgt, berücksichtigt werden. Es sollte also insbesondere beachtet werden, dass sich die Tiefe von Aufnahmen für die Permanentmagnete infolge der Reduzierung der Wandstärke des ersten hohlzylinderförmigen Halbzeugs bei der plastischen Verformung, die während des Ringwalzens erfolgt, verändert. Es sollten, wenn überhaupt nur kleine Kräfte auf die in den Aufnahmen formschlüssig fixierten Permanentmagnete wirken. Es sollte aber auch vermieden werden, dass sich Permanentmagnete innerhalb eines fertig hergestellten ringförmigen Elements in Aufnahmen frei bewegen können. Es sollten also das Verformungsvermögen der eingesetzten metallischen Werkstoffe sowie die beim Ringwalzen auf die Halbzeuge wirkenden Druckkräfte bzw. wirkenden Flächenpressungen beachtet bzw. dementsprechend gewählt werden.
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Die Aufnahmen sollten über den Umfang des ersten hohlzylinderförmigen Halbzeugs gleichmäßig verteilt und äquidistant zueinander, bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Die Aufnahmen sollten auch gleich dimensioniert und geometrisch gestaltet ausgebildet sein, so dass in sie die jeweils gleich dimensionierten und geometrisch gestalteten Permanentmagnete eingesetzt werden können.
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Bevorzugt sollten die Aufnahmen als Durchbrechungen ausgebildet werden, deren freie Querschnittsfläche im Bereich der äußeren Mantelfläche des ersten hohlzylinderförmigen Halbzeugs größer ist, als die freie Querschnittsfläche an der inneren Mantelfläche des ersten hohlzylinderförmigen Elements. Dadurch können eine gute und sichere Fixierung und Montage erreicht werden. Außerdem sind Oberflächenbereiche der Permanentmagnete in Richtung des Inneren des fertig hergestellten ringförmigen Elements im Bereich eines freien Querschnitts der Aufnahmen an der inneren Mantelfläche des jeweiligen Innenrings frei gelegt. Die Öffnungen der Aufnahmen sind mit dem Außenring an der radial nach außen weisenden Oberfläche des Innenrings verschlossen, so dass die in den Aufnahmen aufgenommenen Permanentmagnete in den Aufnahmen sicher gehalten werden können.
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Der aus dem ersten hohlzylinderförmigen Halbzeug gebildete mindestens eine Innenring kann einen Käfig für die Permanentmagnete bilden.
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Als besonderes geeigneten Werkstoff für ein erstes hohlzylinderförmiges Halbzeug kann man ein Nichteisenmetall, bspw. Kupfer, Aluminium oder eine Kupfer- oder Aluminiumlegierung und als Werkstoff für ein zweites hohlzylinderförmiges Halbzeug kann man ein bspw. einen Stahl einsetzen, der für Lagerungen genutzt wird. Dies kann insbesondere ein 100Cr6 Stahl sein.
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Das Ringwalzen mit einer Verringerung des Abstands zwischen der äußeren Mantelfläche der Hauptwalze und der äußeren Mantelfläche der Dornwalze sollte so lange durchgeführt werden, bis ein Fugendruck von mindestens 4 MPa zwischen der äußeren Mantelfläche des ersten hohlzylinderförmigen Halbzeugs und der inneren Mantelfläche des zweiten hohlzylinderförmigen Halbzeugs erreicht worden ist.
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Beim Ringwalzen sollte die Wandstärke des ersten hohlzylinderförmigen Halbzeugs um mindestens 5 % mehr In Bezug zur Reduzierung der Wandstärke des zweiten hohlzylinderförmigen Halbzeugs bis der Endzustand erreicht und ein ringförmiges Element erhalten worden ist, verkleinert werden.
