DE102023115056A1 - Process for the additive manufacturing of a component with a laminated magnetic core and component manufactured thereby - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils mit einem lamelierten Magnetkern. Durch schichtweises Auftragen von Filamenten wird zunächst ein Grünteil, dann ein Braunteil und daraus in einem Sinterprozess das Bauteil hergestellt. Aus Elektroblechfilament und aus Isoliermaterialfilament werden so Lamellen und isolierende Schichten des Magnetkerns hergestellt. Erfindungswesentlich ist entweder vorgesehen, dass eine den Magnetkern umklammernde Haltestruktur aus einem dritten Filament hergestellt wird oder dass Lötmaterial, welches im Elektroblechfilament oder im Isoliermaterialfilament enthalten ist, die Lamellen und die isolierenden Schichten stoffschlüssig miteinander verbindet. Schutz wird außerdem für ein entsprechendes Bauteil und einen Elektromotor mit dem Bauteil beansprucht. The invention relates to a method for the additive production of a component with a laminated magnetic core. By applying filaments layer by layer, first a green part is produced, then a brown part, and from this the component is produced in a sintering process. Lamellas and insulating layers of the magnetic core are thus produced from electrical sheet filament and insulating material filament. Essential to the invention, it is either provided that a holding structure enclosing the magnetic core is produced from a third filament or that soldering material, which is contained in the electrical sheet filament or in the insulating material filament, connects the lamellae and the insulating layers to one another in a materially bonded manner. Protection is also claimed for a corresponding component and an electric motor with the component.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem lamellierten Magnetkern nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors, welches das erfindungsgemäße Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils einschließt, sowie ein verfahrensgemäß hergestelltes Bauteil und einen verfahrensgemäß hergestellten Elektromotor.The invention relates to methods for producing a component with a laminated magnetic core according to the preamble of
Bauteile, die einen lamellierten Magnetkern aufweisen und die mit der Erfindung hergestellt werden können, sind insbesondere der Stator und der Rotor eines Elektromotors. Der lamellierte Magnetkern wird auch Blechpaket genannt, da der Magnetkern traditionell aus einer Vielzahl von Blechabschnitten gefertigt wird, die übereinander angeordnet werden und beispielsweise mittels eines Trennlackes elektrisch voneinander isoliert werden. Die einzelnen Blechabschnitte bilden so Blechlamellen des lamellierten Magnetkerns, die bei der Verwendung des hergestellten Bauteils später dafür sorgen, dass Wirbelströme, die insbesondere im Stator oder Rotor eines Elektromotors entstehen können, minimiert werden. Denn die für die Entstehung von Wirbelströmen im Elektromotor aufgewendete Energie kann nicht für die Leistung des Elektromotors genutzt werden und macht sich daher als Leistungsverlust bemerkbar, der außerdem in Form von Wärme abgeführt werden muss, also eine leistungsfähige Kühlung des Elektromotors erforderlich macht.Components that have a laminated magnetic core and that can be manufactured using the invention are in particular the stator and the rotor of an electric motor. The laminated magnetic core is also called a laminated core, since the magnetic core is traditionally made from a large number of sheet metal sections that are arranged one above the other and are electrically insulated from one another, for example by means of a separating varnish. The individual sheet metal sections thus form sheet metal laminations of the laminated magnetic core, which, when the manufactured component is later used, ensure that eddy currents, which can arise in particular in the stator or rotor of an electric motor, are minimized. This is because the energy used to create eddy currents in the electric motor cannot be used for the performance of the electric motor and is therefore noticeable as a loss of power, which also has to be dissipated in the form of heat, thus requiring efficient cooling of the electric motor.
Die einzelnen Blechabschnitte werden traditionell aus gewalztem Blech gestanzt oder lasergeschnitten. Derartige Blechabschnitte sowie Blechpakete mit den aus diesen Blechabschnitten gebildeten Blechlamellen können zwar prinzipiell in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden. Die Handhabung kleiner Schichtdicken ist jedoch aufwändig und teuer. Daher erfordert bereits die Herstellung von Magnetkernen mit Blechlamellen aus gestanztem Blech, welches eine Schichtdicke von beispielsweise unter 1 mm aufweist, einen aus Kostengründen nicht mehr vertretbaren Aufwand. Hieraus ergibt sich eine gewisse Mindestdicke der traditionell aus gestanztem Blech hergestellten Blechlamellen, die dazu führt, dass ein hiervon abhängiges Mindestmaß an Wirbelströmen im Betrieb einer Vorrichtung mit einem damit hergestellten Magnetkern unvermeidlich ist.The individual sheet metal sections are traditionally punched or laser cut from rolled sheet metal. Such sheet metal sections and sheet metal packages with the sheet metal lamellae formed from these sheet metal sections can in principle be produced cost-effectively in large quantities. However, handling small layer thicknesses is complex and expensive. Therefore, the production of magnetic cores with sheet metal lamellae made from punched sheet metal, which has a layer thickness of less than 1 mm, for example, requires an effort that is no longer justifiable for cost reasons. This results in a certain minimum thickness of the sheet metal lamellae traditionally made from punched sheet metal, which means that a minimum level of eddy currents dependent on this is unavoidable when operating a device with a magnetic core made from this material.
