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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Maschinenelemente für elektrische Maschinen, insbesondere Maschinenelemente zur Führung eines Magnetfelds für einen Stator oder einen Läufer der elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung derartiger Maschinenelemente.
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Stand der Technik
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Neben dem Lamellenaufbau von Maschinenelementen ist ferner bekannt, Maschinenelemente zum Leiten von Magnetfeldern aus Soft Magnetic Composite-(SMC)-Pulvermaterialien aufzubauen, wie beispielsweise Somaloy 700, die beispielsweise aus
"Somaloy Technology", Somaloy Brochure, Dezember 2010, Höganäs AB, Schweden, www.hoganas.com, bekannt sind.
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SMC-Materialien sind aus oberflächenisolierten Eisenpartikeln zusammengesetzt, die ungleichmäßig geformt sind, jedoch eine in etwa kugelförmige Struktur gleicher Größe aufweisen. Die Pulvermaterialien weisen Partikel aus Eisenverbindungen auf, die eine Größe aufweisen, die sich zum Verpressen und Formen von Maschinenelementen eignet. Die Partikel können beispielsweise Dimensionen von etwa 0,1 mm aufweisen und in einem einzigen Schritt mit Drücken von etwa 800 MPa verpresst werden, um magnetische Maschinenelemente mit komplexen Formen und engen Toleranzen zu erhalten. Die verpressten SMC-Maschinenelemente werden dann bei Temperaturen von etwa 500°C für etwa 30 Minuten erwärmt, um das Maschinenelement zu erhalten.
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Ein Nachteil des verwendeten Pulvermaterials besteht darin, dass man dadurch nur Maschinenelemente mit isotropen magnetischen Eigenschaften in alle Raumrichtungen erhalten kann. Dies ist zwar für elektrische Maschinen mit dreidimensionalen magnetischen Flusseigenschaften, wie beispielsweise Axialfeldmaschinen, Klauenpolmaschinen und Transversal-Fluss-Maschinen, vorteilhaft, bei anderen Arten von elektrischen Maschinen entspricht jedoch das magnetische Feld einem radialen Feldtyp, in dem die magnetischen Flusslinien im Wesentlichen eindimensional und in bestimmten kleinen Bereichen des magnetischen Kreises in zwei Raumrichtungen verlaufen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aus einem Pulvermaterial zum Verpressen hergestelltes Maschinenelement mit verbesserten magnetischen Eigenschaften sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines solchen Maschinenelements zur Verfügung zu stellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelements für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch das Maschinenelement für eine elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelements, insbesondere für einen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen eines magnetischen Pulvermaterials mit länglichen magnetischen Pulverpartikeln in einer Pressform;
- – Anlegen eines Magnetfelds, das das bereitgestellte Pulvermaterial durchdringt;
- – Verdichten des Pulvermaterials in der Pressform;
- – Verbinden der Pulverpartikel, um das Maschinenelement zu erhalten.
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Eine Idee des obigen Verfahrens zum Herstellen eines Maschinenelements besteht darin, ein Pulvermaterial mit länglichen magnetischen Partikeln beim oder vor dem Verpressen einem Magnetfeld auszusetzen, das im Inneren des zu formenden Maschinenelements im Wesentlichen die gleiche Feldlinienrichtung aufweist wie die Feldlinienrichtung eines Magnetfelds, dem das Maschinenelement im späteren Einsatz in einer elektrischen Maschine ausgesetzt ist. Dadurch werden die länglichen Pulverpartikel entlang der magnetischen Feldlinien ausgerichtet. Nach dem Anliegen oder während des Anliegens des magnetischen Felds wird das Pulvermaterial verpresst, um das solide Maschinenelement zu erhalten. Die zuvor ausgerichteten magnetischen Partikel behalten dabei ihre Ausrichtung bei. Durch die entsprechende Ausrichtung der magnetischen Pulverpartikel liegen in dem Material des so hergestellten Maschinenelements in Richtung der Ausrichtung der magnetischen Pulverpartikel weniger Grenzflächen zwischen benachbarten Pulverpartikeln vor als in einer Querrichtung. Dadurch ist die magnetische Leitfähigkeit in Richtung der Ausrichtung der magnetischen Pulverpartikel gegenüber Querrichtungen deutlich erhöht.
