DE10050703A1

DE10050703A1 - Verfahren zur Formung von rotierbaren Elektromagneten mit Weich- und Hartmagnetkomponenten

Info

Publication number: DE10050703A1
Application number: DE10050703A
Authority: DE
Inventors: David E Gay
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2001-04-26
Also published as: US6423264B1

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer rotierbaren elektromagnetischen Komponente (10) mit sowohl Weich- als auch Hart-(Permanent)-Magnetbereichen (14, 16) offenbart, wobei Pulvertechnologien dazu verwendet werden, die Komponente in ihre Endform zu formen. Ein Weichmagnetpulvermaterial und ein Einsatz oder Pulver eines Permanentmagnetmaterials werden verdichtet, um einen rotierbaren elektromagnetischen Körper (14, 16) zu formen, der Weich- und Hartmagnetbereiche (14, 16) aufweist. Anschließend wird der Körper (14, 16) einer Teilsinterung bei einer Temperatur von 1600 DEG F (etwa 870 DEG C) oder weniger, vorzugsweise etwa 1400 DEG F bis 1500 DEG F (etwa 760 DEG C und 830 DEG C) und am bevorzugtesten bei 1500 DEG F unterzogen, um die Weichmagnetpulvermaterialien mit dem Permanentmagnetmaterial zumindest teilweise zu verschmelzen. Die Weichpulverkomponente des resultierenden elektromagnetischen Körpers (14, 16) wird ausreichend verschmolzen, um mechanische Eigenschaften vergleichbar mit einem vollständig gesinterten Körper (14, 16) (d. h. bei 2050 DEG F (etwa 1120 DEG C) oder höher gesintert) aufzuweisen, aber ohne daß die magnetischen Eigenschaften des Hartmagnetbereiches (16) verschlechtert werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein rotierbare elektromagnetische Komponenten, wie beispielsweise Rotoren für Motoren und Generatoren. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren unter Verwendung von Pulvertechnologie, um eine rotierbare elektromagnetische Komponen te, die Weich- und Dauermagnetkernkomponenten umfaßt, in ihre Netto- /Endform zu formen (net shape forming).

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Verwendung von Pulvermetallurgie (P/M) und insbesondere von Ei sen- und Eisenlegierungspulvern ist zur Bildung von Magneten bekannt, die z. B. Weichmagnetkerne für Transformatoren, Induktoren, AC- und DC-Motoren, Generatoren und Relais umfassen. Ein Vorteil der Verwen dung pulverförmiger Metalle ist, daß Formvorgänge, wie beispielsweise Formpreß-, Spritzgieß- und Sintertechniken verwendet werden können, um komplizierte Formteilkonfigurationen, wie beispielsweise Magnetkerne, zu formen, ohne daß zusätzliche Bearbeitungs- und Durchstechvorgänge erforderlich werden. Demzufolge ist das geformte Teil nach dem Formvor gang oftmals im wesentlichen sofort gebrauchsfertig. Für rotierbare Kom ponenten, wie beispielsweise Rotoren für AC- und DC-Motoren und Gene ratoren können Weichmagnete bei Temperaturen von etwa 2050°F (etwa 1120°C) oder mehr gesintert werden, um eine größere mechanische Fe stigkeit zu erreichen.

Bestimmte elektromagnetische Anwendungen erfordern oder nutzen eine Kombination aus Weicheisenmagneten und "Hart"-Permanentmagnet, wie beispielsweise, wenn Permanentmagnetbereiche in einem Rotor vorgese hen sind, um einen magnetischen Fluß zu lenken, wodurch ein effiziente rer Rotor mit höheren Ausgaben erreicht wird. Ein bekanntes Beispiel ei nes Permanentmagneten für derartige Anwendungen basiert auf Zusam mensetzungen bestehend aus Eisen, einem Seltenerdmetall, wie bei spielsweise Neodym und/oder Praseodym, und Bor. Derartige Perma nentmagnete enthalten als eine wesentliche magnetische Phase Körner aus tetragonalen Kristallen, bei denen die Verhältnisse (beispielsweise) von Eisen, Neodym und Bor durch die empirische Formel Fe₁₄Nd₂B bei spielhaft angegeben sind. Diese Magnetzusammensetzungen und Verfah ren zur Herstellung derselben sind in dem U.S. Patent Nr. 4,802,931 von Croat beschrieben. Die Körner der magnetischen Phase sind von einer zweiten Phase umgeben, die im Vergleich zu der im wesentlichen magneti schen Phase typischerweise seltenerdreich, beispielsweise neodymreich ist. Auf derartigen Zusammensetzungen basierende Magnete werden typi scherweise durch schnelles Verfestigen (wie beispielsweise durch Schmelzspinnen) einer Schmelze der Zusammensetzung hergestellt, um feinkörnige, magnetisch isotrope Plättchen aus bandartigen Bruchstücken mit einer amorphen nichtkristallinen metallurgischen Struktur zu erzeu gen. Aus diesen isotropen Partikeln können durch Mischen der Bruch stücke mit einem Binder und einem nachfolgendem Verdichten Perma nentmagnete mit hoher Koerzitivkraft gebildet werden, um einen magneti sch isotropen "Weich"-Magnetkörper zu bilden. Gemäß dem U.S. Patent Nr. 4,782,367 von Lee können durch Heißpressen des Magnetkörpers, um eine gewisse magnetische Anisotropie in der Richtung zu erzielen, in der der Magnetkörper heißgepreßt wurde, stärkere Magnete erzeugt werden, und eine noch größere Anisotropie wird durch Heißbearbeiten des Ma gnetkörpers erreicht. Schließlich kann gemäß des U.S. Patentes Nr. 4,842,656 von Maines et al. der anisotrope Magnetkörper von Lee zerklei nert werden, um ein Pulver zu erzeugen, das zur Ausbildung von ani sotropen Magneten durch Pulvermetallurgieverfahren geeignet ist.