Mit additiven Fertigungsverfahren, die auch als 3D-Druck bezeichnet werden, können lamellierte Magnetkerne hergestellt werden, bei denen eine größere Freiheit hinsichtlich der Zusammensetzung der Schichten, aus denen die Magnetkerne aufgebaut werden, besteht. Zum Auftragen und Aushärten der einzelnen Schichten sind mehrere Verfahren bekannt. Ein bekanntes Verfahren ist die sogenannte Fused Filament Fabrication (FFF), bei der wenigstens ein Filament aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen wird, so dass ein sogenanntes Grünteil entsteht. Das jeweilige Filament enthält eine Kunststoffmatrix und darin eingebunden das Material, aus dem die aufzubauende Schicht später zusammengesetzt sein soll. Der Kunststoff wird in einem Entbinderprozess beispielsweise chemisch aus dem Grünteil entfernt, so dass ein sogenanntes Braunteil entsteht, welches dann nachfolgend den sogenannten Sinterprozess durchläuft, wobei das Braunteil erhitzt wird und dabei schrumpft. Das Schrumpfungsverhalten hängt dabei von der Zusammensetzung der verwendeten Filamente ab und kann problematisch für den Zusammenhalt der Schichten sein, insbesondere wenn Schichten aneinander grenzen, die aus Filamenten mit stark voneinander abweichendem Schrumpfungsverhalten hergestellt sind.Additive manufacturing processes, also known as 3D printing, can be used to produce laminated magnetic cores that allow greater freedom in the composition of the layers from which the magnetic cores are built. Several processes are known for applying and curing the individual layers. One well-known process is so-called Fused Filament Fabrication (FFF), in which at least one filament is melted and applied layer by layer to create a so-called green part. Each filament contains a plastic matrix and, embedded in it, the material from which the layer to be built up will later be composed. The plastic is removed from the green part in a debinding process, for example chemically, to create a so-called brown part, which then subsequently undergoes the so-called sintering process, whereby the brown part is heated and shrinks in the process. The shrinkage behavior depends on the composition of the filaments used and can be problematic for the cohesion of the layers, especially when layers are adjacent to each other that are made of filaments with very different shrinkage behavior.
Ein für die erfindungsgemäßen Verfahren gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Leistungsverluste eines mit einem gattungsgemäßen Bauteil herstellbaren Elektromotors weiter zu verringern und hierfür Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem lamellierten Magnetkern anzugeben. Insbesondere sollen entsprechende Verfahren angegeben werden, die große Freiheiten bei der Wahl einer für die Leistung vorteilhaften Zusammensetzung der Filamente für die metallischen Lamellen und für die isolierenden Schichten des Magnetkerns auch bei dadurch geändertem Schrumpfungsverhalten im Sinterprozess erlauben. Ferner sollen ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors, ein verfahrensgemäß hergestelltes Bauteil und ein verfahrensgemäß hergestellter Elektromotor angegeben werden.The invention is based on the object of further reducing power losses of an electric motor that can be produced with a generic component and, for this purpose, of providing methods for producing a component with a laminated magnetic core. In particular, appropriate processes are to be specified that allow great freedom in choosing a composition of the filaments for the metallic lamellae and for the insulating layers of the magnetic core that is advantageous for performance, even if this changes the shrinkage behavior in the sintering process. Furthermore, a process for producing an electric motor, a component produced according to the process and an electric motor produced according to the process are to be specified.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils nach dem Patentanspruch 1 sowie mit einem Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils nach dem Patentanspruch 2. Außerdem löst die Erfindung die Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors nach dem Patentanspruch 14, mit einem Bauteil nach dem Patentanspruch 15 und mit einem Elektromotor nach dem Patentanspruch 16.The invention solves this problem with a method for additively manufacturing a component according to patent claim 1 and with a method for additively manufacturing a component according to
Gemäß einer ersten Lösung der Aufgabe ist bei einem Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils mit einem lamellierten Magnetkern, der eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten und elektrisch gegeneinander isolierten metallischen Lamellen aufweist, wobei aus Filamenten, die ein Bindemittel enthalten, durch schichtweises Auftragen und Verfestigen der Filamente ein Grünteil hergestellt wird, wobei das Grünteil mit einem Elektroblechfilament für den Aufbau der Lamellen und mit einem Isoliermaterialfilament für den Aufbau isolierender Schichten zwischen den Lamellen hergestellt wird, wobei aus dem Grünteil in einem Entbinderprozess durch Entfernen des Bindemittels ein Braunteil hergestellt wird und wobei aus dem Braunteil in einem Sinterprozess durch Erhitzen mit damit einhergehender Schrumpfung und Verfestigung das Bauteil mit dem lamellierten Magnetkern hergestellt wird, erfindungswesentlich vorgesehen, dass das Bauteil mit wenigstens einer den Magnetkern zumindest teilweise umklammernden Haltestruktur aus einem dritten Filament, das aus einem nicht magnetischen Material besteht, hergestellt wird, wobei auch das dritte Filament zur Herstellung des Grünteils schichtweise aufgetragen und verfestigt wird und wobei die Anordnung des dritten Filaments und das für das dritte Filament gewählte Material derart an die Dicke und Anordnung und das im Sinterprozess auftretende Schrumpfungsverhalten der Schichten aus Elektroblechfilament und der Schichten aus Isoliermaterialfilament angepasst ist, dass die aus dem dritten Filament nach dem Sinterprozess entstandene Haltestruktur die Lamellen und die isolierenden Schichten klemmend relativ zueinander fixiert. Die Haltestruktur wird also zusammen mit dem Magnetkern hergestellt und hält nachfolgend die Schichten des Magnetkerns in gewünschter Weise zusammen.According to a first solution to the problem, in a method for the additive production of a component with a laminated magnetic core, which has a plurality of metallic lamellae arranged parallel to one another and electrically insulated from one another, wherein a green part is produced from filaments containing a binding agent by applying and solidifying the filaments layer by layer, wherein the green part is produced with an electrical sheet filament for the construction of the lamellae and with an insulating material filament for the construction of insulating layers between the lamellae, wherein a brown part is produced from the green part in a debinding process by removing the binding agent and wherein the component with the laminated magnetic core is produced from the brown part in a sintering process by heating with associated shrinkage and solidification, it is provided as part of the invention that the component is produced with at least one holding structure at least partially enclosing the magnetic core from a third filament made of a non-magnetic material, wherein the third filament is also applied and solidified in layers to produce the green part and wherein the arrangement of the third filament and the material selected for the third filament are adapted to the thickness and arrangement and the shrinkage behavior of the layers of electrical sheet filament and the layers of insulating material filament that occur during the sintering process, such that the holding structure created from the third filament after the sintering process clamps the lamellae and the insulating layers relative to one another. The holding structure is therefore manufactured together with the magnetic core and subsequently holds the layers of the magnetic core together in the desired manner.
