DE102014206266B4 - Process for the production of elements from soft magnetic alloys - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Elementen aus weichmagnetischen Legierungen für Elemente elektrischer Maschinen, bei dem Konturen aus den Elementen mit einem zweidimensional auslenkbaren Laserstrahl oder Elektronenstrahl geschnitten werden, wobei der Brennfleck des Laser- oder Elektronenstrahls entlang mindestens einer zu schneidenden Kontur mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt wird unddabei ein Werkstoffabtrag erfolgt, indem bei einer erhöhten Vorschubgeschwindigkeit mit der der Brennfleck entlang der mindestens einen zu schneidenden Kontur bewegt wird, die größer als 10 m/min ist,die mindestens eine zu schneidende Kontur mehrfach in Zyklen mit dem Brennfleck, bei konstant gehaltener Laser- oder Elektronenstrahlleistung und Energiedichte im Brennfleck, überfahren wird unddabei in einem Zyklus ein Werkstoffabtrag von maximal 5 % der zu schneidenden Gesamtdicke erfolgt, unddabei innerhalb von Zeiträumen tgrößer 0,2 s zwischen den aufeinanderfolgenden Bestrahlungen an den jeweiligen Positionen der mindestens einen zu schneidenden Kontur kein Energieeintrag erfolgt und dadurch keine oder nur eine unwesentliche Veränderung der weichmagnetischen Eigenschaften des Werkstoffs des jeweiligen Elektroblechs oder Elements einer weichmagnetischen Legierung im Bereich um die Schnittfuge(n) erfolgt.Method for producing elements from soft magnetic alloys for elements of electrical machines, in which contours are cut from the elements with a two-dimensionally deflectable laser beam or electron beam, the focal spot of the laser or electron beam being moved along and along at least one contour to be cut at a feed rate Material is removed by moving the focal spot along the at least one contour to be cut at an increased feed rate, which is greater than 10 m / min, the at least one contour to be cut several times in cycles with the focal spot, with the laser or kept constant Electron beam power and energy density in the focal spot is run over, and in one cycle there is a material removal of a maximum of 5% of the total thickness to be cut, and thereby within periods t greater than 0.2 s between the successive irradiations on the respective positions of the at least one contour to be cut, there is no energy input and therefore no or only an insignificant change in the soft magnetic properties of the material of the respective electrical sheet or element of a soft magnetic alloy in the area around the kerf (s).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elementen aus weichmagnetischen Legierungen (z.B. FeNi, FeCo), die für Bauteile oder Komponenten elektrischer Maschinen, insbesondere Rotoren oder Statoren von Elektromotoren oder Generatoren eingesetzt werden können.The invention relates to a method for producing elements from soft magnetic alloys (e.g. FeNi, FeCo), which can be used for components or components of electrical machines, in particular rotors or stators of electric motors or generators.
Die Stator- und Rotorbaugruppe einer elektrischen Maschine werden üblicherweise im Bereich der Prototypenanwendung bis hin zu mittleren Stückzahlen durch Laserstrahlschneiden bearbeitet. Lasergefertigte Motorenteile unterscheiden sich im Betrieb, vom magnetischen Standpunkt gesehen, von den im Rahmen der Großserienfertigung mit gestanzten Elementen hergestellten Motoren. Beide Fertigungsverfahren verursachen eine magnetische Schädigung, die zur Reduzierung des Wirkungsgrades der jeweiligen so hergestellten elektrischen Maschine führt. Zudem sind der konventionelle Laserschnitt sowie der mechanische Scherschnitt am Bauteil gratbehaftet. Es bedarf daher eines flexiblen und skalierbaren Prototypen- und Kleinserienfertigungsverfahrens, dass eine geringere magnetische Schädigung erzielt und eine gratfreie Konturgebung der Einzelbleche für Elemente einer Stator- und Rotorbaugruppe verursacht.The stator and rotor assemblies of an electrical machine are usually processed in the field of prototype applications up to medium quantities by laser beam cutting. Laser-made engine parts differ in operation, from a magnetic point of view, from the engines manufactured as part of large-scale production with stamped elements. Both manufacturing processes cause magnetic damage, which leads to a reduction in the efficiency of the electrical machine produced in this way. In addition, the conventional laser cut and the mechanical shear cut on the component have burrs. A flexible and scalable prototype and small series production process is therefore required that achieves less magnetic damage and causes burr-free contouring of the individual sheets for elements of a stator and rotor assembly.
