用于制造软磁成形件的方法和软磁成形件
技术领域
本发明涉及一种用于制造软磁成形件的方法以及一种软磁成形件。
背景技术
软磁材料是在磁场中能容易磁化的铁磁材料。如果由这种材料构成的成形件例如以定子部件的形式经受外部交变磁场，则发生反复的交变磁化。在此产生交变磁化损耗。在导电成形件的情况下，所述损耗中的一部分源自感应涡流。为了减少交变磁化损耗，已知由铁颗粒制造成形件，所述铁颗粒完全由电绝缘层包围以阻止电流流动。为了制造成形件，通过压制和在炉中的烧结使绝缘的铁颗粒变成期望的形状。所述制造方法具有如下缺点：
·发生可能处于15％至20％的范围内的收缩。收缩很难加以考虑，因为其通常具有非线性行为。
·如果要以期望质量制造大件数，则设置费事的措施以确保稳定的并且形状精确的过程，例如在烧结后进行校准。
·整面绝缘的颗粒仅在成形件的外表面上彼此熔融，但是在成形件内部，所述颗粒形成相对松散的复合结构，使得成形件相对较脆，并且很难或甚至不可能借助于工具进行再加工。
·由完全绝缘的铁颗粒制成的成形件具有的最大可达到的密度是受限的。
·制造成本高，尤其由于长的产出时间和高的能量消耗。
在DE 10 2014 006 519 A1中描述一种用于借助于增材成形制造复杂的、磁性的和/或可磁化的成形件的方法。未设置措施来使成形件的电阻率保持得低。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有改进的特性的软磁成形件的方法。
在权利要求1或2中说明实现所述目的方法。其他权利要求说明优选的实施方案以及一种成形件，所述成形件尤其可通过根据本发明的方法来制造。
根据第一方面，无电绝缘层包覆的导磁颗粒彼此熔融，使得电绝缘部位局部地设置在空隙中。
根据第二方面，通过能量供应至少使导磁颗粒熔化。能量供应在时间上是集中的，并且典型地在少于1秒内进行。由于添加剂，在空隙中形成电绝缘部位。所述电绝缘部位尤其减小交变磁化时的涡流。导磁颗粒不需要强制地设有绝缘层的完全包封。由此，可以达到高密度。
在根据第一方面或第二方面的方法中形成的电绝缘部位在传导磁通的成形件的内部中岛状地构成。成形件的相应的绝缘部位起中断电流的作用。如果成形件经受随时间变化的磁场，则可避免或至少减小涡流，因为穿过绝缘部位的电流流动被中断。由此可以减少铁损。
在第一实施方式中，成形件逐层地制造。优选地设有涂覆装置，以便针对性地将附加的添加剂涂覆到层上。由此可制造成形件，所述成形件具有针对性非均匀分布的电绝缘部位，以便用作为定子部件时能够沿期望的方向传导磁通B。
在第二实施方式中，通过绝热压制进行制造。所述方法实现在短的制造时间内制造成形件。
材料、例如粉末的熔融借助于能量冲击或多次连续的能量冲击进行。至少一次能量冲击例如借助于冲击机来执行。短时将能量引入到材料、例如粉末中的特别的优点是，成形件中的加工温度典型地低于100℃。借此，具有低熔点的添加剂也可以用作为绝缘体，例如通常在烧结过程中扩散的有机添加剂。
优选地使用凹模，所述凹模以磁颗粒和添加剂填充，其中在绝热压制之前减小颗粒之间的空隙空间，例如借助于机械机构和/或通过吸掉空气进行。在一个特别的实施方式中，减小空隙空间的步骤借助于冲压器来执行，所述冲压器随后用作为用于绝热压制的冲击机。
附图说明
在下文中根据实施例参照附图来阐述本发明。附图示出
图1示意性示出用于制造软磁成形件的设备的示例，
图2示出混合物的详细视图，所述混合物在加热之前可以用于制造软磁成形件，
图3示出根据图2的加热之后的混合物，
图4示出另一混合物的详细视图，所述混合物在加热之前可用于制造软磁成形件，