Gemäß einer zweiten Lösung der Aufgabe ist bei einem Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils mit einem lamellierten Magnetkern, der eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten und elektrisch gegeneinander isolierten metallischen Lamellen aufweist, wobei aus Filamenten, die ein Bindemittel enthalten, durch schichtweises Auftragen und Verfestigen der Filamente ein Grünteil hergestellt wird, wobei das Grünteil mit einem Elektroblechfilament für den Aufbau der Lamellen und mit einem Isoliermaterialfilament für den Aufbau isolierender Schichten zwischen den Lamellen hergestellt wird, wobei aus dem Grünteil in einem Entbinderprozess durch Entfernen des Bindemittels ein Braunteil hergestellt wird und wobei aus dem Braunteil in einem Sinterprozess durch Erhitzen mit damit einhergehender Schrumpfung und Verfestigung das Bauteil mit dem lamellierten Magnetkern hergestellt wird, erfindungswesentlich vorgesehen, dass im Sinterprozess Lötmaterial, welches im Elektroblechfilament oder im Isoliermaterialfilament enthalten ist, schmilzt und das aus dem Isoliermaterialfilament gebildete Isoliermaterial, insbesondere dort, wo es an das aus dem Elektroblechfilament gebildete Material angrenzt, benetzt und dadurch nach dem Abschluss des Sinterprozesses zumindest die aus dem Elektroblechfilament gebildeten Lamellen und die jeweils angrenzenden aus dem Isoliermaterialfilament gebildeten isolierenden Schichten stoffschlüssig miteinander verbindet. Die Erfindung ordnet das Lötmaterial direkt in den Filamenten an, aus denen Schichten des Magnetkerns hergestellt werden. Die Schichten werden also nicht auf die vom sogenannten Sinterlöten bekannte Weise mittels zusätzlich zwischen den Schichten aufzutragenden Lötmaterials miteinander verbunden.According to a second solution to the problem, in a method for additively manufacturing a component with a laminated magnetic core, which has a plurality of metallic lamellae arranged parallel to one another and electrically insulated from one another, wherein a green part is produced from filaments containing a binding agent by applying the filaments layer by layer and solidifying them, wherein the green part is produced with an electrical sheet filament for the construction of the lamellae and with an insulating material filament for the construction of insulating layers between the lamellae, wherein a brown part is produced from the green part in a debinding process by removing the binding agent and wherein the component with the laminated magnetic core is produced from the brown part in a sintering process by heating with associated shrinkage and solidification, it is provided as part of the invention that in the sintering process, soldering material contained in the electrical sheet filament or in the insulating material filament melts and wets the insulating material formed from the insulating material filament, in particular where it borders on the material formed from the electrical sheet filament, and thereby after completion of the sintering process, at least the lamellae formed from the electrical sheet filament and the adjacent insulating layers formed from the insulating material filament are bonded together. The invention arranges the soldering material directly in the filaments from which layers of the magnetic core are made. The layers are therefore not bonded together in the manner known from so-called sintering soldering by means of additional soldering material applied between the layers.
Beide erfindungsgemäßen Lösungen der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe sorgen dafür, dass die metallischen Lamellen des Magnetkerns sicher mit den isolierenden Schichten verbunden werden und bleiben, nämlich entweder durch die klemmende Haltestruktur oder durch die mit dem Lötmaterial in Filamenten hergestellte stoffschlüssige Verbindung der Schichten des Magnetkerns, wobei jeweils sowohl dem Entstehen von Lücken zwischen den Schichten im Sinterprozess als auch etwaigen Überlastungen und damit dem Entstehen von Spannungsrissen im Magnetkern entgegengewirkt ist. Zugleich können sowohl die metallischen Lamellen mit einer großen Freiheit bei der Wahl der verwendeten Materialien als auch die isolierenden Schichten zwischen den metallischen Lamellen sehr dünn ausgeführt werden, wodurch Wirbelströme bei der späteren Verwendung des Magnetkerns und dadurch Leistungsverluste, beispielsweise eines den Magnetkern aufweisenden Elektromotors, minimiert werden können. Damit lassen sich platzsparend leistungsfähige Elektromotoren bauen. Die Grenzflächen zwischen den Schichten des Magnetkerns sind insbesondere in Ebenen angeordnet, die senkrecht zur Achse des Magnetkerns ausgerichtet sind.Both solutions according to the invention to the problem underlying the invention ensure that the metallic lamellae of the magnetic core are and remain securely connected to the insulating layers, namely either by the clamping holding structure or by the material connection of the layers of the magnetic core made with the soldering material in filaments, whereby both the formation of gaps between the layers in the sintering process and any overloading and thus the formation of stress cracks in the magnetic core are counteracted. At the same time, both the metallic lamellae can be made very thin with great freedom in the choice of materials used and the insulating layers between the metallic lamellae can be made very thin, which means that eddy currents during later use of the magnetic core and thus power losses, for example of an electric motor having the magnetic core, can be minimized. This allows powerful electric motors to be built in a space-saving manner. The interfaces between the layers of the magnetic core are particularly especially arranged in planes that are perpendicular to the axis of the magnetic core.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Verfahren wird jede Lamelle aus genau einer aufgetragenen Schicht des Elektroblechfilaments gebildet. Die dadurch erzielte Dicke jeder Lamelle nach dem Sinterprozess beträgt vorzugsweise weniger als 0,04 mm, weiter bevorzugt auf weniger als 0,02 mm, besonders bevorzugt etwa 0,016 mm.In preferred embodiments of the method, each lamella is formed from exactly one applied layer of the electrical steel filament. The resulting thickness of each lamella after the sintering process is preferably less than 0.04 mm, more preferably less than 0.02 mm, particularly preferably about 0.016 mm.