Im Grundprinzip besteht eine elektrische Maschine aus einem rotierenden Teil, dem Läufer oder Rotor, und aus einem feststehenden Teil, dem sogenannten Ständer oder Stator. Es erfolgt die Wandlung von beispielsweise elektrischer in kinetische Energie im Luftspalt zwischen Ständer und Läufer, die zur Verstärkung des magnetischen Flusses im Luftspalt aus überwiegend weichmagnetischem Werkstoff bestehen. Bei diesem Vorgang ändert sich jedoch aufgrund des magnetischen Wechselfeldes die magnetische Mikrostruktur, sprich die Weiss'schen Bezirke bzw. Domänen. Das Wechselfeld führt im weichmagnetischen Material zu verlustbehafteten Ummagnetisierungsprozessen. Dabei wird Energie in Wärme umgewandelt und dem beschriebenen Wandlungsprozess entzogen. Daraus resultiert ein verminderter Wirkungsgrad der Maschine. Zur Steigerung der Effizienz einer elektrischen Maschine werden Rotor und Stator aus dünnen, gefügten Einzelblechen hergestellt, die wiederum mit einer Isolationsschicht versehen sind. Neben der Dickenreduktion der Einzelbleche kann auch eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes über das Zulegieren bestimmter Elemente (Silizium, Nickel) von Vorteil sein. Allerdings führt beispielsweise ein hoher Siliziumanteil zur Versprödung des Werkstoffs, wodurch eine mechanische Bearbeitung extrem erschwert wird. Bei der konventionellen Fertigung der weichmagnetischen Werkstoffe mittels Stanzen werden aufgrund der Natur des Verfahrens Eigenspannungen im Werkstoff eingebracht, die die magnetischen Eigenschaften negativ beeinflussen können. Dies tritt explizit bei höherwertigerem bandförmigem Werkstoff auf, der äußerst empfindlich auf mechanische Bearbeitung reagiert. Es kommt letztendlich zur Reduzierung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine, die eine Erhöhung der Kühlleistung nach sich zieht.The basic principle of an electrical machine consists of a rotating part, the rotor or rotor, and a fixed part, the so-called stator or stator. For example, electrical energy is converted into kinetic energy in the air gap between the stator and rotor, which are made of predominantly soft magnetic material to increase the magnetic flux in the air gap. During this process, however, the magnetic microstructure, i.e. the Weiss districts or domains, changes due to the magnetic alternating field. The alternating field leads to lossy remagnetization processes in the soft magnetic material. In the process, energy is converted into heat and removed from the conversion process described. This results in reduced machine efficiency. To increase the efficiency of an electrical machine, the rotor and stator are made from thin, joined individual sheets, which in turn are provided with an insulation layer. In addition to reducing the thickness of the individual sheets, increasing the electrical resistance by alloying certain elements (silicon, nickel) can also be advantageous. However, a high silicon content, for example, leads to embrittlement of the material, which makes mechanical processing extremely difficult. In conventional manufacturing of soft magnetic materials by means of punching, due to the nature of the process, residual stresses are introduced into the material, which can have a negative influence on the magnetic properties. This occurs explicitly in the case of higher-quality band-shaped material that is extremely sensitive to mechanical processing. Ultimately there is a reduction in the efficiency of the electrical machine, which results in an increase in the cooling capacity.