图5示出根据图4的加热之后的混合物，
图6示出单个铁颗粒，其完全借助电绝缘层包封，
图7示出由导磁颗粒构成的经受磁场的成形件，所述成形件仅部分地设有电绝缘部位，
图8示出成形件的典型的磁滞曲线，所述磁滞曲线示出根据周围磁场H的成形件的磁通密度B，
图9以纵剖面示出定子的实例，
图10以纵剖面示出根据现有技术制造的定子部件，
图11示出定子的实施方式的透视分解视图，
图12示出定子的另一实施方式的横截面，
图13示出具有内部通道和冷却片的定子的变型方案的横截面，
图14以横截面示出3D板材结构，
图15示出具有针对性磁通偏转的转子和定子的另一实施方式的横截面，以及
图16示出不具有针对性磁通偏转的转子和定子的实施方式的横截面。
具体实施方式
图1示意性示出一种设备，所述设备设计成用于制造软磁成形件，并且所述设备与用于选择性激光烧结的设备类似地构造。在图1中，绘制X轴和Z轴，所述轴定义示出设备的横截面。Y轴横向于所述两个轴X和Z延伸。
所述设备包括：用于容纳和输送初始材料21、22的储备器10；制造床11，在其中制造成形件20；用于在制造床11中形成初始材料21、22的层的涂布机12、激光器13和扫描装置14。
储备器10具有在Z方向上可升高的底部10a，所述底部例如是滑动活塞的一部分。
制造床11具有在Z方向上可下降的工作平台11a，所述工作平台例如是滑动活塞的一部分。
涂布机12沿着制造床11，即在X方向上可移动，并且例如构成为可转动的滚筒或刮板。
激光器13和扫描装置14设计成用于产生激光束15，所述激光束15用于在制造床11中局部地和时间集中地加热初始材料的层。激光器13产生典型地处于红外范围内的射束。例如CO2激光器或Nd:YAG激光器适合作为激光器。
扫描装置14包括光学元件，例如一个或多个透镜和一个或多个反射镜，并且用于，在必要时聚焦或扩宽由激光器13产生的射束，并且沿预定的轨道在制造床中引导所述射束。所述轨道在水平上定义成形件20的形状，在所述路径中层被加热。
另一储备器16用作筒仓，初始材料21、22可从所述另一储备器中运送到储备器10中，和/或未使用的初始材料21、22可从制造床11中取出。
储存体10、制造床11和储备器16通过壁10b、10c、11b、11c、16a、16b限界。所述壁在在前侧和后侧，即在Y方向上来看通过其他(在图1中不可见)壁连接和/或圆形地构成，使得分别形成侧向封闭的腔室。
一种可行的用于制造软磁成形件20的方法如下：
提供几何数据，所述几何数据定义待制造的成形件的期望的几何形状。所述几何数据例如作为CAD数据存在，并且定义以下轨道，激光束15沿着所述轨道在相应的层中引导。
初始材料21、22在储备器10中提供。例如将导磁颗粒21和添加剂22构成的混合物用作为初始材料以形成电绝缘部位22。在所制造的成形件20中，所述电绝缘部位用于中断或至少减少在交变磁化时产生的涡流。所述混合物例如以可灌注的形式存在，其中，添加剂22优选地作为颗粒存在。也可以考虑，以膏状、液体或气态形式提供添加剂22，使得所述添加剂至少与以下层接触，所述层由导磁颗粒21在制造床11中形成，并且所述层借助激光束15被加热。
导磁颗粒21作为粉末和/或粒料存在。相应的颗粒21优选地以纯的形式存在，其中，颗粒21可以由不同材料构成并且因此形成混合物。
例如，适合于导磁颗粒21的材料(在下文中，含量数据以重量百分比为单位)：
——铁(Fe)
——镍(Ni)
——钴(Co)
——硅铁混合物。硅含量例如在2.5％至4％的范围内，例如在3％，
