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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Mikromotor, insbesondere einen
Mikromotor, der aus einem aus mehrfachen Schichten aufgebauten Isolierlaminat-Dickfilmmagneten
besteht, wobei jede Schicht einen isotropen Magneten hoher Remanenz Mr
enthält sowie ein nichtmagnetisches Material zur Isolierung
zweier benachbarter isotroper Magnete voneinander. Der isotrope
Magnet verfügt über zwei oder mehr Polpaare und
sein mittlerer magnetischer Pfad innerhalb der Schichtebene weist
eine Permeabilitätszahl (B/μoH) von fünf
oder mehr auf, die durch den Magneten alleine erzielt wird. Die
Erfindung betrifft ferner eine rotierende elektrische Maschine,
die einen solchen Mikromotor beinhaltet.
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Stand der Technik
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Rotierende
elektrische Maschinen mit einem auf circa 100 mm3 reduziertem
Volumen zur Anwendung beispielsweise auf dem Gebiet der Informations-
und Telekommunikationstechnologie werden kommerziell hergestellt
und sind weit verbreitet. Zur Verringerung von Größe,
Dicke, Gewicht und Stromverbrauch des Antriebs elektrischer und
elektronischer Geräte oder Roboter zur Anwendung in den Bereichen
Kfz-Technik, Home Media und Kommunikationsgeräte, Präzisionsmessgeräte,
Medizintechnik, medizinische Hilfsmittel und ähnlichem
ist eine weitere Miniaturisierung erforderlich.
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Die
offengelegte PCT Patentanmeldung
WO 1995/33296 A1 , zum Beispiel offenbart
einen bürstenlosen Radialspalt-Gleichstrommotor (RG-BLM) mit
einem Außendurchmesser von 1 mm oder weniger und einer
axialen Länge von 2 mm oder weniger, der einen kreisförmigen
Hohlzylinder mit einer leitenden zylindrischen Wand mit Nuten umfasst,
die als Erregerwicklung wirkt und der in einem intravaskulären
Ultraschallsystem eingesetzt wird. Die offengelegte PCT Patentanmeldung
WO 2000/33446 A1 zeigt
ebenfalls einen RG-BLM auf, der Flüssigkeitsgekühlt
ist mit einem Außendurchmesser von 8 mm oder weniger, der
sich daher in das Vaskularsystem des Körpers einführen
lässt und dadurch eine sich im Körper befindliche
Blutpumpe antreiben kann und in dem die Erregerwicklung aus Al
2O
3-haltigem Kunstharz
geformt ist, wodurch sich die Wärmeabgabe verbessert und
daher eine Leistungsabgabe von 5 W bei 30.000 U/min erreicht werden
kann.
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Als
Beispiel einer oben beschriebenen rotierenden elektrischen Maschine
ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem Volumen
von 4 mm3, einem Außendurchmesser
von 1,6 mm und einer axialen Länge von 2 mm bekannt, wobei
ein Einzelpolpaar-Rotor mit einem Außendurchmesser von
0,76 mm, der einen durch Funkenerosionsverfahren hergestellten Nd2Fe14B-Sintermagnet
umfasst, mit einem Stator gekoppelt ist. (siehe Nicht-Patent-Literatur
1). Ebenfalls bekannt sind ein bürstenloser Gleichstrommotor
mit einem Volumen von 62 mm3 (Außendurchmesser
6 mm und axiale Länge 2,2 mm) vorgeschlagen von H. Raisigel
(siehe Nicht-Patent-Literatur 2), ferner ein bürstenloser
Gleichstrommotor mit einem Volumen von 20 mm3 (Außendurchmesser
5 mm und axiale Länge 1 mm) vorgeschlagen von M. Nakano
(siehe Nicht-Patent-Literatur 3), und weiterhin ein bürstenloser
Gleichstrommotor mit einem Volumen von 0,6 mm3 (Außendurchmesser 0,8
mm und axiale Länge 1,2 mm) vorgeschlagen von T. Ito (siebe
Nicht-Patent-Literatur 4). Bei den oben beschriebenen rotierenden
elektrischen Maschinen gibt es wegen der Volumenabnahme entsprechend
dem Maßstabsgesetz eine signifikante Verringerung des Drehmoments.