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Weiterhin kann das Verdichten des Pulvermaterials während des angelegten Magnetfelds durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verdichten des Pulvermaterials durchgeführt werden, nachdem das Magnetfeld angelegt worden ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass während des Anlegens des Magnetfelds die Pressform und/oder das Pulvermaterial einem oder mehreren Stößen und/oder Vibrationen ausgesetzt wird.
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Weiterhin können die länglichen magnetischen Pulverpartikel ein Längen- zu Breitenverhältnis zwischen 2 und 5 aufweisen.
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Insbesondere kann der Anteil der länglichen magnetischen Pulverpartikel in dem Pulvermaterial mindestens 50%, insbesondere mindestens 80%, betragen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Maschinenelement, insbesondere für einen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, vorgesehen, wobei das Maschinenelement aus einem magnetischen Pulvermaterial mit länglichen magnetischen Pulverpartikeln hergestellt wird, indem
- – das magnetische Pulvermaterial mit länglichen magnetischen Pulverpartikeln in einer Pressform bereitgestellt wird;
- – ein Magnetfeld angelegt wird, das das bereitgestellte Pulvermaterial durchdringt;
- – das Pulvermaterial in der Pressform verdichtet wird;
- – die Pulverpartikel verbunden werden, um das Maschinenelement zu erhalten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Maschinenelement, insbesondere für einen Stator oder einen Läufer einer elektrischen Maschine, vorgesehen, wobei das Maschinenelement mindestens einen Bereich aufweist, in dem längliche magnetische Pulverpartikel aneinander anliegend angeordnet sind, wobei deren Längsachsen zueinander parallel ausgerichtet sind.
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Eine Idee des obigen Maschinenelements besteht darin, dieses mit einem Pulvermaterial mit länglichen magnetischen Partikeln aufzubauen. Die Partikel werden beim oder vor dem Verpressen entlang der Vorzugsrichtung von magnetischen Feldlinien ausgerichtet, so dass entlang der Feldlinien eine verbesserte magnetische Permeabilität, d. h. magnetische Leitfähigkeit, vorliegt, während die magnetische Leitfähigkeit in Querrichtungen im Verhältnis geringer ist. Durch das Vorsehen von länglichen Partikeln ist es möglich, bei niedrigem Partikelvolumen eine deutliche Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit in einer Feldlinienrichtung zu erreichen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung der inneren Struktur eines verpressten SMC-Materials, das gemäß einem herkömmlichen Verfahren hergestellt ist;
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2 eine Darstellung der inneren Struktur eines anisotrop aufgebauten SMC-Materials, das nach einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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3 einen Ausschnitt aus einem Maschinenelement einer elektrischen Maschine mit angezeigten Flusslinien des magnetischen Felds;
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4a bis 4d Diagramme, die die Richtungen von magnetischen Feldlinien in den in 3 markierten Bereichen A, B, C, D darstellen;
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5 eine weitere Darstellung des Maschinenelements der 3 mit vergrößert dargestellten Pulverpartikeln des SMC-Materials;
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6 eine Magnetisieranordnung zum Anlegen eines Magnetfelds durch das herzustellende Maschinenelement der 3, um die länglichen Pulverpartikel auszurichten.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt eines Maschinenelements 1, das mit einem SMC-Material hergestellt worden ist. Das SMC-Material besteht im Wesentlichen aus Pulverpartikeln 2 gleicher Größe aus einem magnetischen Material, wie z. B. Eisen, deren Oberfläche durch eine Isolationsschicht 3 isoliert ist. Die Pulverpartikel 2 weisen einen Durchmesser von ungefähr 0,1 mm auf und sind etwa würfel- oder kugelförmig mit unregelmäßig geformter Oberfläche.
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Die Partikel 2 werden in einem Pressvorgang miteinander verpresst, um eine Form des herzustellenden Maschinenelements 1 zu definieren, und anschließend in einem Wärmeprozess ausgehärtet, so dass sich die Pulverpartikel dauerhaft miteinander verbinden. 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung der Pulverpartikel 2 nach dem Wärmeprozess. Man erkennt die Pulverpartikel 2 gleicher Größe, die aneinander anliegen, so dass der Bereich der Zwischenräume zwischen den Partikeln 2 möglichst minimiert ist.