Eine Beschränkung des Prozesses bezüglich des Gebrauchs der oben be schriebenen Permanentmagnetzusammensetzungen besteht darin, daß eine Erhitzung über 1620°F (etwa 882°C) eine Kristallisierung der amor phen Mikrostruktur bewirkt, wodurch ein Verlust der erwünschten ma gnetischen Eigenschaften erreicht wird. Als Ergebnis sind bei der Erzie lung einer rotierbaren elektromagnetischen Komponente mit sowohl Weich- als auch Permanentmagnetkernkomponenten Magnetkörper mit nur relativ schwacher mechanischer Festigkeit hergestellt worden, da das Sintern (2050°F), das für eine optimale Festigkeit der Weichkernkompo nente erforderlich ist, ohne Zerstörung der erwünschten Anisotropie der Hartkernkomponente nicht möglich ist. Folglich sind in der Vergangenheit rotierbare elektromagnetische Komponenten mit Weich- und Permanent magnetkernkomponenten ausschließlich nicht durch Pulvermetallurgie techniken, sondern statt dessen typischerweise durch Verfahren ausgebil det worden, wie beispielsweise dem Anordnen von Einsätzen aus Perma nentmagnetmaterial in einem Schichtlaminierungsstapel aus einem Weichmagnetmaterial. Während derartige Komponenten die erwünschten magnetischen und mechanischen Eigenschaften erreichen, sind sie hin sichtlich Material und Aufbau teuer.

In Anbetracht dessen wäre es erwünscht, wenn ein Pulvermetallurgiepro zeß verfügbar wäre, der die Massenproduktion von rotierbaren elektroma gnetischen Komponenten mit sowohl Weich- als auch Permanentmagnet kernkomponenten ermöglichen würde, und die eine angemessene mecha nische Festigkeit für Anwendungen aufweisen würden, die relativ hohe Drehgeschwindigkeiten erfordern, wie dies beispielsweise bei AC- und DC- Rotoren von Motoren und Generatoren oft der Fall ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer ro tierbaren elektromagnetischen Komponente mit sowohl Weich- als auch Hart-(Permanent)-Magnetbereichen, bei dem Pulvertechnologien dazu ver wendet werden, um die Komponente netzförmig auszuformen. Die Erfin dung verwendet ein Pulver aus Weichmagnetmaterial und entweder ein Pulver oder einen Einsatz aus Hartmagnetmaterial und führt dann einen Teilsintervorgang aus, der so ausgelegt ist, um das Pulver (oder die Pulver) wirksam aneinander zu binden, ohne daß die magnetischen Eigenschaften des Hartmagnetmaterials verschlechtert werden.

Die Erfindung umfaßt allgemein die Schritte zum Verdichten eines Weichmagnetpulvermaterials und eines Einsatzes oder Pulvers aus einem Permanentmagnetmaterial, um einen rotierbaren elektromagnetischen Körper zu bilden, der Weich- und Hartmagnetbereiche enthält. Der rotier bare elektromagnetische Körper wird dem Teilsintervorgang dann bei einer Temperatur von 1600°F (etwa 870°C) oder weniger, vorzugsweise etwa 1400°F bis 1500°F (etwa 760°C bis etwa 830°C) und am bevorzugtesten bei 1500°F oder etwas darunter ausgeführt, um die Weichmagnetpulver materialien mit dem Permanentmagnetmaterial zumindest teilweise zu verschmelzen. Gemäß dieser Erfindung ist die Weichpulverkomponente des resultierenden elektromagnetischen Körpers ausreichend verschmol zen, um mechanische Eigenschaften vergleichbar mit einem vollständig gesinterten Körper (d. h. bei 2050°F (etwa 1120°C) oder mehr gesintert) aufzuweisen, aber ohne daß die magnetischen Eigenschaften des Hartma gnetbereiches verschlechtert sind. Das Resultat ist ein Prozeß, der die Massenproduktion von rotierbaren elektromagnetischen Komponenten ermöglicht, die sowohl Weich- als auch Permanentmagnetkernkompo nenten aufweisen und eine angemessene mechanische Festigkeit für An wendungen besitzen, die für relativ hohe Drehgeschwindigkeiten erforder lich sind, wie dies oft bei AC- und DC-Rotoren von Motoren und Generato ren der Fall ist.

Andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Permanentmagnetro toraufbaues im Schnitt, der gemäß dieser Erfindung aufge baut ist.

Fig. 2 bis 7 zeigen einen Prozeß zur Bildung des Permanentmagnetro toraufbaues von Fig. 1 gemäß dieser Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 zeigt einen Permanentmagnetrotoraufbau 10, der gemäß der vorlie genden Erfindung aufgebaut ist. Der Aufbau 10 umfaßt allgemein eine Zentralwelle 12, einen ferromagnetischen Innenkern 14 und eine Perma nentmagnetaußenschale 16. Gemäß dieser Erfindung ist der ferromagne tische Kern 14 aus einem verdichteten Weichmagnetpulver gebildet, wäh rend die Permanentmagnetschale 16 aus verdichtetem Hartmagnetpulver oder einem oder mehreren vorgeformten Einsätzen aus einem Hartma gnetmaterial bestehen kann. Im Verlaufe der Herstellung des Aufbaues 10 werden die Materialien des Kernes 14 und der Schale 16 verschmolzen, um eine einheitliche Struktur zu bilden, wobei die Schale 16 wirksam mit dem Kern 14 verbunden ist. Zusätzlich kann die Welle 12 in dem Herstel lungsprozeß ausreichend früh angebracht werden, so daß der Kern 14 durch denselben Vorgang fest an der Welle 12 befestigt wird, der die Mate rialien des Kernes 14 und der Schale 16 verschmilzt. Alternativ dazu kann die Welle 12 in eine Zentralöffnung mittels Preßpassung eingepaßt wer den, die in dem ferromagnetischen Kern 14 ausgebildet ist. Nach der Kompression und dem Verschmelzen des Kernes 14 und der Schale 16 wird der Rotoraufbau 10 in einer Magnetisierungsvorrichtung (nicht ge zeigt) angeordnet und einem starken Magnetfeld unterzogen. Das Feld richtet magnetische Bereiche innerhalb der magnetisierbaren Schale 16 gemäß eines vorbestimmten Musters aus, wobei Permanentmagnetpole 18 in der Schale 16 gebildet werden, wie in Fig. 1 gezeigt ist.

Die Fig. 2 bis 7 stellen die Ausführungsform der Erfindung dar, bei der sowohl der Kern 14 als auch die Schale 16 aus Pulvermaterialien gebildet sind. Geeignete Materialien für den Kern 14 sind "Weich"-Magnet materialien, wie Eisen und seine Legierungen, Nickel und seine Legierun gen, Kobalt und seine Legierungen, Eisensiliziumlegierungen, Eisenphos phorlegierungen, Eisen-Silizium-Aluminium-Legierungen, Ferrite und ma gnetische Legierungen aus rostfreiem Stahl. Geeignete Permanent-("Hart")- Magnetmaterialien umfassen Ferrite, Eisen-Seltenerdmetall-Legierungen, Samariumlegierungen und keramische Materialien. Bevorzugte Perma nentmagnetmaterialien sind Neodym-Eisen-Bor-Zusammensetzungen, die von Magnequench International erhältlich sind. Wie in der Technik be kannt ist, sind diese Materialien durch eine amorphe, nichtkristalline metallurgische Struktur gekennzeichnet und weisen eine magnetische Anisotropie auf. Eine Erhitzung dieser Materialien über 1600°F (etwa 870°C) zerstört jedoch deren amorphe Struktur und daher auch die er wünschten magnetischen Eigenschaften, die durch die amorphe Struktur möglich sind. Aus diesem Grund sind in der Vergangenheit Rotoren und andere rotierbare elektromagnetische Körper, die ein Sintern erfordern, um eine ausreichende Festigkeit für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu erreichen, nicht aus gesinterten Pulvermaterialien, wie beispielsweise Nd- Fe-B-Zusammensetzungen, wie auch anderen Hartmagnetmaterialien ge bildet worden.