——镍铁混合物。镍含量例如在8％至30％的范围内，
——钴铁混合物。钴含量例如在10％至50％的范围内。
也可以设有其他混合物，所述混合物包括以下物质中的至少两种物质：
——铁
——硅
——钴
——镍
——铝
——铜
——锡
——锑
——硼
——砷
——铋
——氧化铬
——铁氧体。
优选地，导磁颗粒21未通过电绝缘层完全包封。
例如以下物质适合作为添加剂22：
——硅树脂
——锗
——蜡、尤其N,N'-乙撑双硬脂酰胺(酰胺蜡，其例如以名称Acrawax C(瑞士巴塞尔的Lonza AG)获得。熔点低于200摄氏度和/或150摄氏度。
——氧化铝
——碳
——陶瓷
——玻璃
——气体，该气体当通过激光束15加热时引起在颗粒21之间的氧化物层。以下气体适合作为这种气体：六氟化硫(SF6)、氮气(N2)和六氟化硫的混合物(例如80％的氮气和20％的六氟化硫)。
——热塑性塑料、例如聚氯乙烯(PVC)、聚醚砜(PES)、聚碳酸酯(PC)。
添加剂22可以作为颗粒存在，其粒径小于导磁颗粒21的粒径。于是，添加剂22的粒径分布的中位数(d50)比导磁颗粒21的粒径分布的中位数(d50)小。也可以考虑，添加剂22作为具有以下粒径的颗粒存在，所述粒径至少与导磁颗粒21的粒径一样大。
将底部10a升高，并且借助于涂布机12在工作平台11a上形成层。所述层是全面的，并且根据图1在XY平面中延伸。所述层典型地具有1至200微米范围内的厚度。根据几何数据，激光束15沿着期望的轨道引导。在此，在对应部位处的初始材料21、22被加热，使得导磁颗粒21彼此连接。通过适当地调节通过激光束15引起的能量输入，导磁颗粒21熔化，并且添加剂22在导磁颗粒21之间的空隙中形成电绝缘部位。这也示意性在图2和3以及图4和5中示出，所述图示出在加热之前和加热之后具有导磁颗粒21和添加剂22的层。如从图3和图5可以看到，导磁颗粒21在接触区域中已经连接；但是所述导磁颗粒的结构基本上保持。
激光器13的能量可非常快速地引入，使得添加剂22夹杂在空隙中。在图3中示出以下情况，在所述情况中添加剂22具有比导磁颗粒21更高的熔化温度，使得所述添加剂不通过激光束22熔化。在图5中示出以下情况，在所述情况中，添加剂22具有与导磁颗粒21相同的熔化温度或具有比导磁颗粒21更低的熔化温度，使得所述添加剂通过激光束22熔化，而导磁颗粒21的相应的空隙中形成绝缘层22a。
根据添加剂的选择，例如作为气体，所述添加剂在加热时可以引起导磁颗粒21的表面改变，使得在空隙中形成氧化物层，所述氧化物层作为电绝缘层起作用。制造床11在必要时处于封闭的腔室中，添加剂22作为气体输送到所述腔室中。也可以考虑，添加剂22首先以固体形式(例如作为合成脂肪酸蜡)存在，并且在加热时熔化，使得在此产生气体，所述气体促使在相应的空隙中形成氧化物层。
在加热之后，工作平台11a以层厚度降低。升高底部10a，并且在制造床11中借助于涂布机12涂覆初始材料21、22的下一个层。接着，借助于激光束15在预定位置处又进行加热。
制成的成形件20通过依次涂覆层并且加热形成。
在制造期间，成形件20在制造床11中嵌入在初始材料21、22的未借助于激光束15加热的剩余部分中。在制造结束时，成形件20从制造床11中取出，并且在任何情况下，仍然粘附的初始材料21、22被敲掉、刷去和/或以其他方式去除。