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Verschiedenartige
Vorschläge für einen Magneten als Mikromotor in
einer wie oben beschriebenen rotierenden elektrischen Maschine sind
bereits vorgestellt worden. So haben D. Hinz, et al. einen
Mikromotor aus einem Nd2Fe14B-Magneten
mit 300 μm Dicke präsentiert, der bei 750°C
formgepresst wird und dessen Remanenz Mr = 1,25 T, Koerzitivkraft HcJ
= 1,06 MA/m, und (BH)max = 290 kJ/m3 beträgt (siehe Nicht-Patent-Literatur
5). J. Delamere, et al. stellen dar, dass ein Motor
mit SmCo-Magnet-Mikrorotor, der über acht Polpaare und
einen der Rotorkomponente gegenüberliegendem Stator aufweist, ein
Drehmoment von 0,001 mNm bei einer Drehzahl von 100.000 U/min erzeugt.
Ein elektrischer Generator, der nach identischer Struktur zu dem
oben beschriebenen Motor aufgebaut ist erzeugt bei 150.000 U/min
eine Leistung von 1 W (siehe Nicht-Patent-Literatur 6). Topfer,
T. Speliotis, et al. berichten weiter von einem so genannten
Power MEMS Motor der zur Erzeugung eines Drehmoments von 0,055 mNm
ausgelegt ist und dessen Aufbau einen Mikromotor enthält,
der aus einem Nd2Fe14B- Verbundmagneten
besteht, der im Siebdruckverfahren auf ein Fe-Si Substrat mit einem
Durchmesser von 10 mm so aufgedruckt wird, dass er eine Schichtdicke
von 500 μm aufweist, eine Remanenz von Mr = 0,42 T und (BH)max = 15,8 kJ/m3 aufweist
(siehe Nicht-Patent-Literatur 8).
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Im
Hinblick auf Drehmoment pro Volumen, d. h. Drehmomentdichte einer
rotierenden elektrischen Maschine ist die Radialspalt-Konstruktion
im Vorteil gegenüber der Axialspalt-Konstruktion (siehe Nicht-Patent-Literatur
9). Jedoch ergibt sich bei einer rotierenden elektrischen Maschine
mit einem nutenlosen Eisenkern eine Zunahme des elektrischen Widerstands
infolge des Spaltes.
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Das
Drehmoment ist proportional zur Anzahl der Polpaare und die mechanische
Leistungsabgabe P(W) wird durch ein Produkt aus der Konstanten k
= 0,1047 (= π/30), der Drehzahl N(U/min) und dem Drehmoment
T(Nm) dargestellt. Zur Kompensierung einer durch die Miniaturisierung
eingetretenen Verringerung der Abgabeleistung P einer rotierenden
elektrischen Maschine, ist es daher erforderlich, dass (1) der Magnet
eine hohe Remanenz aufweist, (2) die Magnetisierung mit großer
Permeabilitätszahl (B/μoH) für zwei oder
mehr Polpaare in Radialrichtung ausgeführt wird, und dass
(3) Wirbelstromverluste auf Grund hoher Drehzahlen verringert werden.
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Der
Mikrorotor für die oben aufgeführte rotierende
elektrische Maschine in Radialspaltausführung hat einen
Durchmesser von circa 1,6 mm oder weniger. Entsprechend ist der
Pressform-Magnet von D. Hinz et al. mit einer Remanenz
von Mr = 1,25, was der eines anisotropen Nd2Fe14BSintermagneten entspricht, magnetisch
auf eine Orientierung zur C-Achse in einer einzigen Richtung beschränkt.
Daraus ergibt sich, dass sich die Magnetisierung in radialer Richtung
auf ein Polpaar (= zwei Pole) beschränkt. Auch die Permeabilitätszahl
(B/μoH) kann wegen Einschränkungen des magnetischen
Pfads (Konfiguration) nicht hoch eingestellt werden. Ferner ist
der spezifische elektrische Widerstand des Magneten mit nahezu 10–5 Ωcm niedrig und eine
Unterdrückung der Wirbelstromverluste durch hohe Drehzahlen
daher nicht möglich.