Industriell wird das Laserstrahlschmelzschneiden bisher durch den Einsatz von CO2-Lasern und teilweise mit Festkörperlasern realisiert. Dieses Verfahren verursacht eine bestimmte magnetische Bauteilschädigung, die in ihrem Ausmaß ungefähr der Schädigung, die bei einer mechanischen Bearbeitung auftritt, entspricht. Die erreichbaren Schneidgeschwindigkeiten sind entsprechend gering, da insbesondere bei kleineren und komplexeren Stator- und Rotorkonturen die vorhandene Maschinendynamik begrenzend wirkt. Es ergeben sich Schneidgeschwindigkeiten von teilweise kleiner 10 m/min. Die sich ergebende Wechselwirkungszeit der Laserstrahlung mit dem zu bearbeitenden Werkstoff beschreibt im direkten Zusammenhang die thermisch bedingte, magnetische Werkstoffschädigung. Eine Reduzierung der beschriebenen Wechselwirkungszeit mittels theoretischer Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit führt zur ungünstigen Ausgestaltung der Schnittkante und gegebenenfalls der elektrischen Kontaktierung zweier übereinanderliegender Einzelbleche. Bei geringen Schneidgeschwindigkeiten unterhalb 20 m/min stellt sich eine schräge Schnittkante ein, wodurch sich der Grat des oberen Elektrobleches im abgetragenen Bereich der schrägen Schnittkante des unteren Elektrobleches befindet. Eine prozessintegrierte Kantennachbehandlung existiert bisher nicht, da der Grat sich auf der Unterseite befindet und nicht erreicht werden kann, ohne das Bauteil zusätzlich handzuhaben.Up to now, laser beam fusion cutting has been implemented industrially through the use of CO 2 lasers and partly with solid-state lasers. This method causes a certain amount of damage to the magnetic component, the extent of which corresponds approximately to the damage which occurs during mechanical processing. The cutting speeds that can be achieved are correspondingly low, since the existing machine dynamics have a limiting effect, particularly in the case of smaller and more complex stator and rotor contours. Cutting speeds of sometimes less than 10 m / min result. The resulting interaction time of the laser radiation with the material to be processed directly describes the thermally induced, magnetic material damage. A reduction in the interaction time described by means of a theoretical increase in the cutting speed leads to an unfavorable configuration of the cutting edge and, if appropriate, the electrical contacting of two individual sheets lying one above the other. At low cutting speeds below 20 m / min, an oblique cutting edge occurs, as a result of which the burr of the upper electrical sheet is located in the removed area of the oblique cutting edge of the lower electrical sheet. Process-integrated edge post-treatment has not yet existed because the ridge is on the underside and cannot be reached without additionally handling the component.
Der Einsatz von Laserstrahlung zum Schneiden von Elementen für Elektromotoren ist aus
Die
Bei dem aus
Gemäß der
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von Elementen aus weichmagnetischen Legierungen durch eine berührungslose Strahlbearbeitung anzugeben, bei der unterschiedlichste Konturen flexibel und kostengünstig ausgebildet werden können und im Bereich um die Schnittkanten eine negative Beeinflussung der weichmagnetischen Eigenschaften des eingesetzten Werkstoffs zumindest weitestgehend vermieden wird.It is therefore an object of the invention to provide possibilities for the production of elements from soft magnetic alloys by means of non-contact beam processing, in which a wide variety of contours can be formed flexibly and inexpensively and in the area around the cut edges a negative influence on the soft magnetic properties of the material used is at least largely avoided becomes.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 realisiert, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved with a method which realizes the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Elementen aus einer weichmagnetischen Legierung elektrischer Maschinen, bei dem Konturen von Elementen aus einer weichmagnetischen Legierung mit einem zweidimensional auslenkbaren Elektronen- oder Laserstrahl geschnitten werden, wird so vorgegangen, dass der Brennfleck des Laser- oder Elektronenstrahls entlang mindestens einer zu schneidenden Kontur mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt wird und dabei ein Werkstoffabtrag erfolgt.In the method according to the invention for producing elements from a soft magnetic alloy of electrical machines, in which contours of elements from a soft magnetic alloy are cut with a two-dimensionally deflectable electron or laser beam, the procedure is such that the focal spot of the laser or electron beam is along at least one the contour to be cut is moved at a feed rate and material is removed.