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Aufgrund der gleichen Größe der Pulverpartikel 2 des SMC-Materials sind die magnetischen Eigenschaften eines so hergestellten Maschinenelements 1 in alle Raumrichtungen gleich, d. h. das Material des Maschinenelements verhält sich isotrop bezüglich seiner magnetischen Eigenschaften. Insbesondere wird jedoch die magnetische Leitfähigkeit in Richtung der magnetischen Feldlinien F durch die Anzahl der Grenzflächen 4 zwischen jeweils zwei Pulverpartikeln 2 entlang der Feldlinien F bestimmt.
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Um die Anzahl der Grenzflächen 4 zu reduzieren, kommt im Prinzip eine Vergrößerung aller Dimensionen der Partikel 2 in Betracht. Dies führt jedoch zu entsprechend größeren Zwischenräumen zwischen den einzelnen Pulverpartikeln 2, da sich das Pulvermaterial nicht vollständig, d. h. ohne das Bestehen von Zwischenräumen, verdichten lässt. Größere Zwischenräume wirken sich jedoch negativ auf die magnetische Leitfähigkeit aus und führen daher nicht zu einer gewünschten Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit bzw. sogar zu deren Reduzierung.
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Es ist daher, wie in 2 dargestellt, vorgesehen, ein Maschinenelement 10 mit länglichen Pulverpartikeln 12 auszubilden. Die Pulverpartikel 12 sind ansonsten, d. h. unabhängig ihrer Größe, mit denen der 1 vergleichbar. Dabei wird gewährleistet, dass vor dem Aushärten der zur Form des Maschinenelements 10 gepressten Pulverpartikel 12 diese entlang einer Soll-Feldlinienrichtung des Magnetfelds ausgerichtet werden. 2 zeigt Pulverpartikel 12, deren Längsachsen zueinander parallel verlaufen, entsprechend der Richtung der angezeigten magnetischen Feldlinien F.
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Die länglichen Pulverpartikel 12, die in 2 dargestellt sind, weisen im Wesentlichen eine Querschnittsfläche quer zu ihrer Längserstreckung auf, die etwa die gleiche Größe wie die der Pulverpartikel 2 der 1 hat, d. h. einen Durchmesser oder eine Breite wp zwischen wp = 0,05 bis 0,3 mm aufweist. Die Länge lp der Pulverpartikel 12 ist jedoch gegenüber herkömmlichen Pulverpartikeln aus SMC-Material deutlich vergrößert. Das Verhältnis der Länge lp der Pulverpartikel 12 zur Breite wp der Pulverpartikel 12 liegt zwischen 2 und 5. Die Dicke der Pulverpartikel 12, d. h. in z-Richtung in 2, entspricht etwa der Breite wp.
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Das bedeutet, dass die isolierten Pulverpartikel 12 eine Größe l × w × t von etwa 0,2 bis 0,5 mm × 0,1 mm × 0,1 mm aufweisen können.
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Der Vorteil des aus den obigen Pulverpartikeln 12 zusammengesetzten Materials besteht darin, dass es sich zu beliebig geformten Körpern mit anisotropen magnetischen Eigenschaften formen lässt. Dadurch kann eine höhere Leitfähigkeit in einer magnetischen Vorzugsrichtung erreicht werden im Vergleich zu isotropen magnetischen Eigenschaften von herkömmlichen Maschinenelementen, die aus einem Pulvermaterial, wie es in Verbindung mit 1 beschrieben wurde, hergestellt sind.
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Bei der Anordnung der länglichen Pulverpartikel 12, wie sie in 2 dargestellt sind, ist die Anzahl der Grenzstellen 14, an denen jeweils zwei Pulverpartikel 12 aneinander anstoßen, in Richtung der Längsrichtung der Pulverpartikel 12, d. h. in Richtung der Feldlinien F, deutlich verringert, so dass in dieser Richtung eine verbesserte magnetische Leitfähigkeit erreicht wird.