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Andererseits
ist der im Siebdruckverfahren hergestellte Nd2Fe14B-Verbundmagnet von Topfer, T. Speliotis
et al. magnetisch isotrop. Wenn der Magnet daher mit zwei
oder mehr Polpaaren in der radialen Richtung magnetisiert wird und
daher auch mit mehr Polen als anisotrope Magnete, die im Formpress- oder
Sinterverfahren hergestellt wurden, lässt. sich eine Magnetisierung
mit hoher Permeabilitätszahl (B/μoH) realisieren.
Außerdem lassen sich durch den im Siebdruckverfahren hergestellten
Nd2Fe14B-Verbundmagnet,
da er einen spezifischen elektrischen Widerstand von fast 10–1 Ωcm erreicht, was vergleichbar
zu einem magnetischen Blechpaket ist, Wirbelstromverluste durch
hohe Drehzahlen unterdrücken. Der im Siebdruckverfahren
hergestellte Nd2Fe14B-Verbundmagnet
hat eine Remanenz von 0,42 T, was weniger ist als bei den anisotropen
Magneten, die nach dem Formpress- oder Sinterverfahren hergestellt
wurden. Daraus ergibt sich, dass das im statischen Magnetfeld eines
Mikrorotors durch eine rotierende elektrische Maschine mit im Siebdruckverfahren
hergestelltem Nd2Fe14B-Verbundmagnet
erzeugte Drehmoment nur etwa ein Drittel so groß ist wie
das Drehmoment das durch eine rotierende elektrische Maschine die
bei gleichen Abmessungen und gleicher Anordnung einen anisotropen Magneten
beinhaltet.
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Im
Hinblick auf eine Magnetisierung mit zwei oder mehr Polpaaren berichten
z. B. H. Komura, et al. von einer multi-polaren
Magnetisierung bei der ein isotroper Nd2Fe14B-Verbundmagnet auf bis zu 320°C (Curie
Temperatur) oder höher erhitzt wird und dann im Magnetfeld
abgekühlt wird. Er wurde hergestellt durch Aushärten
eines isotropen magnetischen Pulvers bestehend aus Nd2Fe14B zusammen mit Epoxidharz. Das Pulver selbst
wird durch schnelles Erstarren eines schmelzgeschleuderten dünnen
Bandes gewonnen und weist eine Remanenz Mr von ungefähr
0,62 bis 0,68 T auf (Nicht-Patent-Literatur 9). Obwohl der Magnet
von H. Kinnura, et al. eine höhere Remanenz
aufweist als der von Topfer, T. Speliotis, et al,
ist es schwierig, mit einer rotierenden elektrischen Mikromaschine
in Radialspaltausführung, die den Magneten von H.
Kimura, et al. aufweist, ein gleich großes oder
größeres Drehmoment zu erzielen als das, das durch
eine vergleichbare rotierende elektrische Maschine geliefert wird,
die einen Pressform- oder gesinterten anisotropen Magneten beinhaltet. Wenn
ferner Epoxidharz über die Curie Temperatur von Magnetmaterial
hinaus erhitzt werden soll, die die Zersetzungstemperatur des Epoxidharzes übersteigt,
wird dadurch nicht nur das Magnetmaterial eingeschränkt,
auch die mechanische Stabilität verschlechtert sich auf
Grund der Karbonisierung des Verbundharzes, mit dem das Magnetmaterial
zusammen erhärtet wird, oder Wirbelstromverluste steigen bei
hoher Drehzahl wegen der Abnahme des spezifischen elektrischen Widerstands.
Daraus ergibt sich, dass der Magnet von H. Kimura, et al. in
Bezug auf Erhöhung des Drehmoments sowie Erzielen einer größeren
Abgabeleistung durch erhöhte Drehzahl nicht als Mikrorotor
geeignet ist.