Das Elektroblechfilament enthält besonders bevorzugt Eisen, insbesondere in einer Eisenlegierung. Das Eisen ist entweder kornorientiert oder nicht kornorientiert. Das Bindemittel im jeweiligen Filament ist vorzugsweise ein Polymer, welches eine Matrix bereitstellt, in welche die nach dem Entbinderprozess verbleibenden Bestandteile des jeweiligen Filaments eingebunden sind.The electrical steel filament particularly preferably contains iron, in particular in an iron alloy. The iron is either grain-oriented or non-grain-oriented. The binder in the respective filament is preferably a polymer which provides a matrix into which the components of the respective filament remaining after the debinding process are bound.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass jeder vergleichsweise weiter außen angeordnete äußere Abschnitt des Grünteils, der wenigstens einen vergleichsweise weiter innen angeordneten und aus jeweils einem Filament gebildeten inneren Abschnitt des Grünteils umklammert, aus einem Filament aufgebaut wird, mit dem der jeweilige äußere Abschnitt zur Verbindung mit dem jeweiligen inneren Abschnitt im Sinterprozess vergleichsweise mindestens so stark wie oder stärker schrumpft als dieser innere Abschnitt. Dadurch wird verhindert, dass im Sinterprozess weiter innen angeordnete Abschnitte so stark schrumpfen, dass Lücken zwischen dem jeweiligen inneren und dem jeweils äußeren Abschnitt entstehen.In a preferred embodiment of the first method according to the invention, it is provided that each outer section of the green part arranged comparatively further outwards, which encloses at least one inner section of the green part arranged comparatively further inwards and formed from a filament, is constructed from a filament with which the respective outer section shrinks at least as much as or more than this inner section in order to connect to the respective inner section in the sintering process. This prevents sections arranged further inwards from shrinking so much in the sintering process that gaps arise between the respective inner and outer sections.
Bei einer hierauf aufbauenden vorteilhaften Ausführungsform des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Grünteil mit wenigstens einem Hohlraum im Bereich zwischen den jeweils umklammernden Bereichen des jeweiligen äußeren Abschnitts aufgebaut. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass der jeweilige äußere Abschnitt so viel stärker schrumpft als der innere Abschnitt, dass sich der wenigstens eine Hohlraum schließt. Der äußere Abschnitt umgibt den inneren Abschnitt vorzugsweise zumindest in radialer Richtung ringförmig und weiter bevorzugt auch klammernd in axialer Richtung des zu fertigenden Magnetkerns. Der Hohlraum befindet sich insbesondere zwischen der radialen Außenseite des Magnetkörpers und der radialen Innenseite der Haltestruktur.In an advantageous embodiment of the first method according to the invention based on this, the green part is constructed with at least one cavity in the area between the respective clasping areas of the respective outer section. In this case, it is provided in particular that the respective outer section shrinks so much more than the inner section that the at least one cavity closes. The outer section preferably surrounds the inner section in a ring shape at least in the radial direction and more preferably also in a clamping manner in the axial direction of the magnetic core to be produced. The cavity is located in particular between the radial outer side of the magnetic body and the radial inner side of the holding structure.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des ersten Verfahrens ist vorgesehen, dass das Grünteil mit wenigstens einem Hohlraum im Bereich zwischen den aus dem dritten Filament aufgebauten Abschnitten, aus welchen die Teile des Magnetkerns umklammernden Abschnitte der Haltestruktur hergestellt werden, aufgebaut wird und dass beim Sinterprozess des aus dem Grünteil gebildeten Braunteils die aus dem dritten Filament gebildeten Abschnitte des Braunteils zumindest zwischen ihren umklammernden Abschnitten stärker schrumpfen als die zwischen diesen umklammernden Abschnitten für die Bildung des Magnetkerns aus dem Elektroblechfilament und dem Isoliermaterialfilament gebildeten Abschnitte des Braunteils, so dass sich der wenigstens eine Hohlraum schließt.In an advantageous embodiment of the first method, it is provided that the green part is constructed with at least one cavity in the region between the sections constructed from the third filament, from which the sections of the holding structure enclosing the parts of the magnetic core are produced, and that during the sintering process of the brown part formed from the green part, the sections of the brown part formed from the third filament shrink more, at least between their enclosing sections, than the sections of the brown part formed between these enclosing sections for the formation of the magnetic core from the electrical sheet filament and the insulating material filament, so that the at least one cavity closes.