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In 3 ist anhand von Feldlinien das magnetische Feld in Statorsegments mit einem T-förmigen Statorzahn und mit einem magnetischen Rückschlussbereich für eine elektrische Maschine als Beispiel für ein Maschinenelement 10 der 2 ausführlicher dargestellt. Die innerhalb des Maschinenelements 10 gezeigten Linien stellen die Feldlinien des magnetischen Felds dar.
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Die 4a bis 4d zeigen anhand von geschlossenen Umlaufkurven die Richtungen von magnetischen Feldlinien F in den in 3 markierten Bereichen A, B, C, D, die während einer Umdrehung des permanentmagneterregten Läufers angenommen werden. Aufgetragen sind die radialen R und tangentialen T Anteile des magnetischen Flusses in dem Zahnschaft A, dem Zahnschuh B, der Zahnwurzel C und dem magnetischen Rückschlussbereich D, wie in 3 dargestellt. Man erkennt, dass ein magnetischer Fluss im Wesentlichen nur eine Richtung vor allem in dem Zahnschaft A und in dem magnetischen Rückschlussbereich D vorliegt. In den Bereichen der Zahnwurzel C und des Zahnschuhs B treten dagegen magnetische Flüsse in zwei Raumrichtungen, d. h. sowohl in radialer Richtung R als auch in tangentialer Richtung T des mit dem Maschinenelement 10 zu bildenden Stators, auf.
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In 5 sind für die in 3 dargestellten Bereiche A, B, D die Ausrichtungen der länglichen Pulverpartikel 12 dargestellt, die sich nach dem Magnetisieren des Maschinenelements 10 während der Herstellung ergeben. Zur Veranschaulichung sind die Pulverpartikel 12 vergrößert dargestellt, um ihre Ausrichtung bezüglich der magnetischen Feldlinien F erkennen zu können. Man erkennt, dass die Pulverpartikel 12 entlang der magnetischen Feldlinien ausgerichtet sind.
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Wie in 6 dargestellt wird zum Herstellen eines solchen Maschinenelements 10 ein Pulvermaterial mit länglichen Pulverpartikeln 12, wie in Verbindung mit 2 beschrieben, bereitgestellt und in einen Hohlraum einer Pressform 17 eingebracht, der die Formgebung des herzustellenden Maschinenelements 10 definiert. Im vorliegenden Beispiel wird das Herstellungsverfahren anhand eines etwa T-förmigen Maschinenelements 10 wie in 3 gezeigt, erläutert.
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Nachdem das Pulvermaterial in den Hohlraum der Pressform 17 eingefüllt wurde, liegen die Pulverpartikel 12 in einer losen und nicht verpressten Form vor. Die losen Pulverpartikel 12 haben eine relativ geringe magnetische Leitfähigkeit, da sie zunächst nicht ausgerichtet sind und sich dadurch große Zwischenräume zwischen den Pulverpartikeln 12 ergeben, die den magnetischen Widerstand maßgeblich beeinflussen. Die magnetische Leitfähigkeit ist jedoch ausreichend, um ein nahezu gleichförmig ausgerichtetes magnetisches Feld in dem Maschinenelement 10 auszubilden, so dass der Ausrichtungsprozess gestartet werden kann.
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Die Pressform 17 wird anschließend einem magnetischen Feld ausgesetzt, das bezüglich seiner Richtung dem magnetischen Feld entspricht, dem das Maschinenelement 10 beim späteren Betrieb nach dessen Fertigstellung ausgesetzt ist.
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Beispielsweise kann eine Magnetisieranordnung 15 gemäß 6 zum Herstellen des T-förmigen Maschinenelements 10 der 3 vorgesehen werden. Die Magnetisieranordnung 15 der 6 weist zwei miteinander gekoppelte magnetische Kreise zum Führen von zwei Magnetfeldern auf. Die Magnetfelder werden durch Bestromen einer Spulenwicklung 16 erzeugt, die einen mittleren Schenkel der Magnetisieranordnung 15 umgibt, der Teil beider magnetischen Kreise ist.