Ein geeigneter durchschnittlicher Partikelgrößenbereich für die Pulver be trägt etwa 5 bis etwa 1000 Mikrometer, wobei eine bevorzugte durch schnittliche Größe zwischen etwa 100 und 200 Mikrometer liegt. Um die Verarbeitung zu erleichtern und die Dichte nach einer Verdichtung zu maximieren, sind die einzelnen Partikel der Weich- und Hartpulver vor zugsweise mit einem Polymerbeschichtungsmaterial eingekapselt, das während des Teilsintervorgangs dieser Erfindung sauber abbrennt. Geeig nete Beschichtungsmaterialien für diesen Zweck umfassen Polyalkylen karbonate, Polypropylenoxid-(PPO)-Polymersysteme, wie beispielsweise NORYL® von General Electric, Wachse, niedrigschmelzende Polymere, Nylon, Polyetherimide, wie beispielsweise ULTEM® von General Electric, Epoxide, Phenole, Polyester und Silikone. Diese Beschichtungsmaterialien werden vorzugsweise auf den Pulverpartikeln abgeschieden, um eine im wesentlichen gleichförmige Einkapselungslage zu bilden, die etwa 0,1 bis etwa 1 Gewichtsprozent jedes Partikels und vorzugsweise etwa 0,20 bis etwa 0,50 Gewichtsprozent jedes Partikels ausmacht. Um die Dichten weiter zu fördern und das Erfordernis für Sprühschmierstoffe für die Au ßenmatrizenwand zu beseitigen, können die Pulver mit Schmierstoffen gemischt sein, wie beispielsweise mit Stearaten, Fluorkohlenwasserstof fen, Wachsen, niedrigschmelzenden Polymeren, synthetischen Wachsen, wie beispielsweise ACRAWAX, das von Lonza, Inc. erhältlich ist. Geeignete Verfahren zum Einkapseln der Pulver sind gut bekannt und umfassen Lö sungsmisch-, Naßmisch- und mechanische Mischtechniken und Char genbeschichtungsprozesse vom Wurstertyp, wie beispielsweise diejenigen, die in den U.S. Patenten Nr. 2,648,609 und 3,253,944 beschrieben sind. Während des Teilsinterprozesses dieser Erfindung werden die Polymerbe schichtungen und irgendwelche Schmierstoffe abgebrannt, wobei nur die verschmolzenen Magnetpartikel zurückbleiben.

Wie in den Fig. 2 bis 7 gezeigt ist, basiert ein geeigneter Herstellungspro zeß für den Rotoraufbau 10 auf einer Vorrichtung oder einem Verfahren, das in dem U.S. Patent Nr. 5,221,503 von Ward et al. offenbart ist und gemeinsam mit der vorliegenden Erfindung übertragen ist. In den Figuren ist eine Stempel- und Matrizenvorrichtung 20 mit einer Zentralkernstange 22 gezeigt, die entlang einer Längsachse 24 eines erhitzten Matrizenge häuses 30 ausgerichtet ist. Eine ringförmige innere Stempeleinrichtung 26 ist verschiebbar um die Kernstange 22 angeordnet, während eine ringför mige äußere Stempeleinrichtung 28 zwischen dem inneren Stempelele ment 26 und dem erhitzten Matrizengehäuse 30 verschiebbar angeordnet ist. Ein Paar von Pulverabgabeeinrichtungen 32 und 34 sind an einem Matrizentisch 36 vorgesehen, der an einem oberen Ende des Matrizenge häuses 30 angeordnet ist. Die Pulverabgabeeinrichtungen 32 und 34 sind mit den Weich- bzw. Hartmagnetpulvern beladen, die für den Kern 14 und die Schale 16 erforderlich sind. Jede Abgabeeinrichtung 32 und 34 ist derart ausgebildet, um ihr Pulver in einen der Hohlräume abzugeben, die gebildet werden, wenn die inneren und äußeren Stempeleinrichtungen 26 und 28 zurückgezogen sind, wie unten detaillierter beschrieben ist. Das Matrizengehäuse 30 und eine beliebige andere Komponente der Vorrich tung 20 kann einer Vibration ausgesetzt werden, um die Befüllung der Hohlräume zu verbessern.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die inneren und äußeren Stempeleinrichtun gen 26 und 28 anfangs in ihre obersten Positionen zurückgeführt, um jeg lichen Fremdstoff von dem Matrizengehäuse 30 auszustoßen. Dann wird die äußere Stempeleinrichtung 28 zurückgezogen, wie in Fig. 3 gezeigt ist, um einen Permanentmagnethohlraum 40 zwischen dem erhitzten Matri zengehäuse 30 und dem Außendurchmesser der inneren Stempeleinrich tung 26 zu bilden. Die Abgabeeinrichtung 32 wird dann aus ihrer Basis position zu dem Hohlraum 40 bewegt und befüllt danach den Hohlraum 40 mit dem Hartmagnetpulver, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Abgabeein richtung 32 wird dann in ihre Basisposition zurückgeführt, und die zweite Abgabeeinrichtung 34 wird über den Stempeleinrichtungen 26 und 28 po sitioniert. Die innere Stempeleinrichtung 26 wird dann zurückgezogen, wie in Fig. 4 gezeigt ist, um einen Kernhohlraum 42 zu bilden, der unmittelbar mit dem Weichmagnetpulver von der Abgabeeinrichtung 34 rückbefüllt wird. Infolge von Unterschieden in den Fülldichten der Weich- und Hart magnetpulver ist der Kernhohlraum 42 kürzer als der Permanenthohl raum 40 ausgeführt gezeigt.