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Das mit dem Verfahren hergestellte ringförmige Element ist mit einem hohlzylinderförmigen Innenring und einem hohlzylinderförmigen Außenring gebildet. Innen- und Außenring sind an der äußeren Mantelfläche des Innenrings und der inneren Mantelfläche des Außenrings kraftschlüssig miteinander verbunden. Der hohlzylinderförmige Innenring ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet, der eine geringere Fließspannung aufweist, als der metallische Werkstoff aus dem der hohlzylinderförmige Außenring gebildet ist. Die Permanentmagnete sind in Aufnahmen, die bevorzugt im hohlzylinderförmigen Innenring ausgebildet sind, eingesetzt und in den Aufnahmen formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten. Bei dem erfindungsgemäß hergestellten ringförmigen Element handelt es sich prinzipiell um ein Verbundbauteil, das mit den metallischen Werkstoffen der beiden Halbzeuge gebildet und Träger für die darin fixierten Permanentmagnete ist.
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Die so hergestellten ringförmigen Elemente können für einen Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine verwendet werden. Der Einsatz in einem Elektromotor oder einem elektrischen Generator ist bevorzugt.
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Mit der Erfindung können Ausfälle an elektrischen Maschinen reduziert und deren Verfügbarkeit erhöht werden.
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Bei einem Einsatz unter schwierigen Umgebungsbedingen, wie sie in Kraftwerken vorkommen, sind die erhöhte Resistenz gegenüber Strahlung und erhöhten Temperaturen sowie verbesserte Rundlaufeigenschaften vorteilhaft.
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Bei Einsatz in Atmosphären mit erhöhter Luftfeuchtigkeit, wie sie z.B. in der Schifffahrt oder Landwirtschaft vorkommen, ist der Verzicht auf Haftvermittler günstig. Haftvermittler neigen, insbesondere bei erhöhten Temperaturen und Feuchtigkeit zu einer Degradation, die zur Verringerung bzw. dem vollständigen Verlust der Haftwirkung führen können.
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Der Aufwand für die Fertigung eines Blechpakets kann vermieden werden. Es sind keine zusätzlichen Maßnahmen für die Fixierung der Permanentmagnete erforderlich, was den Herstellungsaufwand zusätzlich verringert. Die Anzahl der erforderlichen Fertigungsschritte sowie die für die Fertigung erforderliche Zeit können reduziert werden. Natürliche Ressourcen können wegen des Verzichts auf Haftvermittler und/oder Elemente, die bisher zur Fixierung von Permanentmagneten erforderlich waren, geschont werden.
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Da auf einen Eintrag von Energie, der zu einer Erwärmung von Werkstoff führen kann, oder auf ein Blechpaket wirkende Klemmkräfte verzichtet werden kann, werden unerwünschte mechanische Spannungen vermieden.
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Durch Einstellmöglichkeiten, bei der Durchführung des Ringwalzprozesses können die erreichbaren Rundlaufeigenschaften vorteilhaft beeinflusst werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 in einer perspektivischen und in einer Schnittdarstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen ringförmigen Elements und
- 2 in einer perspektivischen Darstellung Möglichkeiten für die Herstellung eines ringförmigen Elements mittels Ringwalzens.
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäß hergestellten ringförmigen Elements ist dieses mit einem Außenring 2 und einem Innenring 1, die kraftschlüssig an der inneren Mantelfläche des Außenrings 2 und der äußeren Mantelfläche des Innenrings 1 miteinander verbunden sind, gebildet.
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Im Innenring 1 sind über dessen Umfang gleichmäßig verteilt äquidistant zueinander angeordnete jeweils gleich ausgebildete Aufnahmen als offene Durchbrechung ausgebildet.
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Wie man insbesondere der Schnittdarstellung entnehmen kann, ist der freie Querschnitt der als Durchbrechung ausgebildeten Aufnahmen in Richtung Außenring 2 größer als an der inneren Mantelfläche des Innenrings 1. Dort ist sogar ein sich konisch verjüngender Bereich vorhanden. So kann gesichert werden, dass Oberflächenbereiche der Permanentmagnete 3 nach außen frei liegen und trotzdem ein Herausfallen der Permanentmagnete 3 vermieden werden kann. Durch den größeren freien Querschnitt können die Permanentmagnete 3 problemlos vor der Durchführung des Ringwalzprozesses in die Aufnahmen eingeführt werden. Die Permanentmagnete 3 sind in den Aufnahmen des fertig gewalzten Innenrings 1 formschlüssig fixiert bzw. gehalten.