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Nicht-Patent-Literatur,
die bisher zitiert wurde und/oder nachstehend zitiert wird, ist
wie folgt aufgelistet:
- <Nicht-Patent-Literatur
1> Mitsubishi
Electric Corp. Technical Report. – Volume 75 (2001), pp.
703–708, by S. Ohta, T. Obara, Y. Toda and M. Takeda
- <Nicht-Patent-Literatur
2> Proceedings
of the 18th International Workshop an High Performance Magnets and
Their Applications, Annecy, France (2004), pp. 942–944,
by H. Raisigel, O. Wiss, N. Achotte, O. Cugat and J. Delamare
- <Nicht-Patent-Literatur
3> Proceedings
of the 18th International Workshop an High Performance Magnets and
Their Applications, Annecy, France (2004), pp. 723–726,
by M. Nakano, S, Sato, R. Kato, H. Fukunaga, F. Yamashita, S. Hoefinger
and J. Fidler
- <Nicht-Patent-Literatur
4> Journal
of the Magnetics Society of Japan – Volume 18 (1994), pp.
922–927, by T. Ito
- <Nicht-Patent-Literatur
5> Proceedings
of the 18th International Workshop an High Performance Magnets and
Their Applications, Annecy, France (2004), pp. 76–83, by
D. Hinz, O. Gutfleisch and K. H. Muller
- <Nicht-Patent-Literatur
6> Proceedings
of the 18th International Workshop an High Performance Magnets and
Their Applications, Annecy, France (2004), pp. 767–778,
by J. Delamare, G. Regne and O. Cugat
- <Nicht-Patent-Literatur
7> Materials
for the 143rd Workshop of the Applied Magnetics Society of Japan, Surugadai
Kinenkan of Chuo University (2005), by F. Yamashita
- <Nicht-Patent-Literatur
8> Proceedings
of the 18th International Workshop an High Performance Magnets and
Their Applications, Annecy, France (2004), pp. 942–944,
by Toepfer, B. Pawlowski, D. Schabbel
- <Nicht-Patent-Literatur
9> Journal
of Applied Physics – Volume 101 (2007), 09K104, by H. Komura,
M. Kitaoka, T. Kiyomiya and Y. Matsuo
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Es
ist relativ einfach, die Remanenz Mr eines Mikromagneten um 10%
zu erhöhen, zum Beispiel beim anisotropen Magneten von D.
Hinz et al. (siehe Nicht-Patent-Literatur 5) mit einer
Remanenz Mr von 1,25 T, aber die Anzahl der Polpaare bleibt auf
eins beschränkt und es ist daher unmöglich oder
extrem schwierig, den Magneten mit einer hohen Permeabilitätszahl
(B/μoH) zu magnetisieren und einen hohen spezifischen Widerstand
zu erzielen.
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Das
Drehmoment einer rotierenden elektrischen Maschine mit dem oben
aufgeführten anisotropen Magneten kann durch Verbesserung
der Remanenz Mr des Magneten erhöht werden, aber eine solche
rotierende elektrische Maschine hat auf Grund abfallender S-T (Geschwindigkeit-Drehmoment)-Kennlinie
Nachteile bei steigender Drehzahl. Insbesondere der Magnet von D.
Hinz et al. hat einen spezifischen elektrischen Widerstand
von ungefähr 10–5 Ωcm,
und es kann daher vorkommen, dass Wirbelströme bei hohen
Drehzahlen zunehmen und die dabei auftretende Wärmeentwicklung
zu einer erhöhten Temperatur der Rotorkomponente führt,
wodurch möglicherweise eine thermische Demagnetisierung verursacht
wird. Daher haben in Pressform oder durch Sintern hergestellte anisotrope
Magnete von denen bekannt ist, dass sie eine hohe Remanenz Mr erreichen
können, die technischen Probleme, dass es schwierig ist,
das Drehmoment durch Erhöhen der Polpaaranzahl zu vergrößern,
dass die Verluste bei Erhöhung der Drehzahl zunehmen und
dass ferner die Abgabeleistung durch Demagnetisierung verringert
wird.