Nach der Befüllung des Kernhohlraumes 42 wird die Abgabeeinrichtung 34 in ihre Basisstellung zurückgeführt, wie in Fig. 5 gezeigt ist, und die innere Stempeleinrichtung 26 wird weiter zurückgezogen, um den Kern hohlraum 42 innerhalb des Permanentmagnethohlraumes 40 axial zu zentrieren. Gleichzeitig werden ein Paar von oberen Stempeleinrichtungen 44 und 46 vorbereitend zur Verdichtung der Weich- und Hartmagnetpul ver axial gegenüberliegend den Stempeleinrichtungen 26 und 28 positio niert. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird eine Verdichtung der Weich- und Hartmagnetpulver dadurch ausgeführt, daß die Stempeleinrichtungen 26 und 28 und die gegenüberliegenden Stempeleinrichtungen 44 und 46 in Richtung zueinander verschoben werden. In Kombination mit der Erhit zung des Matrizengehäuses 30 auf eine geeignete Temperatur (beispielsweise etwa 65°C bis etwa 285°C) bewirkt eine Verdichtung der Pulver, daß ihre Polymerbeschichtungsmaterialien verschmelzen, wobei eine Verbindung zwischen dem Kern 14 und der Schale 16 und der Pulver darin gebildet wird. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, können die oberen Stempe leinrichtungen 44 und 46 nach dem Verdichtungsschritt angehoben wer den, und die inneren und äußeren Stempeleinrichtungen 26 und 28 wer den angehoben, um den Rotoraufbau 10 aus der Stempel- und Matrizen vorrichtung 20 auszustoßen.

Bei der veranschaulichten Ausführungsform definiert die Kernstange 22 eine Zentralöffnung 48 in dem Kern 14, und die Herstellung des Rotorauf baues 10 wird mit dem Einsetzen der Welle 12 durch die Öffnung 48 ver vollständigt, um die Rotorkonfiguration von Fig. 1 zu erzielen. Alternativ dazu könnte vor dem Verdichtungsschritt die Kernstange 22 abgesenkt werden, um einen dritten Hohlraum entsprechend der Öffnung 48 zu defi nieren, und dann die Welle 12 so in den dritten Hohlraum eingesetzt wer den, daß das Weichmagnetpulvermaterial um die Welle 12 herum ver dichtet wird.

Während der Verdichtungsprozeß, der in den Fig. 2 bis 7 gezeigt ist, mit einer Abgabe des Hartpulvermaterials vor der des Weichpulvermaterials beschrieben wurde, ist für Fachleute offensichtlich, daß die Reihenfolge der Befüllung nicht kritisch ist. Das Weichpulvermaterial für den Kern 14 könnte zuerst durch Absenken der inneren Stempeleinrichtung 26 an stelle der äußeren Stempeleinrichtung 28 in Fig. 3 abgegeben werden. Die Schale 12 kann dann dadurch gebildet werden, daß die äußere Stempe leinrichtung 28 abgesenkt und dann entweder das Hartpulvermaterial in den Hohlraum 40 abgegeben oder vorgeformte Einsätze des erwünschten Permanentmagnetmaterials in dem Hohlraum 40 angeordnet werden. Bei jedem der Verfahren würde der Verdichtungsschritt dazu dienen, den Kern 14 und die Schale 16 physikalisch miteinander zu verbinden. Eine andere Alternative ist die Verwendung des Verdichtungsvorganges, um nur den Kern 14 zu formen, wobei vorgeformte Einsätze aus Permanent magnetmaterial an dem Kern 14 angebaut werden, nachdem der Kern von der Vorrichtung 20 entfernt ist. Schließlich ist es, während in den Fig. 2 bis 7 eine uniaxiale Verdichtungstechnik verwendet worden ist, offen sichtlich, das Verfahren zur isostatischen Verdichtung und dynamischen magnetischen Verdichtung (DMC) dazu verwendet werden könnten, den Kern 14 und die Schale 16 zu bilden, wie auch bekannte Strangpreß- und Metallspritzformtechniken.