Dabei werden bei einer erhöhten Vorschubgeschwindigkeit die zu schneidende(n) Kontur(en) mehrfach in Zyklen mit dem Brennfleck, bei konstant gehaltener Laser- oder Elektronenstrahlleistung und Energiedichte im Brennfleck, überfahren. Innerhalb von Zeiträumen
Nach Ausbildung des vollständig ausgebildeten Schnittes der zu schneidenden Kontur(en) am Element aus einer weichmagnetischen Legierung kann eine zusätzliche Bestrahlung (Typ
Bei einer zyklischen Bestrahlung entlang der auszubildenden Kontur(en), ohne oder mit nur unwesentlicher Veränderung der weichmagnetischen Eigenschaften des Werkstoffs des Elements aus einer weichmagnetischen Legierung (Typ
Beim Schneiden mit kleinerer Vorschubgeschwindigkeit und ohne ausreichend große Zeiträume
Eine solche Bestrahlung erfordert nicht unbedingt den kompletten Schnitt der zu schneidende(n) Kontur(en). Es ist vorstellbar, dass bis zu 20 % der zu schneidenden Gesamtdicke des jeweiligen Elements aus einer weichmagnetischen Legierung (nachfolgend nur noch als Elektroblech bezeichnet) entlang der zu schneidende(n) Kontur(en) nicht abgetragen wird um die Form und Lage des Elektroblechs zu gewährleisten. Hierdurch wird der Einsatz von aufwendiger Spanntechnik vermieden. Der Abschluss des Trennvorganges, d.h. das verbleibende zu entfernende Schnittspaltvolumen kann im Anschluss an die Bestrahlung erfolgen in einem weiteren Zyklus oder mehreren abschließenden Zyklen.When cutting at a lower feed speed and without sufficiently long periods of time
Such radiation does not necessarily require the complete cut of the contour (s) to be cut. It is conceivable that up to 20% of the total thickness to be cut of the respective element made of a soft magnetic alloy (hereinafter referred to only as electrical sheet) is not removed along the contour (s) to be cut in order to improve the shape and position of the electrical sheet guarantee. Hereby the use of complex clamping technology is avoided. The separation process, ie the remaining cutting gap volume to be removed, can be completed in a further cycle or several final cycles following the irradiation.
Es kann so vorgegangen werden, dass vor der Bestrahlung mit dem Laser- oder Elektronenstrahl der Schnitt der zu schneidende(n) Kontur(en) nicht vollständig ausgebildet wird und das vollständige Trennen des Elektroblechs oder Elements einer weichmagnetischen Legierung erst in mindestens einem nachfolgenden Zyklus erreicht wird.The procedure can be such that the cut of the contour (s) to be cut is not completely formed before the irradiation with the laser or electron beam and the complete separation of the electrical sheet or element of a soft magnetic alloy is only achieved in at least one subsequent cycle becomes.
Beim Schneiden einer Kontur oder von Konturen in mehrfachen Zyklen mit ausreichend eingehaltenen großen Zeiträumen
Durch die Bestrahlung kann eine Reduzierung des Ummagnetisierungsverlustes von bis zu 13 % bezogen auf die Ummagnetisierungsverlusterhöhung, die durch einen Konturschnitt bei konventioneller Konturgebung mittels Laserschmelzschneiden oder mittels mechanischer Bearbeitung bedingt ist und dabei eine Reduzierung der relativen Permeabilität
Bei einer Bestrahlung mit dem Laser- oder Elektronenstrahl bei einer erhöhten Vorschubgeschwindigkeit, bei der die zu schneidende(n) Kontur(en) mehrfach in Zyklen mit dem Brennfleck, bei konstant gehaltener Leistung und Energiedichte im Brennfleck, zum Schneiden des jeweiligen Elektroblechs überfahren werden und innerhalb von Zeiträumen