在到目前为止所描述的方法中，每层都具有基本上均匀浓度的初始材料21、22。因此，成形件20具有基本上均匀分布的电绝缘部位。在制造方法的一个实施方式中，可制造以下成形件20，所述成形件具有局部不同分布的绝缘部位。为了所述目的，在根据图1的设备中设有可移动工作头17形式的涂覆装置，在由涂布机12形成的层借助于激光束15加热之前借助于所述工作头可以将其他添加剂22'在预设的部位处涂覆到由涂布机12形成的层上。工作头17例如构成为喷射头或打印头，借助于所述工作头，可以将例如呈固体形式或液体形式的其他添加剂22'涂覆在预设的部位处。在工作头17中的其他添加剂22'可以例如对应于添加剂22或另一合适的材料，所述材料在加热之后在成形件20中形成电绝缘部位。
除了到目前为止所描述的方法之外，其他方法也适用于制造软磁成形件。例如，从DE 10 2013 021 944A1中已知一种增材制造，在所述增材制造中，借助于电子照相成像鼓将材料涂覆在预设的部位处。除了在此由导磁颗粒21和添加剂22构成的制造材料之外，在所述方法中也可以涂覆支撑材料，所述支撑材料在成形件的制造之后去除，并且例如用于制造底切部。在此优选地设有至少三个辊，借助于所述辊可涂覆导磁颗粒21、添加剂22或支撑材料。用于涂覆导磁颗粒21的制造头具有带有激光器的固定单元，借助所述激光器可在时间上集中地将能量传递到导磁颗粒21，以便产生熔化。通过相继地设置多个用于涂覆制造材料和支撑材料的制造头，可提供生产线，所述生产线使得能够有效地制造成形件。
除了增材制造方法之外也可以考虑，借助于所谓的绝热成型或压缩(“绝热压制”)一件式地制造成形件20。在第一工艺步骤中，例如通过挤压，由导磁颗粒21和添加剂22构成的混合物制造坯件，所述坯件对应于成形件20的期望形状。在此，坯件还未固化，使得可能将颗粒仅最低程度地保持在一起。可以设有附加的粘合剂和/或添加剂22本身用作为这种粘合剂，例如在硅树脂的情况下。在第二工艺步骤中，然后将坯件压缩，使得其获得期望的硬度。在此，借助于至少一次冲击引入超过每立方毫米5000焦耳和优选地超过每立方毫米6000焦耳的能量，所述能量使得颗粒21彼此熔融。所述冲击例如借助于高速压力机实施，如其在例如在WO2016/135187A1中所描述那样，据此，冲击机例如以大于5m/s移动，作用到坯件上。然而，在所述已知的方法中提出，接着压缩之后，通过在炉中加热进行烧结。在此，这种事后的烧结并不设为用于熔融粉末颗粒。
发明人已发现，如果先前在待压缩的材料之间存在太多空隙空间，则颗粒21通过绝热压制可能很少彼此熔融和/或出现不期望的空气夹杂。因此，优选地提出一种在绝热压制之前的方法步骤，在所述方法步骤中，空隙空间减小。空隙空间的减小在没有热输入的情况下执行，并且例如通过冲压器、振动、吸掉空气、施加真空的作用和/或通过其他合适的措施来进行。
优选地，空隙空间减小的步骤和绝热压制的步骤在同一机器上执行。在一个实施例中，机器具有凹模，所述凹模限定成形件的形状并且上部敞开口。凹模借助导磁颗粒并且可能也借助添加剂填充，如果所述添加剂例如以固体形式或液体形式存在则如此。如以上提及的那样，可以减小颗粒之间的空隙空间。在一个实施方式中为此使用冲压器，所述冲压器之后用作为用于绝热压制的冲击机，其中但是其明显更慢地并且以更小的行程运动。在此之后，进行绝热压制。
根据待制造的成形件的形状，也可以考虑，用于绝热压制的冲压器多件式地设计。这使得冲压器的部件能够以不同的行程运动，并且因此补偿成形件中的密度差。
借助于绝热压制的制造使得能够制造具有期望的几何尺寸的成形件。由此可以取消可能的再加工。典型地借助于绝热压制可实现几何结构的以下精度，其中，数据说明与期望值的最大偏差：