Sobald der Kern 14 und die Schale 16 gebildet sind, wird der Aufbau 10 (mit oder ohne die Welle 12) dem Teilsintervorgang dieser Erfindung un terzogen. Geeignete Temperaturen für den Teilsintervorgang liegen unter halb der Temperatur, bei der sich die magnetischen Eigenschaften des Permanentmagnetmaterials verschlechtern. Bei Nd-Fe-B- Zusammensetzungen, deren Kristallisationstemperatur bei etwa 1620°F (etwa 882°C) liegt, liegt eine geeignete Temperatur zum Teilsintern allge mein bei 1600°F (etwa 882°C) oder darunter und beträgt vorzugsweise et wa 1400°F bis 1500°F (etwa 760°C bis etwa 830°C), aber am meisten be vorzugt bei oder gerade unterhalb 1500°F. Gemäß dieser Erfindung wird das Weichpulver des Kernes 14 und das Pulver oder der Einsatz des Per manentmagnetmaterials der Schale 12 bei diesen Temperaturen ausrei chend verschmolzen, um einen Rotoraufbau zu erzielen, der mechanische Eigenschaften vergleichbar mit einem vollständig gesinterten Körper (d. h. bei 2050°F (etwa 1120°C) oder höher gesintert) aufweist, aber ohne daß die magnetischen Eigenschaften des Hartmagnetbereiches verschlechtert werden.

Während einer Untersuchung, die zu dieser Erfindung führte, wurden Weichmagnetpulver aus zwei verschiedenen Quellen verdichtet und dann bei verschiedenen Temperaturen teilgesintert, um die Durchführbarkeit eines Rotors mit einem Weichmagnetkern und einer Hartmagnetschale abschätzen zu können, die aus einem Nd-Fe-B- Permanentmagnetmaterial besteht. Die Weichmagnetpulver waren QMP 2570 ("Pulver A"), das von Quebec Metal Powders kommerziell erhältlich ist, und Anchordense 45P ("Pulver B"), das von Hoeganaes kommerziell erhältlich war. Die durch schnittlichen Partikelgrößen für beide Pulver betrugen etwa 100 Mikro meter. Die Pulver wurden mit annähernd gleichen Mengen desselben Schmiermittels gemischt und dann bei einer Temperatur von etwa 175°C und mit einer Druckkraft von etwa 50 Tonnen pro Quadratinch (50 tsi, annähernd 770 MPa) verdichtet, um vierundzwanzig Proben jedes Pulver materials zu formen. Die Proben wurden dann auf entweder etwa 1300°F (etwa 705°C), 1400°F (etwa 760°C), 1500°F (etwa 815°C) oder eine her kömmliche Sintertemperatur von etwa 2050°F (etwa 1120°C) für eine Dauer von etwa sechzig Minuten erhitzt. Die Proben wurden dann bezüg lich Dichte, Zugfestigkeit und prozentuale Dehnung bewertet, wobei die Ergebnisse in Tabelle 1 unten zusammengefaßt sind.

TABELLE 1

Die obigen Ergebnisse zeigen allgemein, daß mit höheren Behand lungstemperaturen eine höhere prozentuale Dehnung erhalten wurde. Auf der Basis dieser Ergebnisse ist zu sehen, daß diejenigen Proben, die bei Temperaturen von 1400°F und 1500°F teilgesintert wurden, bezüglich der Zugfestigkeit und Dichte sehr gut vergleichbar mit denjenigen waren, die bei 2050°F vollständig gesintert wurden, wobei die Proben mit Pulver "A", die bei 1500°F behandelt wurden, eine bessere Zugfestigkeit aufwiesen, als die gesinterten Proben aus Pulver B. Aus diesen Ergebnissen läßt sich schließen, daß eine geeignete untere Temperaturgrenze für den Teilsinter vorgang dieser Erfindung bei etwa 1400°F bis etwa 1500°F liegt, wobei die bevorzugte obere Grenze bis zu 1500°F beträgt. Es ist offensichtlich, daß höhere Temperaturen verwendet werden könnten, bis zu der Temperatur, bei der die amorphe nichtkristalline metallurgische Struktur und die ma gnetische Anisotropie der Permanentmagnetmaterialien zerstört werden.