Bei der Erfindung kann eine Weiterentwicklung des so genannten Laser-Remoteschneidens, bei dem ein Laserstrahl zweidimensional ausgelenkt und die Vorschubachsbewegungsrichtung und die Vorschubgeschwindigkeit des Brennflecks des Laserstrahls dementsprechend auf der Oberfläche eines zu schneidenden Elektroblechs als Werkstück beeinflusst wird, eingesetzt werden. Die Auslenkung des Laserstrahls erfolgt dabei mit einem oder mehreren verschwenkbaren reflektierenden Element(en) (Scannerspiegel). Es sollte bevorzugt ein Laserstrahl mit hoher Strahlgüte, der insbesondere von einem Faserlaser oder einem anderen Festkörperlaser emittiert wird, eingesetzt werden. Durch gezielte Auswahl der Brennweite des Objektivs sowie des Kollimators, mit der ein Laserstrahl auf die zu schneidende Oberfläche in fokussierter Form gerichtet wird, kann Einfluss auf den Wärme-/Energieeintrag in den Werkstoff genommen werden. Auch die Strahlform und der Querschnitt des Laserstrahls vor und auch nach dem Brennpunkt können Bedeutung haben, um möglichst gratfreie Schneidkanten zu erreichen. So kann eine Brennweite
Beim Einsatz eines solchen Laserstrahls kann aber an der Oberseite des jeweiligen Elektroblechs ein geringer Grat, ähnlich wie bei den konventionellen Verfahren an der Unterseite ausgebildet werden. Die Unterseite, also die Oberfläche, die nicht direkt vom auftreffenden Laserstrahl bestrahlt wird, kann ebenfalls weitestgehend gratfrei gehalten werden.When using such a laser beam, however, a small burr can be formed on the top of the respective electrical sheet, similar to the conventional methods on the bottom. The underside, i.e. the surface that is not directly irradiated by the incident laser beam, can also be kept largely free of burrs.
Dabei kann eine gezielte vorteilhafte Beeinflussung durch die entsprechend gewählte bzw. angepasste Laserleistung, die Vorschubgeschwindigkeit, die erforderliche Zyklenzahl bis zum vollständigen Schneiden/Trennen und die Einhaltung der Zeiträume
In der
Bei einer Verfahrensführung, bei der zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen ausreichend große Zeiträume
Selbst weitere thermische Kantennachbehandlungsprozesse durch zusätzliche Bestrahlung, nach der Ausbildung der jeweiligen auszubildenden Schneidkontur mit vollständigem Schneiden, bei denen weitestgehend gratfreie Schneidkanten und/oder eine reversible Veränderung der weichmagnetischen Eigenschaften des Werkstoffs zumindest in die Nähe des ursprünglichen Zustands im Bereich um die Schnittkanten erreicht werden können, verschlechtern diese Eigenschaften nicht.Even further thermal edge post-treatment processes by additional radiation, after the formation of the respective cutting contour to be formed with complete cutting, in which largely burr-free cutting edges and / or a reversible change in the soft magnetic properties of the material can be achieved at least close to the original state in the area around the cutting edges , these properties do not deteriorate.
In der
Im Anschluss an eine Verfahrensführung mit ausreichender Zyklenzahl und ausreichender Einhaltung von Zeiträumen
Durch eine solche zusätzliche Bestrahlung/Wärmebehandlung kann eine Verringerung der relativen Permeabilität µr (ΔB/ΔH) im Bereich bis H=4000 A/m erreicht werden. Dieser Sachverhalt ist mit dem in
Der Mechanismus lässt sich wie folgt beschreiben: Der infolge der eingesetzten Strahlung induzierte Energieeintrag führt zur lokalen Aufschmelzung und Wiedererstarrung des Bestrahlten Bereiches mit einer in die Tiefe des Elektroblechs reichende Wärmeeinflusszone von ca. 100 µm, die sich radial von der bestrahlten Oberfläche ausbreitet. Die laserinduzierte thermische Ausdehnung des bestrahlten Bereiches verursacht eine tropfenförmige Auswölbung des viskosen Werkstoffes aufgrund vorherrschender Oberflächenspannungen. Ab Abkühlvorgang zieht sich dieser Werkstoff zusammen und hinterlässt einen entsprechenden Graben mit der verbleibenden