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Unterdessen
stellen Toper, T. Speliotis et al. eine rotierende
elektrische Maschine mit Verbundmagnet als Mikrorotor vor, der einen
spezifischen elektrischen Widerstand von nahezu 10–1 Ωcm
und eine Remanenz Mr von ungefähr 0,42 T aufweist, wodurch
Wirbelströme unterdrückt werden und dadurch eine
höhere Drehzahl zu erreichen ist (siehe Nicht-Patent-Literatur
7 und 8). Jedoch erzeugt ein solcher Magnet mit einer Remanenz Mr
von ungefähr 0,42 T ein statisches Magnetfeld das ziemlich schwach
ist für den Einsatz des Magneten als Mikrorotor in einer
rotierenden elektrischen Radialspaltmaschine, die meist über
eine nutenlose Struktur mit inhärent hoher Reluktanz verfügt,
was zu dem Problem führt, dass der oben beschriebene Magnet
selbst wenn er mit zwei oder mehr Polpaaren ausgestattet wird, mehr
zu einem Drehmomentmangel neigt als ein Mikrorotor mit einer Remanenz
Mr von 1,25 T oder mehr.
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Bezüglich
einer Multipolar-Magnetisierung eines Magneten mit zwei oder mehr
Polpaaren in radialer Richtung berichten H. Komura, et al. zum
Beispiel über eine Multipolar-Magnetisierung eines Verbundmagneten,
hergestellt aus einem zusammen mit Epoxidharz ausgehärteten
isotropen magnetischen Pulver Nd2Fe14B, das durch schnelles Erstarren eines
dünnen Bandes gewonnen wird. Dieser Verbundmagnet weist
eine Remanenz Mr von ungefähr 0,62 bis 0,68 T auf und einen
spezifischen elektrischen Widerstand von ungefähr 102 Ωcm, wodurch sich die mit Wirbelströmen
verbundenen Probleme vermeiden lassen. Es lässt sich aber
nicht vermeiden, dass das magnetische Pulver aus Nd2Fe14B sowie das Epoxidharz beim Magnetisierungsprozess,
in dem sie bis auf 320°C (Curie-Temperatur) oder höher erhitzt
werden und dann im Magnetfeld abgekühlt werden, thermisch
geschädigt werden. Ferner erhöht sich beim teilweisen
Austausch von Fe-Atomen im Nd2Fe14B durch Co-Atome zu Nd2(Fe,
Co)14B die Curie-Temperatur um 10°C
pro Co-Atom %. So erhöht sich zum Beispiel die Curie-Temperatur
auf 470°C, wenn 16% der Fe-Atome durch Co ersetzt werden, wodurch
die Auswahl an Magnetmaterial entsprechend der Curie-Temperatur
eingeschränkt wird. Ferner nimmt die mechanische Festigkeit
als Mikrorotor ab und Wirbelstromverluste bei hoher Drehzahl nehmen
zu. Der zuvor beschriebene Verbundmagnet mit einer Remanenz Mr von
0,62 bis 0,68 T hat beim Einsatz als Mikromotor in einer rotierenden
elektrischen Maschine dasselbe Problem wie der Magnet von Topfer,
T. Speliotis et al., das heißt im Vergleich zu
einem Magneten mit einer Remanenz Mr von 1,25 T wird kein ausreichendes
Drehmoment entwickelt.
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Im
Hinblick auf einen Mikrorotor für eine rotierende elektrische
Maschine mit Radialspalt, die wie oben beschrieben ein größeres
Drehmoment erzielen kann als eine rotierende elektrische Maschine mit
Axialspalt, ist: (1.) eine Magnetstruktur nicht bekannt, die magnetisch
isotrop ist, eine hohe Remanenz von 0,95 T oder mehr aufweist und
deren Reluktanz in Magnetisierungsrichtung minimiert ist. Ferner
ist (2.) eine geeignete Magnetstruktur nicht bekannt, in welcher
die Magnete in Richtung der Rotationsachse isoliert sind und die
einen Magnetpfad mit einer Permeabilitätszahl (B/μoH)
von fünf oder mehr durch den Magneten alleine aufweist,
wobei der effektive magnetische Fluss dynamisch erzeugt wird. (3.)