Während die Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß andere Formen von Fachleuten ausgeführt werden könnten. Demgemäß ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) mit Bereichen (14, 16) unterschiedlicher magneti scher Eigenschaften, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
Verdichten eines Weichmagnetpulvermaterials und eines Perma nentmagnetmaterials, um den rotierbaren elektromagnetischen Kör per (14, 16) zu formen, der Weich- und Hartmagnetbereiche (14, 16) umfaßt, wobei das Permanentmagnetmaterial eine Degradationstem peratur aufweist, bei der dessen Permanentmagneteigenschaften zer stört werden; und dann
Teilsintern des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) bei einer Temperatur von kleiner als der Degradationstemperatur, um die Weichmagnetpulvermaterialien mit dem Permanentmagnetmate rial zumindest teilweise zu verschmelzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der rotierbare elektromagnetische Körper (14, 16) während des Teilsinterschrittes auf eine Temperatur von etwa 1400°F bis 1500°F erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten:
Definieren eines ersten Hohlraumes (42), der dem Weichmagnet bereich (14) des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) entspricht.;
Befüllen des ersten Hohlraumes (42) mit dem Weichmagnetpul vermaterial;
Definieren eines zweiten Hohlraumes (40), der dem Hartmagnet bereich (16) des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) entspricht; und dann
Einsetzen eines Einsatzes aus dem Permanentmagnetmaterial in den zweiten Hohlraum (40);
wobei der Verdichtungsschritt bewirkt, daß das Weichmagnetpul vermaterial mit dem Einsatz aus dem Permanentmagnetmaterial ver dichtet wird, und wobei der Teilsinterschritt bewirkt, daß das Weichmagnetpulvermaterial mit dem Einsatz aus dem Permanentma gnetmaterial zumindest teilweise verschmolzen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 ferner mit den Schritten:
Definieren eines ersten Hohlraumes (42), der dem Weichmagnet bereich (14) des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) entspricht;
Befüllen des ersten Hohlraumes (42) mit dem Weichmagnetpul vermaterial;
Definieren eines zweiten Hohlraumes (40), der dem Hartmagnet bereich (16) des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) entspricht; und dann
Befüllen des zweiten Hohlraumes (40) mit einem Pulver aus dem Permanentmagnetmaterials;
wobei der Verdichtungsschritt bewirkt, daß sowohl das Weichma gnetpulvermaterial als auch das Pulver des Permanentmagnetmateri als verdichtet wird, und wobei der Teilsinterschritt bewirkt, daß das Weichmagnetpulvermaterial mit dem Pulver des Permanentmagnet materials zumindest teilweise verschmolzen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Partikel des Weichmagnetpulver materials mit einem organischen Bindermaterial eingekapselt werden, wobei das organische Bindermaterial während der Teilsinterung des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) abgebrannt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Partikel des Pulvers des Perma nentmagnetmaterials mit einem organischen Bindermaterial einge kapselt werden, wobei das organische Bindermaterial während der Teilsinterung des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) abgebrannt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Degradationstemperatur des Permanentmagnetmaterials über 1600°F liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Permanentmagnetmaterial eine amorphe nichtkristalline metallurgische Struktur aufweist und eine magnetische Anisotropie aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Weichmagnetpulvermaterial aus der Gruppe gewählt wird, die aus Eisen und Legierungen dessel ben, Nickel und Legierungen desselben, Kobalt und Legierungen des selben, Eisen-Silizium-Legierungen, Eisen-Phosphor-Legierungen, Ei sen-Silizium-Aluminium-Legierungen, Ferriten und Legierungen aus magnetischem rostfreiem Stahl besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Permanentmagnetmaterial aus der Gruppe gewählt wird, die aus Fetten, Eisen-Seltenerdme tall-Legierungen, Samariumlegierungen und keramischen Materialien besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt zum Einsetzen einer Welle (12) zentral in den rotierbaren elektromagnetischen Kör per (14, 16) vor dem Teilsinterschritt, so daß der Teilsinterschritt be wirkt, daß die Welle (12) mit zumindest einem der Materialien Weichmagnetpulvermaterial und Permanentmagnetmaterial zumin dest teilweise verschmolzen wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) mit Bereichen (14, 16) unterschiedlicher magneti scher Eigenschaften, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
Formung eines ersten Hohlraumes (40), der einem Hartmagnetbe reich (16) des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) ent spricht;
Befüllen des ersten Hohlraumes (40) mit einem Permanentma gnetpulvermaterial, dessen einzelne Partikel amorphe nichtkristalline metallurgische Strukturen aufweisen, die bei einer Temperatur über 1600°F kristallisieren;
Formen eines zweiten Hohlraumes (42) in dem ersten Hohlraum (40), der einem Weichmagnetbereich (14) des rotierbaren elektroma gnetischen Körpers (14, 16) entspricht;
Befüllen des zweiten Hohlraumes (42) mit einem Weichmagnet pulvermaterial;
Verdichten der Weich- und Permanentmagnetpulvermaterialien, um den rotierbaren elektromagnetischen Körper (14, 16) zu formen, der die Weich- und Hartmagnetbereiche (14, 16) umfaßt; und dann
Teilsintern des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) bei einer Temperatur über 1400°F bis zu 1500°F, um die Weich- und Permanentmagnetpulvermaterialien zumindest teilweise zu ver schmelzen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Partikel des Weichmagnetpul vermaterials mit einem organischen Bindermaterial eingekapselt wer den, wobei das organische Bindermaterial während der Teilsinterung des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) abgebrannt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Partikel des Permanentmagnet pulvermaterials mit einem organischen Bindermaterial eingekapselt werden, wobei das organische Bindermaterial während der Teilsinte rung des rotierbaren elektromagnetischen Körpers (14, 16) abge brannt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Partikel des Permanentmagnet pulvermaterials nicht eingekapselt werden und eine magnetische Anisotropie aufweisen.