beschriebenen tropfenförmigen Aufwölbung. Dieser Graben kann unter Berücksichtigung der Verfahrensführung und -parameter eine Tiefe von bis zu 15 % der Dicke des jeweiligen Elektroblechs sowie eine Breite entsprechend dem Aspektverhältnis von Grabenbreite zu Grabentiefe von mindestens 1,5 jedoch maximal 2,5 aufweisen. Die Wärmeeinflusszone kann sich demnach auf eine kumulierte Tiefe von bis zu 35 % der Dicke des jeweiligen Elektroblechs beschränken, wobei maximal 15 % des Dickenanteils sich auf den Bereich des Grabens beziehen. Da eine Längenausdehnung in Richtung des Inneren des Elektroblechs unterdrückt wird, verbleiben nach der thermischen Relaxation Restspannungen, als Zug- und/oder Druckspannungen im Werkstoff, die den Eigenspannungszustand ändern. Je nach verfahrensstrategischer Ausgestaltung der Position des bestrahlten Bereiches, der Tiefe und Breite der erzielten Wärmeeinflusszone unterhalb dieses Bereiches sowie der Form des Grabens oberhalb der Wärmeeinflusszone kann Einfluss auf die mechanischen Restspannungen im Werkstoff genommen werden. Es ist allgemein bekannt, dass von außen auf ein ferromagnetisches Bauteil aufgebrachte Kräfte, die mikromagnetische Struktur im inneren über Domain-Wall-Pinning oder inverse magnetostriktive Effekte (Villari-Effekt) beeinflussen können. Verbleibende Zugspannungen im Werkstoff entlang der Magnetisierungsrichtung reduzieren ab einer bestimmten Größenordnung die Koerzitivfeldstärke, die die Mindestmagnetfeldstärke beschreibt, mit der eine Änderung der Magnetisierung erzielt werden kann. Dieser Parameter nimmt enormen Einfluss auf die Breite der Hysteresekurve, deren Integral den Ummagnetisierungsverlust pro Zyklus beschreibt. Ein weiterer magnetischer Parameter, der über eingebrachte Restspannungen beeinflusst wird, ist die Remanenzflussdichte. Sie beschreibt die Restmagnetisierung im Bauteil bei Abschaltung des äußeren Magnetfeldes. Über einen gezielter laserinduzierten Spannungseintrag im Werkstoff können unter gewissen Voraussetzungen Magnetisierungsvorgänge unterstützt oder behindert werden. Im Fall der Ausbildung der Schneidkontur mit dem Laserremoteschnitt Typ
Die Erfindung ist ein flexibles, skalierbares Verfahren und dessen systemische Ausgestaltung zur Fertigung von Elektroblechen für hocheffiziente elektrische Maschinen. Es ist kostengünstiger im Betrieb und hinsichtlich des Investitionsaufwandes gegenüber dem konventionellen Laserstrahlschmelzschneiden. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, eine gratfreie Behandlung (ohne zusätzliche Bauteilhandhabung) durchzuführen und über die Ausgestaltung des Schneidregimes den Energie-/Wärmeeintrag im Werkstoff und folglich die magnetische Schädigung zu minimieren oder gezielt einzustellen. Steht die erforderliche Fertigungszeit im Vordergrund, kann die Vorschubgeschwindigkeit gegenüber den konventionellen Verfahren um den Faktor
Das Verfahren verzichtet auf die Verwendung von Werkzeugen, die einem Verschleiß unterzogenen sind. Der benötigte Investitionsaufwand ist gering. Mit dem Verfahren lassen sich hocheffiziente elektrische Maschinen mit den erfindungsgemäß hergestellten Elektroblechen fertigen. Die Elektrobleche können zu Elementen einer elektrischen Maschine in Stapelform montiert und gefügt werden. Die weitestgehende Vermeidung eines Grats begünstigt einen hohen Stapelfaktor sowie daraus resultierend Elektroblechpakete mit einer hohen Packungsdichte und einem folglich hohen Anteil an magnetischen Materialvolumen bezogen auf des Gesamtvolumen des Elektroblechpakets. Die magnetische Bauteilschädigung ist im Vergleich gegenüber den konventionellen Fertigungsverfahren bei gleicher Stückzahl sehr gering ausgeprägt. Andernfalls ist eine Steigerung der