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen des ersten Verfahrens unterscheidet sich das für den Aufbau der Haltestruktur verwendete dritte Filament von dem für den Aufbau des Magnetkerns verwendeten Elektroblechfilament und von dem ebenfalls für den Aufbau des Magnetkerns verwendeten Isoliermaterialfilament, insbesondere in seinem Schrumpfungsverhalten. Dadurch ist eine sichere Klemmung bei stark unterschiedlichem Schrumpfungsverhalten der Filamente für den Magnetkern möglich, auch ohne hierbei Lücken beim Aufbau der Schichten vorsehen zu müssen. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass im Sinterprozess die für den Aufbau des Magnetkerns verwendeten Filamente vergleichsweise unterschiedlich stark schrumpfen und dass das für den Aufbau der Haltestruktur verwendete dritte Filament weniger stark schrumpft als das für den Aufbau des Magnetkerns verwendete stärker schrumpfende Filament und stärker schrumpft als das für den Aufbau des Magnetkerns verwendete weniger stark schrumpfende Filament.In particularly preferred embodiments of the first method, the third filament used to construct the holding structure differs from the electrical sheet filament used to construct the magnetic core and from the insulating material filament also used to construct the magnetic core, in particular in its shrinkage behavior. This makes it possible to securely clamp the filaments for the magnetic core with very different shrinkage behavior, even without having to provide gaps when building the layers. In particular, it is provided that the filaments used to construct the magnetic core shrink to comparatively different degrees in the sintering process and that the third filament used to construct the holding structure shrinks less than the more strongly shrinking filament used to construct the magnetic core and shrinks more than the less strongly shrinking filament used to construct the magnetic core.
Die Haltestruktur umklammert den Magnetkern bei aus Gewichtsgründen vorteilhaften Ausführungsformen nur punktuell, so dass sich der Magnetkern zumindest nicht aus der Umklammerung lösen kann. Insbesondere ist der Magnetkern formschlüssig in der Haltestruktur gehalten. Bei anderen Ausführungsformen ist die Haltestruktur ringförmig ausgebildet und hintergreift den Magnetkern in axialer Richtung des Magnetkerns als durchgehender Ring. Diese beiden Ausführungsformen sind insbesondere bei einem Rotor eines Elektromotors vorgesehen, wenn dieser Rotor den Magnetkern aufweist. Wahlweise kann auch der Stator des Elektromotors entsprechend ausgebildet sein.In embodiments that are advantageous for reasons of weight, the holding structure only clasps the magnetic core at certain points, so that the magnetic core cannot at least come loose from the clasp. In particular, the magnetic core is held in the holding structure in a form-fitting manner. In other embodiments, the holding structure is ring-shaped and engages behind the magnetic core in the axial direction of the magnetic core as a continuous ring. These two embodiments are provided in particular for a rotor of an electric motor if this rotor has the magnetic core. Optionally, the stator of the electric motor can also be designed accordingly.
Bei einer besonderen Ausführungsform des ersten Verfahrens wird die Haltestruktur als Gehäuse ausgebildet, welches den Magnetkern vollständig oder zumindest teilweise umgibt. Insbesondere bildet die Haltestruktur das Gehäuse eines Elektromotors aus. Der Magnetkern ist dabei insbesondere Teil eines Stators des Elektromotors.In a particular embodiment of the first method, the holding structure is designed as a housing which completely or at least partially surrounds the magnetic core. In particular, the holding structure forms the housing of an electric motor. The magnetic core is in particular part of a stator of the electric motor.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Lötmaterial wenigstens ein Refraktärmetall enthält oder aus wenigstens einem Refraktärmetall besteht. Das Refraktärmetall ist ein hochschmelzendes, unedles Metall aus der vierten, fünften oder sechsten Nebengruppe, also beispielsweise Vanadium, Chrom oder Molybdän. Jedes Refraktärmetall weist einen verglichen mit anderen Metallen, wie Eisen, hohen Schmelzpunkt und niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.In a preferred embodiment of the second method according to the invention, it is provided that the soldering material contains at least one refractory metal or consists of at least one refractory metal. The refractory metal is a high-melting, base metal from the fourth, fifth or sixth subgroup, for example vanadium, chromium or molybdenum. Every refractory metal has a high melting point and a low coefficient of thermal expansion compared to other metals such as iron.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des zweiten Verfahrens ist das Lötmaterial nur außenseitig am jeweiligen Filament angeordnet, wodurch eine Anordnung des Lötmaterials in der aus dem Filament aufgetragenen Schicht erreicht wird, die, insbesondere nach dem Entbinderprozess, die Verbindung der Schichten durch Aufschmelzen und Erhärten des Lötmaterials begünstigt.In an advantageous embodiment of the second method, the soldering material is arranged only on the outside of the respective filament, whereby an arrangement of the soldering material in the layer applied from the filament is achieved, which, in particular after the debinding process, promotes the connection of the layers by melting and hardening of the soldering material.