Während die Anzahl der Polpaare eines anisotropen Magnets
auf eins beschränkt bleibt, kann andererseits der erfindungsgemäße
Magnet mit zwei oder mehr Polpaaren ausgestattet werden, wodurch
sich das Drehmoment einer darauf aufgebauten rotierenden elektrischen
Maschine erhöht. (4.) Des weiteren beinhaltet der Magnetaufbau
eine Vielzahl in Rotationsachsen-Richtung aufeinander gestapelter
Magnete, wodurch sich Wirbelströme auf Grund hoher Drehzahlen
unterdrücken lassen.
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Es
gibt keine öffentlich bekannte Technik, die die oben genannten
Probleme oder Umstände (1) bis (4) gleichzeitig bewältigt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die zuvor aufgeführten
Sachverhalte gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen Mikrorotor anzugeben der die oben beschriebenen Probleme
und Verhältnisse erfolgreich bewältigt, ferner
eine rotierende elektrische Maschine, die einen solchen Mikrorotor
beinhaltet.
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Zur
Erfüllung der vorstehend beschriebenen Aufgabe wird in
einer der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ein
Mikrorotor angegeben, der eine Vielzahl entweder ring- oder kreisscheibenförmiger Dickfilmmagnete
aufweist, die jeweils einen isotropen Magneten beinhalten mit einer
Dicke t1, einer Remanenz Mr in Schichtebene
von 0,95 T oder mehr, einer Koerzitivfeldstärke HcJ von
400 kA/m oder mehr und ein nicht-magnetisches Material mit einer
Dicke t2 zur Isolierung zweier benachbarter
isotroper Magnete voneinander, wobei das Verhältnis t1/t2 acht oder mehr
beträgt und die in mehreren Schichten in Richtung der Rotationsachse
derart aufeinander gestapelt angeordnet sind, dass sich das nichtmagnetische
Material zwischen zwei benachbarten isotropen Magneten befindet,
die jeweils über mindestens zwei Polpaare verfügen
und die einen mittleren magnetischen Pfad innerhalb der Schichtebene
mit einer alleine durch den Magneten hervorgerufenen Permeabilitätszahl
(B/μoH) von fünf oder mehr aufweisen. Hierbei
stellt die Permeabilitätszahl (B/μoH) den Grad
der Magnetflusspermeabilität dar und ist als Kehrwert des
magnetischen Widerstands definiert. Das heißt, die Permeabilitätszahl
(B/μoH) entspricht der elektrischen Leitfähigkeit
(Kehrwert des elektrischen Widerstands) wenn man dies in Analogie
zum elektrischen System ausdrückt und elektrischer Strom
an Stelle von magnetischem Fluss eingesetzt wird.
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In
einer Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann der Dickfilmmagnet
so aufgebaut werden, dass der isotrope Magnet durch physikalische
Abscheidung auf dem nichtmagnetischen Material als Substrat gebildet
und einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen wird, wodurch
der dabei gebildete Magnet eine Remanenz Mr innerhalb der Schichtebene
von 0,95 T oder mehr und eine Koerzivität HcJ von 400 kA/m
oder mehr erreicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der
Dickfilmmagnet so aufgebaut werden, dass der isotrope Magnet durch
physikalische Abscheidung einer ungeordneten FePt-Legierung gebildet
wird und dann in eine geordnete FePt-Legierung übergeführt
wird, oder er kann so aufgebaut werden, dass der isotrope Magnet αFe und
kristallisiertes R2TM14B
enthält, die so hergestellt werden, dass die mittlere Schichtdicke
der αFe-Ablagerung 60 nm oder weniger und die der R-TM-B
Ablagerung ebenfalls 60 nm oder weniger betragen und diese Schichten
abwechselnd aufeinander aufgebracht werden und dann einer Wärmebehandlung unterzogen
werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der
Dickfilmmagnet so aufgebaut werden, dass der isotrope Magnet aus
einem schnell erstarrten dünnen Band besteht, das durch Kristallisieren
oder Nitrieren einer Legierungsschmelze, bestehend aus einer Legierung
des Systems R-TM-B (wobei R entweder Nd oder Pr, und TM entweder
Fe oder Co ist) oder einer SmFe-Legierung, und dass das nichtmagnetische
Material aus einem nichtmagnetischen Metall besteht, das durch physikalische
Abscheidung auf der Oberfläche des dünnen Bandes
aufgebracht wird und eine Remanenz Mr innerhalb der Schichtebene
von 0,95 T oder mehr und eine Koerzivität HcJ von 400 kA/m
oder mehr aufweist.