Stückzahl gefertigter Elektrobleche durch eine progressive Ausgestaltung des Schneidregimes möglich, wodurch die gleiche oder eine annähernd gleiche magnetische Werkstoffbeeinträchtigung, wie bei den konventionellen Verfahren auftritt. Zwischen diesen beiden Extrema kann der Prozess variabel eingestellt werden. Bei einer enormen thermischen Werkstoffschädigung, wie sie gewöhnlich bei dem konventionellen Laserschnitt oder einer progressiven Ausgestaltung des Remoteschneidregimes auftritt, kann der Ummagnetisierungsverlust durch einen zusätzlichen Laserbehandlungsschritt (Typ
Eine zusätzliche Bestrahlung kann mit demselben Laser, der auch für das Schneiden eingesetzt werden kann, durchgeführt werden. Es kann lediglich eine Reduzierung der Energiedichte im Brennfleck, ggf. mit reduzierter Laserleistung erforderlich sein. Die Energiedichte kann ebenfalls durch eine einfache entsprechende Defokussierung des Brennfleckes erreicht werden.Additional radiation can be performed with the same laser that can also be used for cutting. It may only be necessary to reduce the energy density in the focal spot, possibly with a reduced laser power. The energy density can also be achieved by a simple corresponding defocusing of the focal spot.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
-
1 in schematischen Darstellungen die Ausbildung eines Schnittes in mehreren Zyklen durch eine ablatierende Laserbestrahlung; -
2 einen Vergleich der erzielten magnetischen FlussdichteB in Abhängigkeit der magnetischen FeldstärkeH ; -
3 einen Vergleich des Ummagnetisierungsverlustes in Abhängigkeit der erzielten magnetischen FlussdichteB ; -
4 einen Vergleich des Ummagnetisierungsverlustes in Abhängigkeit der erzielten magnetischen FlussdichteB ; -
5 einen Vergleich des Ummagnetisierungsverlustes in Abhängigkeit der erzielten magnetischen FlussdichteB ; -
6 einen Vergleich des Ummagnetisierungsverlustes in Abhängigkeit der erzielten magnetischen FlussdichteB ; -
7 einen Vergleich der erzielten magnetischen FlussdichteB in Abhängigkeit der verwendeten magnetischen FeldstärkeH ; -
8 einen Vergleich der erzielten KoerzitivfeldstärkeHc in Abhängigkeit der magnetischen FlussdichteB und -
9 einen Vergleich der erzielten RemanenzflussdichteBr in Abhängigkeit der magnetischen FlussdichteB .
-
1 in schematic representations, the formation of a cut in several cycles by ablating laser radiation; -
2nd a comparison of the magnetic flux density achievedB depending on the magnetic field strengthH ; -
3rd a comparison of the magnetic loss as a function of the magnetic flux density achievedB ; -
4th a comparison of the magnetic loss as a function of the magnetic flux density achievedB ; -
5 a comparison of the magnetic loss as a function of the magnetic flux density achievedB ; -
6 a comparison of the magnetic loss as a function of the magnetic flux density achievedB ; -
7 a comparison of the magnetic flux density achievedB depending on the magnetic field strength usedH ; -
8th a comparison of the coercive field strength achievedH c depending on the magnetic flux densityB and -
9 a comparison of the residual flux density achievedB r depending on the magnetic flux densityB .
Die
So kann nach der Bestrahlung mit einem Grundmode-Festkörperlaser ein Graben mit einer Grabenbreite von ca. 85 µm, einer Grabentiefe von ca. 45 µm (ca. 13 % der Bauteildicke) mit einer Wärmeeinflusszone unterhalb des bestrahlten Bereichs zusätzlich von ca. 45 µm erreicht werden. After irradiation with a basic mode solid-state laser, a trench with a trench width of approx. 85 µm, a trench depth of approx. 45 µm (approx. 13% of the component thickness) with a heat affected zone below the irradiated area can additionally reach approx. 45 µm will.