Beide erfindungsgemäßen Verfahren zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe sind optional mit weiteren, nachfolgend beschriebenen, Ausführungsformen weitergebildet. Bei dem jeweiligen Verfahren ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass das Bauteil mit einem Gehäuse hergestellt wird. Bei Ausführungsformen, bei denen bereits die Haltestruktur als Gehäuse ausgebildet ist, ist das Gehäuse ein zur Haltestruktur zusätzliches Gehäuse. Vorzugsweise wird das Gehäuse aus einem weiteren Isoliermaterialfilament, das aus einem nicht magnetischen Material besteht, hergestellt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass auch das weitere Isoliermaterialfilament zur Herstellung des Grünteils schichtweise aufgetragen und verfestigt wird. Besonders bevorzugt unterscheidet sich das für den Aufbau des Gehäuses verwendete weitere Isoliermaterialfilament von dem für den Aufbau des Magnetkerns verwendeten Isoliermaterialfilament.Both methods according to the invention for solving the problem underlying the invention are optionally further developed with further embodiments described below. In the respective method, according to an advantageous embodiment, it is provided that the component is manufactured with a housing. In embodiments in which the holding structure is already designed as a housing, the housing is an additional housing to the holding structure. The housing is preferably manufactured from a further insulating material filament that consists of a non-magnetic material. In particular, it is provided that the further insulating material filament is also applied and solidified in layers to produce the green part. The further insulating material filament used for the construction of the housing is particularly preferably different from the insulating material filament used for the construction of the magnetic core.
Gemäß weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält das Isoliermaterialfilament Keramikpulver. Damit werden die isolierenden Schichten aus oder mit keramischem Material ausgebildet. Das Elektroblechfilament für den Aufbau der metallischen Schicht enthält hingegen vorzugsweise eine Eisenlegierung mit wenigstens einem Legierungselement aus der Gruppe Silizium, Kobalt und Nickel. In der Eisenlegierung liegt insbesondere der Siliziumanteil im Bereich von 4 Prozent bis 20 Prozent, vorzugsweise im Bereich von 4 Prozent bis 10 Prozent, oder der Nickelanteil im Bereich von 40 Prozent bis 90 Prozent oder der Kobaltanteil im Bereich von 10 Prozent bis 70 Prozent.According to further particularly preferred embodiments of the invention, the insulating material filament contains ceramic powder. This is used to form the insulating layers from or with ceramic material. The electrical sheet filament for the construction of the metallic layer, on the other hand, preferably contains an iron alloy with at least one alloying element from the group silicon, cobalt and nickel. In the iron alloy, the silicon content is in particular in the range from 4 percent to 20 percent, preferably in the range from 4 percent to 10 percent, or the nickel content in the range from 40 percent to 90 percent or the cobalt content in the range from 10 percent to 70 percent.
Grundsätzlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, dass die metallischen Filamente direkt dort aufgetragen werden, wo die einzelnen Lamellen angeordnet werden sollen, dass die Lamellen also nach ihrer Erzeugung nicht einzeln bewegt und aufeinander gestapelt werden müssen, verglichen mit traditionell hergestellten Blechpaketen die Verwendung vergleichsweise weicher Metalle. Die Verwendung weicher Metalle führt zu geringen Wirbelstromverlusten bei einem Einsatz des entsprechend gefertigten Magnetkerns in einem Elektromotor. Insbesondere kann der Elektromotor mit den aus wenigstens einem weichen Metall gefertigten Lamellen vergleichsweise hohe Drehzahlen erreichen, bevor schließlich die Wirbelstromverluste exponentiell zunehmen.Basically, the method according to the invention enables the use of comparatively soft metals compared to traditionally manufactured sheet metal packages because the metallic filaments are applied directly where the individual lamellae are to be arranged, meaning that the lamellae do not have to be moved individually and stacked on top of one another after they have been produced. The use of soft metals leads to low eddy current losses when the correspondingly manufactured magnetic core is used in an electric motor. In particular, the electric motor with the lamellae made from at least one soft metal can reach comparatively high speeds before the eddy current losses eventually increase exponentially.
Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung weisen die aus unterschiedlichen Filamenten hergestellten und im Sinterprozess miteinander zu verbindenden Bereiche des Braunkörpers im Sinterprozess ein zueinander ähnliches Schrumpfungsverhalten auf. Insbesondere schrumpft jeder Bereich jeweils weniger als 10 Prozent, vorzugsweise weniger als 5 Prozent, mehr oder weniger als jeder angrenzende Bereich des Braunkörpers.In further embodiments of the invention, the regions of the brown body made from different filaments and to be joined together in the sintering process have a similar shrinkage behavior to one another in the sintering process. In particular, each region shrinks less than 10 percent, preferably less than 5 percent, more or less than any adjacent region of the brown body.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weitere Teile, insbesondere eines herzustellenden Elektromotors, zusammen mit dem Magnetkern aufgebaut. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Bauteil mit mehreren Spulen, die formschlüssig mit dem Magnetkern verbunden sind, hergestellt wird, wobei die Spulen aus einem Leiterfilament, das insbesondere Kupfer enthält, hergestellt werden und wobei auch das Leiterfilament zur Herstellung des Grünteils schichtweise aufgetragen und verfestigt wird.In a further development of the method according to the invention, further parts, in particular of an electric motor to be produced, are constructed together with the magnetic core. In particular, it is provided that the component is produced with several coils that are positively connected to the magnetic core, wherein the coils are produced from a conductor filament that contains copper in particular, and wherein the conductor filament is also applied and solidified in layers to produce the green part.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Verfahren werden alle verfahrensmäßig verwendeten Filamente in einem Arbeitsgang aufgetragen. Insbesondere werden einzelne Schichten nacheinander aufgebaut und in diesen Schichten gegebenenfalls abschnittsweise die unterschiedlichen Filamente aufgetragen.In preferred embodiments of the methods, all filaments used in the method are applied in one operation. In particular, individual layers are built up one after the other and the different filaments are applied in sections in these layers if necessary.