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In
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das nichtmagnetische
Material aus einer Tantal (Ta)-Schicht oder einer Ta-Pufferschicht bestehen,
damit die Remanenz Mr innerhalb der Schichtebene 0,95 T oder mehr
und eine Koerzivität von HcJ 400 kA/m sicher erreichen
kann.
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Zur
Erfüllung der zuvor beschriebenen Aufgabe wird in einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine rotierende
elektrische Mikromaschine angegeben, wie beispielsweise ein nuten- und
bürstenloser Gleichstrommotor (DC Motor) mit Radialspalt,
ein permanentmagnetischer (PM) Schrittmotor oder ein elektrischer
Generator, die jeweils den oben beschriebenen Mikrorotor enthalten. Die
vorstehend beschriebenen rotierenden elektrischen Maschinen sind
geeignet für den Einsatz in Geräten der Informationstechnik,
medizinischen Instrumenten, industriellen Geräten, Linsenantrieben für
Endoskope, Untersuchungsroboter mit Eigenantrieb in Röhrchen
(Tubuli) und anderen Mikromaschinen-Antrieben. Sie können
zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit im Vergleich
zu rotierenden elektrischen Maschinen, die herkömmliche
Bauteile eines Mikrorotors verwenden, in Bezug auf hohe Leistungsabgabe,
niedrigen Stromverbrauch und ähnlichem beitragen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine schematische Ansicht der Reluktanzverteilung einer laminierten
Dickschichtmagnet-Struktur, isoliert durch ein nichtmagnetisches Material
gemäß der vorliegenden Erfindung. 1B und 1C sind
schematische Ansichten der Reluktanzverteilung eines herkömmlichen
Magneten.
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2 ist
ein charakteristisches Diagramm der Beziehung zwischen Dicke und
Permeabilitätszahl (B/μoH) wenn der Magnet für
sich alleine betrachtet wird.
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3 ist
die schematische Ansicht der relevanten Teile eines Gerätes
zur Herstellung einer Filmschicht.
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Die
Abbildungen 4 und 4B sind
eine vergrößerte perspektivische Ansicht beziehungsweise
Draufsicht eines der ring- und scheibenförmigen Dickfilmmagneten
des isolierten Dickfilmmagnetlaminats, das aus magnetischem Material
und nichtmagnetischem Material mit Isolierfunktion aufgebaut ist.
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5A ist
eine schematische Ansicht des Dickfilmmagneten mit zwei Polpaaren
und einer Permeabilitätszahl B/μoH von fünf,
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5B ist
eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine, die
einen Mikrorotor umfasst, der aus dem Isolierlaminat-Dickfilmmagnet
gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
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5C ist
eine perspektivische Ansicht und
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6 ist
ein charakteristisches Diagramm der Beziehung von magnetischem Fluss
Bd und Permeabilitätszahl (B/μoH) von Ausführungsbeispielen der
Erfindung sowie von Vergleichsbeispielen gemäß dem
Stand der Technik.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben. Es erfolgt die detaillierte Beschreibung eines erfindungsgemäßen
Isolierlaminat-Dickfilmmagneten, der als Mikrorotor eingesetzt wird, über
zwei oder mehr Polpaare verfügt und einen in Schichtebene
liegenden mittleren magnetischen Pfad mit einer Permeabilitätszahl
(B/μoH) von fünf oder mehr aufweist, die durch
den Magneten alleine erreicht wird und der so aufgebaut ist, dass
eine Vielzahl kreis- oder ringscheibenförmiger Dickfilmmagnete
in Rotationsachsen-Richtung übereinander als Mehrschichtverbund angeordnet
werden. Jeder der Dickschichtmagnete beinhaltet einen isotropen
Magneten mit einer Dicke t1, einer Remanenz
Mr von 0,95 T oder mehr, einer Koerzitivfeldstärke HcJ
von 400 kA/m oder mehr und ein nichtmagnetisches Material mit einer
Dicke t2 zur Isolierung zwischen jeweils
zwei benachbarten isotropen Magneten, wobei das Verhältnis
t1/t2 acht oder mehr
beträgt.