16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Partikel des Permanentmagnet pulvermaterials eine magnetische Anisotropie aufweisen.

17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Weichmagnetpulvermaterial aus der Gruppe gewählt wird, die aus Eisen und Legierungen dessel ben, Nickel und Legierungen desselben, Kobalt und Legierungen des selben, Eisen-Silizium-Legierungen, Eisen-Phosphor-Legierungen, Ei sen-Silizium-Aluminium-Legierungen, Ferriten und Legierungen aus magnetischem rostfreiem Stahl besteht.

18. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Permanentmagnetpulver material aus der Gruppe gewählt wird, die aus Ferriten, Eisen- Seltenerdmetall-Legierungen, Samariumlegierungen und kerami schen Materialien besteht.

19. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit den Schritten:
Definieren eines dritten Hohlraumes (48) vor dem Verdichtungs schritt koaxial mit einer Zentralachse des rotierbaren elektromagneti schen Körpers (14, 16); und dann
Einsetzen einer Welle (12) in den dritten Hohlraum (48), so daß die Verdichtungs- und Teilsinterschritte ein zumindest teilweises Verschmelzen der Welle (12) mit zumindest einem der Materialien Weichmagnetpulvermaterial und Permanentmagnetmaterial bewir ken.

20. Verfahren zum Herstellen eines Magnetrotors (10), wobei das Verfah ren die Schritte umfaßt:
Definieren eines ersten ringförmigen Hohlraumes (40) um eine Achse (24) herum, wobei der erste ringförmige Hohlraum (40) einen Innenumfang und einen Außenumfang aufweist;
Befüllen des ersten ringförmigen Hohlraumes (40) mit einem Per manentmagnetpulvermaterial, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Eisen und Legierungen desselben, Nickel und Legierungen des selben, Kobalt und Legierungen desselben, Eisen-Silizium-Legierun gen, Eisen-Phosphor-Legierungen, Eisen-Silizium-Aluminium-Le gierungen, Ferriten und Legierungen aus magnetischem rostfreiem Stahl besteht, wobei einzelne Partikel des Permanentmagnetpulver materials eine magnetische Anisotropie aufweisen, die sich von einer amorphen nichtkristallinen metallurgischen Struktur ableitet, die bei einer Temperatur über 1600°F kristallisiert;
Definieren eines zweiten ringförmigen Hohlraumes (42) konzen trisch mit dem ersten ringförmigen Hohlraum (40) und um diesen herum, wobei der zweite ringförmige Hohlraum (42) einen Innenum fang, der durch den Außenumfang des ersten ringförmigen Hohlrau mes (40) definiert ist, und einen Außenumfang entsprechend eines Außenumfanges des Magnetrotors (10) aufweist;
Befüllen des zweiten ringförmigen Hohlraumes (42) mit einem Weichmagnetpulvermaterial, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Eisen und Legierungen desselben, Nickel und Legierungen des selben, Kobalt und Legierungen desselben, Eisen-Silizium- Legierungen, Eisen-Phosphor-Legierungen, Eisen-Silizium- Aluminium-Legierungen, Ferriten und Legierungen aus magneti schem rostfreiem Stahl besteht, wobei einzelne Partikel des Weichmagnetpulvermaterials mit einem Bindermaterial eingekapselt werden;
Erhitzen der Weich- und Permanentmagnetpulvermaterialien, während die Weich- und Permanentmagnetpulvermaterialien in einer Richtung parallel zu der Achse (24) des ersten ringförmigen Hohl raumes (40) verdichtet werden, um so den Magnetrotor (10) zu bilden; und dann
Teilsintern des Magnetrotors (10) bei einer Temperatur über 1400°F bis zu 1500°F, um die Weich- und Permanentmagnetpulver materialien zumindest teilweise zu verschmelzen.