Bei alternativen Ausführungsformen werden die einzelnen Bestandteile des Bauteils in unterschiedlichen Arbeitsgängen, also entweder nacheinander oder auch zu unterschiedlichen Zeiten in optional derselben Apparatur gefertigt und werden erst vor dem Sinterprozess die aus den unterschiedlichen Filamenten gebildeten einzelnen Teile des Braunteils, insbesondere mit Hilfe einer Schablone, zusammengesetzt.In alternative embodiments, the individual components of the component are manufactured in different work steps, i.e. either one after the other or at different times in optionally the same apparatus, and only before the sintering process are the individual parts of the brown part formed from the different filaments assembled, in particular with the help of a template.
Vorteilhafterweise wird das Grünteil mit wenigstens einer Stützstruktur gefertigt, insbesondere wenn einzelne Teile des Bauteils bereits in der Anordnung für den Sinterprozess in einem Arbeitsgang gefertigt werden. Dadurch ist es möglich, den Magnetkern und das Gehäuse jeweils mit Überständen zu fertigen und mittels der Stützstruktur einem Durchhängen der Überhänge im Sinterprozess entgegenzuwirken. Für die Ausbildung der Stützstruktur wird vorzugsweise ein weiteres Filament, welches insbesondere Keramik enthält, aufgetragen. Insbesondere wird dieses weitere Filament in einem Arbeitsgang zusammen mit den Filamenten für die Ausbildung des Magnetkerns sowie gegebenenfalls der Haltestruktur oder des Gehäuses aufgetragen. Die Stützstruktur geht im Sinterprozess keine Verbindung mit dem zu fertigenden Bauteil ein und kann daher nach dem Sinterprozess auf einfache Weise wieder entfernt werden.The green part is advantageously manufactured with at least one support structure, especially if individual parts of the component are already manufactured in the arrangement for the sintering process in one operation. This makes it possible to manufacture the magnetic core and the housing with overhangs and to prevent the overhangs from sagging during the sintering process by means of the support structure. to counteract. To form the support structure, a further filament, which in particular contains ceramic, is preferably applied. In particular, this further filament is applied in one operation together with the filaments for forming the magnetic core and, if applicable, the holding structure or the housing. The support structure does not form a bond with the component to be manufactured during the sintering process and can therefore be easily removed again after the sintering process.
Weiter können Kühlkanäle im Magnetkern ausgebildet werden, die somit nicht nachträglich gebohrt werden müssen. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Bauteil mit Kühlkanälen im Magnetkern hergestellt wird, wobei das Elektroblechfilament mit Lücken aufgetragen wird, welche die Kühlkanäle in den Lamellen des Magnetkerns ausbilden. Die Anordnung der Kühlkanäle ist nicht auf Geometrien, die ansonsten mittels eines Bohrers erzielt werden könnten, beschränkt und daher vorzugsweise für eine optimale Kühlleistung optimiert.Furthermore, cooling channels can be formed in the magnetic core, which therefore do not have to be subsequently drilled. In particular, it is intended that the component is manufactured with cooling channels in the magnetic core, whereby the electrical steel filament is applied with gaps that form the cooling channels in the lamellae of the magnetic core. The arrangement of the cooling channels is not limited to geometries that could otherwise be achieved using a drill and is therefore preferably optimized for optimal cooling performance.
Der Magnetkern wird insbesondere mit Nuten gefertigt Wenn der Magnetkern Teil eines Stators ist, sind die Nuten Statornuten. Die Form der Nuten kann später das Ansprechverhalten eines mit dem Magnetkern hergestellten Elektromotors beeinflussen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Verfahren wird der Magnetkern mit schräg verlaufenden Nuten ausgebildet. Mittels schräg verlaufender Nuten können mehrere, insbesondere als Kupferwicklungen ausgeführte, Spulen und damit Pole eines mit dem Magnetkern gefertigten Elektromotors erreicht werden, so dass ein besonders vorteilhaftes Ansprechverhalten des Elektromotors erzielt wird.The magnetic core is manufactured in particular with grooves. If the magnetic core is part of a stator, the grooves are stator grooves. The shape of the grooves can later influence the response behavior of an electric motor manufactured with the magnetic core. In an advantageous embodiment of the method, the magnetic core is designed with obliquely running grooves. By means of obliquely running grooves, several coils, in particular designed as copper windings, and thus poles of an electric motor manufactured with the magnetic core can be achieved, so that a particularly advantageous response behavior of the electric motor is achieved.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors gelöst. Der Elektromotor weist einen Stator und einen Rotor auf. Verfahrensgemäß wird ein Bauteil des Elektromotors auf erfindungsgemäße Weise additiv hergestellt, wobei der lamellierte Magnetkern des Bauteils zu einem Bestandteil des Stators oder zu einem Bestandteil des Rotors des Elektromotors wird.The object according to the invention is also achieved by a method for producing an electric motor. The electric motor has a stator and a rotor. According to the method, a component of the electric motor is additively manufactured in the manner according to the invention, wherein the laminated magnetic core of the component becomes a component of the stator or a component of the rotor of the electric motor.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Bauteil, das einen Magnetkern enthält, insbesondere für einen Elektromotor, bei dem der Magnetkern ein Bestandteil des Stators oder Rotors des Elektromotos ist, gelöst. Erfindungsgemäß ist das Bauteil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils gemäß einer beschriebenen Ausführungsform additiv hergestellt, wobei der Magnetkern lamelliert ist. Die Merkmale des Bauteils ergeben sich aus seiner Herstellung entsprechend.The object underlying the invention is also achieved by a component that contains a magnetic core, in particular for an electric motor, in which the magnetic core is a component of the stator or rotor of the electric motor. According to the invention, the component is additively manufactured using the inventive method for additively manufacturing a component according to a described embodiment, wherein the magnetic core is laminated. The features of the component result from its manufacture accordingly.