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In 2 ist gezeigt, wie das Ringwalzen der hohlzylinderförmigen Halbzeuge 1.1 und 2.1 durchgeführt werden kann.
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Dazu werden das erste hohlzylinderförmige Halbzeug 1.1, bei dem die Permanentmagnete 3 in die Aufnahmen eingesetzt worden sind, und das zweite hohlzylinderförmige Halbzeug so zueinander positioniert, dass das erste hohlzylinderförmige Halbzeug 1.1 vom zweiten hohlzylinderförmigen Halbzeug 2.1 an seiner äußeren Mantelfläche umschlossen ist.
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Die äußere Mantelfläche des zweiten hohlzylinderförmigen Elements 2.1 wird an eine äußere Mantelfläche einer Hauptwalze 4 angedrückt und mit Rundwalzen 6 stabilisiert. Die axiale Führung des hohlzylinderförmigen Halbzeugs erfolgt durch eine Profilierung der Hauptwalze 4 und der Dornwalze 5. Gleichzeitig werden Druckkräfte von der Dornwalze 5 auf die innere Mantelfläche des ersten hohlzylinderförmigen Halbzeugs 1.1 ausgeübt. Dabei rotieren die Hauptwalze 4, die Dornwalze 5 sowie die beiden Halbzeuge 1.1 und 2.1 um jeweils parallel zueinander ausgerichtete Rotationsachsen. Durch die Rotationsbewegung und die wirkenden Druckkräfte kann eine bevorzugt gleichmäßige Verformung über den Umfang der beiden hohlzylinderförmigen Halbzeuge 1.1 und 2.1 erreicht werden.
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Nach einer oder einer vorgebbaren Anzahl von Umdrehungen wird er Abstand zwischen den äußeren Mantelflächen von Hauptwalze 4 und Dornwalze 5 reduziert, so dass eine stärkere Verformung dadurch erreicht wird.
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Dieser Abstand kann auch kontinuierlich verkleinert werden, bis ein Endmaß dafür erreicht worden ist. Dann sollte noch mindestens eine vollständige Umdrehung der bereits kraftschlüssig miteinander verbundenen Halbzeuge 1.1 und 2.1 durchgeführt werden, um eine konstante Wandstärke von Innenring 1 und Außenring 2 über den gesamten Umfang sicher einhalten zu können.
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Die Rotationsbewegung kann dadurch erreicht werden, dass die Hauptwalze 4 und/oder die Dornwalze 5 mittels eines Drehantriebs gedreht wird/werden.
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Das erste hohlzylinderförmige Halbzeug 1.1 ist bei diesem Beispiel aus Messing und das zweite hohlzylinderförmige Halbzeug 2.1 aus Wälzlagerstahl 100Cr6 als metallischer Werkstoff hergestellt. Das erste hohlzylinderförmige Halbzeug 1.1 hatte eine Ausgangswandstärke von 3 mm bis 15 mm und der damit ausgebildete Innenring 1 hatte eine Wandstärke von 2 mm bis 10 mm. Das zweite hohlzylinderförmige Halbzeug 2.1 hatte eine Ausgangswandstärke von 3 mm bis 15 mm und der damit ausgebildete Außenring 2 hatte eine Wandstärke von 2 mm bis 10 mm.
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Das Ringwalzen sollte so lange durchgeführt werden, bis ein Fugendruck von mindestens 4 MPa im Bereich der Fügung, also im Bereich der äußeren Mantelfläche des Innenrings 1 und der inneren Mantelfläche des Außenrings 2 erreicht worden ist.