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Die magnetischen Kreise sind an einem T-Stück unterbrochen, um eine entsprechend geformte Pressform 17 zum Herstellen des T-förmigen Maschinenelements 10 der 3 aufzunehmen. Die Pressform 17 wird so auf die Magnetisieranordnung 15 aufgesetzt bzw. in die Unterbrechung der magnetischen Kreise eingesetzt, dass ein in der Magnetisieranordnung 15 erzeugtes Magnetfeld die Pressform 17 und das in den Hohlraum der Pressform 17 eingebrachte Pulvermaterial durchdringt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Pressform so an die Magnetisieranordnung 15 aufgesetzt, dass der Zahnschaft eine Verlängerung eines mittigen Schenkels bildet, in dem das magnetische Feld im Vergleich zu übrigen Bereichen der Magnetisieranordnung 15 die höchste Feldstärke aufweist. Die beiden gegenüberliegenden Enden eines Jochbereichs des T-förmigen Maschinenelements 10 liegen jeweils an zwei weiteren Polen der Magnetisieranordnung 15 an. Die magnetischen Feldlinien erstrecken sich dabei radial entlang des Zahnschafts und teilen sich zu den beiden gegenüberliegenden Enden des Jochbereichs hin. Im radial inneren Bereich ist im Ausführungsbeispiel ein Zahnkopf ausgebildet, in dem sich die magnetischen Feldlinien nach innen hin entsprechend der Kontur des Zahnkopfes auffächern. Das Maschinenelement 17 ist beispielsweise als Statorelement oder Rotorelement ausgebildet, das mit einer elektrischen Spule bewickelt werden kann und mehrere solcher Elemente zu einem kreisförmigen Stator oder Rotor zusammenfügbar sind.
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Dabei wird die Pressform 17 einem magnetischen Feld ausgesetzt, das bezüglich seiner Richtung dem magnetischen Feld entspricht, dem das Maschinenelement 10 beim späteren Betrieb nach dessen Fertigstellung ausgesetzt ist. Dadurch entsprechen die magnetischen Feldlinien durch das Pulvermaterial in dem Hohlraum der Pressform 17 im Wesentlichen denen, wie sie in der elektrischen Maschine, in der das Maschinenelement 10 eingesetzt wird, während des laufenden Betriebs vorliegen.
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Ein Verpressen der länglichen Pulverpartikel 12 während das magnetische Feld an die Pressform 17 angelegt ist, führt zu einer Bewegung der länglichen Pulverpartikel 12 und einer Umorientierung der länglichen Pulverpartikel 12 in Richtung des Magnetfelds, wobei sich die Längsachsen der Pulverpartikel 12 in Richtung der magnetischen Feldlinien F ausrichten. Zum Verpressen wird ein Druck auf die Pulverpartikel 12 ausgeübt, so dass sich die Pulverpartikel 12 bewegen, sich durch ihre Bewegung drehen und sich dadurch gemäß dem angelegten Magnetfeld ausrichten. Dadurch verbessert sich die magnetische Leitfähigkeit des Pulvermaterials, da seine Dichte zunimmt, wodurch weiterhin die Stärke und Ausrichtung des magnetischen Felds in dem Pulvermaterial während des Pressprozesses zunehmen.
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Zur Unterstützung des Prozesses des Ausrichtens der länglichen Pulverpartikel 12 kann die Pressform 17 gerüttelt oder in sonstiger Weise Stößen oder Vibrationen ausgesetzt werden, um so eine optimale Ausrichtung eines möglichst großen Anteils der länglichen Pulverpartikel 12 zu erreichen.
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Durch anschließendes weiteres Verpressen des Pulvermaterials, Entnehmen aus der Magnetisieranordnung 15 und Durchführen eines anschließenden Heizprozesses werden die Pulverpartikel 12 dauerhaft miteinander zu dem Maschinenelement 10 verbunden. Dabei bleibt die zuvor durch das Magnetfeld bewirkte Orientierung der einzelnen Pulverpartikel 12 bestehen.
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Das obige Herstellungsverfahren und durch dieses hergestellte Maschinenelemente sind nicht nur für Statorzähne verwendbar, sondern können auch für vollständige magnetische Kreise für jede Art von elektrischen Maschinen verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "Somaloy Technology", Somaloy Brochure, Dezember 2010, Höganäs AB, Schweden, www.hoganas.com [0002]