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiter durch einen Elektromotor, der einen Stator und einen Rotor aufweist und der ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Herstellung eines Bauteils gemäß einer beschriebenen Ausführungsform additiv hergestelltes Bauteil aufweist, gelöst, wobei das additiv hergestellte Bauteil einen lamellierten Magnetkern enthält und wobei der lamellierte Magnetkern dieses Bauteils ein Bestandteil des Stators oder ein Bestandteil des Rotors des Elektromotors ist.The object underlying the invention is further achieved by an electric motor which has a stator and a rotor and which has a component additively manufactured by means of the inventive method for the additive production of a component according to a described embodiment, wherein the additively manufactured component contains a laminated magnetic core and wherein the laminated magnetic core of this component is a component of the stator or a component of the rotor of the electric motor.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Patentansprüchen, aus den beigefügten Zeichnungen und aus der nachfolgenden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
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1 : einen vereinfacht dargestellten Ausschnitt eines mit ersten Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Grünteils, aus dem mit den weiteren Schritten des Verfahrens ein erfindungsgemäßes Bauteil hergestellt wird, in einer Seitenansicht; -
2 : ein erstes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem Grünteil von1 hergestelltes Bauteil in einer Seitenansicht; -
3 : ein zweites mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes und als Stator eines Elektromotors ausgebildetes Bauteil mit einem Magnetkern und einer als Gehäuse ausgebildeten Haltestruktur für den Magnetkern in perspektivischer Ansicht; -
4 : das zweite Bauteil von3 in einer Draufsicht; -
5 : ein dem Magnetkern des zweiten Bauteils von den3 und4 ähnelndes drittes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil in perspektivischer Ansicht; -
6 : dasdritte Bauteil von 5 in einer Draufsicht; -
7 : der Magnetkern von den3 und4 mit in den Magnetkern eingepassten Spulen in perspektivischer Ansicht; -
8 : den Magnetkern mitder Spule von 7 in einer Draufsicht; -
9 : ein viertes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes und als Stator eines Elektromotors ausgebildetes Bauteil mit einem Magnetkern und einer Haltestruktur für den Magnetkern in perspektivischer Ansicht; und -
10 : ein dem Magnetkern des viertenBauteils von 9 entsprechendes fünftes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes und als Stator eines Elektromotors ausgebildetes Bauteil in perspektivischer Ansicht.
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1 : a simplified section of a green part produced by the first steps of the method according to the invention, from which a component according to the invention is produced by the further steps of the method, in a side view; -
2 : a first with the inventive method from the green part of1 manufactured component in a side view; -
3 : a second component produced by the method according to the invention and designed as a stator of an electric motor with a magnetic core and a holding structure designed as a housing for the magnetic core in a perspective view; -
4 : the second component of3 in a top view; -
5 : a magnetic core of the second component from the3 and4 similar third component produced by the method according to the invention in perspective view; -
6 : the third component of5 in a top view; -
7 : the magnetic core of the3 and4 with coils fitted into the magnetic core in perspective view; -
8 : the magnetic core with the coil of7 in a top view; -
9 : a fourth component produced by the method according to the invention and designed as a stator of an electric motor with a magnetic core and a holding structure for the magnetic core in a perspective view; and -
10 : a magnetic core of the fourth component of9 corresponding fifth produced by the method according to the invention Component designed as a stator of an electric motor in perspective view.
Der unterste innere Abschnitt 13 ist vorzugsweise von einer in
Das durch den Entbinderprozess entstandene Braunteil durchläuft dann den Sinterprozess, wobei es zu einer Schrumpfung der verwendeten Materialien kommt, die materialabhängig ist. Das für den äußeren Abschnitt 5 verwendete Material ist dabei derart auf die für die inneren Abschnitte 6 bis 13 verwendeten Materialien und im gezeigten Ausführungsbeispiel auch auf die Größe des Hohlraums 14 abgestimmt, dass sich der Hohlraum 14 im Sinterprozess schließt und der Block aus den inneren Abschnitten 6 bis 13 zwischen den umklammernden Bereichen des äußeren Abschnitts 5 mit einer Klemmkraft eingeklemmt wird, in welche die inneren Abschnitte 6 bis 13 zuverlässig zwischen den umklammernden Bereichen des äußeren Abschnitts 5 und aneinander hält, ohne das Material übermäßig durch Zug am äußeren Abschnitt 5 oder durch Druck in den inneren Abschnitten 6 bis 13 zu belasten.The brown part created by the debinding process then goes through the sintering process, during which the materials used shrink, which depends on the material. The material used for the
Das somit aus dem Grünteil 1 von
Die Lamellen 17 bis 20 zusammen mit den isolierenden Schichten 21 bis 24 bilden einen Magnetkern 25, bei dem die Entstehung von Wirbelströmen aufgrund der elektrischen und magnetischen Entkopplung der Lamellen 17 bis 20 voneinander kleingehalten wird.The
Die
In den
Bei einer Alternative zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel aus den
In den
In
Abweichende Geometrien sowie Kombinationen der dargestellten Ausführungsbeispiele sind im Rahmen der Erfindung möglich.Different geometries and combinations of the illustrated embodiments are possible within the scope of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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