·针对在压制方向、即冲压器运动的方向上的尺寸，最高±2％、优选地最高±1％，
·针对横向于压制方向的尺寸(所述尺寸通过凹模的壁限定并且因此特别精确)，最高±0.5％、优选地最高±0.25％。
与借助于增材方法的制造相比，绝热压制作为制造方法具有以下优点，可在更短的时间内制造成形件，并且因此特别适合于大件数的经济生产。
借助于在此所描述的制造方法可制造软磁成形件，所述软磁成形件典型地具有以下特性：
——成形件是非永久磁性的。
——成形件的密度更好地近似于导磁颗粒的密度。这尤其可以通过以下方式实现，在初始材料中使用没有电绝缘部位完全包封的导磁颗粒。图6示例地示出完全设有绝缘层23b的铁颗粒23a。如果借助已知的烧结方法由这种颗粒制造成形件，则所述成形件在内部相对多孔，并且具有相对高比例的绝缘材料和也具有粘合剂。相应地，成形件的密度降低。发明人已经认识到，不需要将导磁颗粒完全绝缘包封来尽可能避免在软磁成形件的交变磁化时产生的涡流损耗。在如下情况下这就足够了，导磁颗粒21部分地通过绝缘体屏障封闭，所述绝缘体屏障中断涡流流动，如这在图7中示意性示出的那样。在那里示出成形件20的一部分，在所述部分中，涡流I试图在横向于磁通量B的平面中流动。所述涡流通过由于添加剂22已形成的电绝缘部位22b中断。
——成形件具有细长的磁滞曲线，并且对应地磁滞损耗减小。尤其是，磁矫顽力Hc小，并且剩磁通量密度Br大，参照图8。由于通量密度B提高，在定子部件中能够实现比通常更长的极，并且有更多安装空间可供绕组使用。
——相对密度(与导磁颗粒的材料的密度相比，成形件的密度)为至少90％。
——可制造具有期望的物理参数的成形件。典型地，密度ρ、磁矫顽力Hc和剩磁通量密度Br与相应的期望值的最大偏差为最高±3％、优选地最高±2％。
在此所描述的制造方法尤其相对于已知的通过在炉中进行烧结的方法具有以下优点，也可以制造具有复杂几何形状的成形件。例如，可制造定子部件，所述定子部件针对如下磁通设计，所述磁通在运行中不仅应在一个平面中实进行，而且应该在所有三个方向上进行。图9和图10分别在纵剖面中示出由通量管20a或20'a和锯齿盘20b或20'b构成的定子部件的一半，其中，A表示纵轴线。根据图9的定子部件20a、20b可以借助在此所描述的制造方法中的一种制造方法整体制造，并且允许通过对应的几何形状设计来实现期望的通量传导(Flussleitung)。因此，磁通在此可以转向，使得其首先横向于轴线A并且然后沿所述方向A取向。在图10中所示的定子部件20'a、20'b借助于先前已知的制造方法通过以下方式制造，通量管20'a具有层状结构，并且盘部件20'b由叠片铁心构成。磁通分别基本上在一个方向上在通量管20'a中或在盘部件20'b中进行。
图11以透视分解视图示出具有两个锯齿形盘20b的装置，所述锯齿形盘20b分别具有通量管20a的整体安装的部分。所述通量管划分成，使得在安装线圈30之后所述通量管可以在限定的位置中插接在一起，在所述位置中，两个盘20b的齿根据需要彼此对准。在所述示例中，与在爪形联结器中一样，这通过爪20c实现，所述爪接合到相对置的部分上的凹部20d中。在所述附图中，在相应的定子部件20a、20b中也可以看到狭槽20e，在运行中所述狭槽避免闭环。狭槽20e要么可以在整体制造时设置，要么所述狭槽可以事后例如通过铣切形成，因为成形件由于其硬度允许这。
定子部件中的齿的形状也可以任意选择。图12以纵截面示出线圈30的一半以及两个锯齿形盘20b，所述锯齿形盘分别具有通量管20a的整体安装的部分，其中，A是转子轴线或定子轴线。如可以看到的那样，定子部件20a、20b的齿20f形成为，使得所述齿朝向内部突出(参照在图12中的长度L)，并且因此相对于例如根据图10的变型方案在轴线A的方向上更长地构成。