In
Die
Ein Vergleich des Ummagnetisierungsverlustes in Abhängigkeit der erzielten magnetischen Flussdichte
Bei einem Beispiel 1 ist, wie folgt vorgegangen worden:
- Aus einem Elektroblech mit
der Materialdicke von 0,35 mm wurden verschiedene Epsteinstreifen der Breite 5 mm und der Länge 250 mm unter Anwendung des Laserremoteschneidprozesses bei unterschiedlicher Ausgestaltung der Prozessparameter entnommen und in einem kommerziell verfügbaren Elektroblechmessgerät zur Bestimmung magnetischer Eigenschaften von Elektroblechen und anderen weichmagnetischen Werkstoffen analysiert. Im Vergleich zur mechanisch getrennten Probe erzielte der Remoteschnitt sehr gute magnetische Eigenschaften in der Probe. Im Anschluss an den Schnitt erfolgte für jede Probe eine Kantennachbehandlung in drei Zyklen zur Erzielung einer gratfreien Schnittkante unter Verwendung des Prozessparametersatzes Nr. 5, der inTabelle 1 dargestellt ist, mit einer Brennfleckverschiebung senkrecht zur Schneidrichtung um 0,045 mm bezogen zur Brennfleckposition beim Schneiden. Eine Übersicht der gemessenen magnetischen Parameter ist inTabelle 2 angegeben. Da der Parametersatz Nr. 6 eine merkliche thermische Schädigung der Schnittkante verursachte, erkennbar an dem magnetischen Verhalten, wurde für diese Probe eine Oberflächennachbehandlung realisiert (Nr. 6N in Tabelle 1). Als Behandlungsstrategie erfolgte eine Bestrahlung entlang von Linien mit einen Abstand b=2 mm senkrecht zur Schneidrichtung zum Einsatz. Zum Einsatz kam ein Grundmode-Festkörperlaser (Faserdurchmesser: 14 µm) mit einer Maximalleistung von 2000 W sowie ein Scannersystem mit einem entsprechenden Objektiv (Objektivbrennweite: 163 mm, Kollimatorbrennweite: 85 mm). Bei dieser Ausgestaltung des Schneidprozesses und der erforderlichen Oberflächenbehandlung ist die erzielte Änderung des inneren Spannungszustandes erkennbar an einer leichten Durchbiegung der Streifenproben. Dieses Behandlungsszenario wurde daraufhin auf einen Elektromotor, im Speziellen auf die Statoreinzelblechkontur überführt und im Bereich des Statorzahnes angewendet. BeiStatorzahnbreiten unterhalb von 10 mm kommt es bei der konventionellen Fertigung elektrischer Maschinen, wie bereits beschrieben, verfahrensbedingt zur magnetischen Schädigung, die sich besonders im Ummagnetisierungsverlust widerspiegelt, da im Zahn aufgrund der Drehmomentenanforderung der elektrischen Maschine hohe Flussdichten vorherrschen.
- Various Epstein strips with a width of 5 mm and a length of 250 mm were removed from an electrical sheet with a material thickness of 0.35 mm using the laser remote cutting process with different process parameters and analyzed in a commercially available electrical sheet measuring device to determine the magnetic properties of electrical sheets and other soft magnetic materials . In comparison to the mechanically separated sample, the remote cut achieved very good magnetic properties in the sample. Following the cut, each sample was given an edge treatment in three cycles to achieve a burr-free cut edge using process parameter set No. 5, which is shown in Table 1, with a focal spot shift perpendicular to the cutting direction by 0.045 mm related to the focal spot position when cutting. An overview of the measured magnetic parameters is given in Table 2. As parameter set No. 6 caused a noticeable thermal damage to the cut edge, recognizable by the magnetic behavior, a surface post-treatment was carried out for this sample (No. 6N in Table 1). Irradiation along lines with a distance b = 2 mm perpendicular to the cutting direction was used as the treatment strategy. A basic mode solid-state laser (fiber diameter: 14 µm) with a maximum output of 2000 W and a scanner system with an appropriate lens (lens focal length: 163 mm, collimator focal length: 85 mm) were used. With this configuration of the cutting process and the required surface treatment, the change in the internal state of tension achieved can be recognized by a slight deflection of the strip samples. This treatment scenario was then transferred to an electric motor, in particular to the stator individual sheet contour, and applied in the area of the stator tooth. With stator tooth widths of less than 10 mm, the conventional manufacture of electrical machines, as already described, results in process-related magnetic damage, which is particularly reflected in the loss of magnetic reversal, since high flux densities prevail in the tooth due to the torque requirement of the electrical machine.
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