也可制造以下定子部件，其设有内部空腔和/或整体制造的附加元件。这种定子部件的一个实例在图13中示出。内部空腔26形成内部通道，通过所述内部通道能够输送空气来冷却安装在绕组本体31上的线圈30。内部空腔27同样形成内部通道，但是设有管28，以使用于冷却的水穿流。在所述附图中也示出冷却片29。
也可制造以下成形件，所述成形件具有针对性分布的绝缘部位。由此，可以引导磁通，使得其不是仅仅在一个方向上，如这在已知的叠片铁心的情况下如此，而是在多个方向上进行。
图14示出具有由软磁材料35和由绝缘材料36构成的层的实例。层35例如由在根据图1的设备中使用的初始材料21、22形成。绝缘层36例如借助于在图1所示出中的涂覆装置17来制造。因此，可以形成一种“3D板材结构”，所述3D板材结构根据需要不仅可以在平面中、而且可以在所有三个方向上伸展，例如，如这在图14左侧所示的那样。
图15示出电绝缘部位22b的分布不均匀的实例。在此，绝缘部位22b集中地处在定子极24的与线圈30相对置的一侧处。由此，磁通B更好地转向，使得所述磁通经由气隙38以提高的程度到达转子极25。在绝缘部位22不集中的情况下，磁场的一部分从定子极侧向出去，如这在图16中所示出的那样。在此，相应地导致了不能使用的通量损耗。
在此所描述的制造方法的其他优点如下：
——防止时间上集中的能量供应，使得导磁颗粒与相邻颗粒完全熔融。设置尤其非气态添加剂防止，导磁颗粒之间的空隙通过熔化的材料填满。收缩特性可以更好地计算，使得能够制造具有期望尺寸的精密成形件。典型地，成形件能够以好于±0.2mm的成形精度制造。在此，再加工不是强制需要的。
——可以制造具有高密度的软磁成形件。例如，这是有利的，以便能够为电动机提供大的转矩。例如，可以以至少7.0g/cm3、优选地至少7.3g/cm3和特别优选地至少7.6g/cm3的密度制造基于Fe的定子部件。这接近于Fe的密度，即7.9g/cm3。
——材料的选择多种多样。例如，通过选择铁和添加剂、如例如合成脂肪酸蜡，可以非常成本低地制造软磁成形件，或通过选择铁、钴和合成脂肪酸蜡，可以制造具有非常良好的磁特性的成形件，尤其这种具有高的剩磁通量密度Br的成形件。
——使用导磁颗粒和添加剂的组合引起，在所制成的成形件中的金属制品选择性电绝缘。这足够用于产生高的电阻率，并且因此有效地减小在交变磁化时产生的涡流。因此，不一定需要提供昂贵制造的初始材料，例如以完全由绝缘层包围的铁颗粒的形式。
——可制造形状稳定的成形件。在初始材料中不需要强制提供附加的粘合剂、如例如合成树脂来将颗粒彼此连接。所制成的成形件具有以下硬度，所述硬度具有足够的颗粒的内聚，在需要时，所述硬度允许机械加工、尤其事后的材料剥离，例如通过研磨、车削和/或铣削。由此，能够以高的尺寸精度来制造成形件，以例如获得准确并且最小的气隙。
——成形件的几何形状可任意选择。例如，所述成形件可以具有一个或多个底切部、用于冷却的机构，如孔、肋、通道等、用于精确定位和/或对中的机构，如凸轮、肋、孔等。
——可制造一件式的成形件，其可用于不同的应用目的，例如电机、如电动机或发电机的部件，尤其横向磁通永磁电机(Transversalflussmaschinen)或其他电机，如其例如在电动汽车中使用。
从以上进行的描述中，本领域技术人员可以得到许多修改方案，而不脱离本发明的通过权利要求所限定的保护范围。