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Erfindungsgemäß kann
der isotrope Magnet mit einer Remanenz Mr von 0,95 T oder mehr und
einer Koerzitivfeldstärke HcJ von 400 kA/m oder mehr zunächst
so gebildet werden, dass eine FePt-Legierung, F-TM-B Legierung (B
entspricht Nd oder Pr, TM entspricht Fe oder Co) oder eine ähnliche
Legierung durch ein physikalisches Abscheidungsverfahren auf die
Oberfläche eines Substrats aus nichtmagnetischem Metall
als nichtmagnetisches Metall aufgebracht wird. Anschließend
wird die auf dem nichtmagnetischen Substrat aufgebrachte FePt-Legierung oder
F-TM-B Legierung einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen,
wobei ein Phasenübergang (ungeordnet – geordnet),
oder eine Kristallisation stattfindet, durch welche die magnetischen
Eigenschaften des Magnets optimiert werden.
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Wird
als spezielles Beispiel eine Fe50Pt50-Legierung durch ein physikalisches Abscheidungsverfahren
wie zum Beispiel PLD (Pulsed Laser Deposition) so auf ein Substrat
aufgebracht, dass ihre Schichtdicke dem achtfachen oder mehr der
Dicke des Substrats entspricht, bildet sich eine ungeordnete Fe50Pt50-Legierung
mit einer Sättigungsmagnetisierung Ms von 1,5 T. Ferner
wird die ungeordnete Fe50Pt50-Legierung
wenn sie zum Beispiel auf 400°C erhitzt wird zu einem Phasenübergang
gezwungen und in eine geordnete Fe50Pt50-Legierung übergeführt,
die eine Koerzivität HcJ von ungefähr 500 kA/m aufweist,
wobei der isotrope Magnet eine Remanenz Mr in Schichtebene von über
1 T erreicht.
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Sind
in diesem Zusammenhang R2TM14B
(R entspricht Nd oder Pr, und TM entspricht Fe oder Co) und ein αFe
anwesend, das eine hohe Sättigungsmagnetisierung Ms aufweist
und das so angepasst wird, dass es zu R2TM14B magnetisch wechselwirkend gekoppelt ist,
dann tritt beim αFe zuerst eine Magnetisierungsinversion
in ein invertiertes magnetisches Feld auf, was zur Folge hat, dass
sich keine hohe Koerzivität HcJ erreichen lässt.
Wird die Korngröße des αFe jedoch gleich
oder kleiner als die Breite der magnetischen Wand gewählt,
dann verringert sich die ungleichförmige Magnetisierungsinversion
im invertierten magnetischen Feld, was dazu führt, dass
die Koerzivität HcJ von der Anisotropie Ha des Systems R2TM14B dominiert
wird und dadurch die Abnahme der Koerzivität HcJ unterdrückt
wird. Zur Steigerung des magnetischen Flusses des αFe muss
ferner das Volumenverhältnis des αFe im Magneten
erhöht werden, was eine Minimierung der R2TM14B-Korngröße erfordert.
Obwohl die Korngröße des R2TM14B ebenfalls gleich oder kleiner als die
magnetische Wandstärke sein kann, lässt sich die
Koerzivität HcJ bei zu kleiner Korngröße
nur schwierig aufrechterhalten. Die Korngröße
des R2TM14B sollte
daher näher an derjenigen der magnetischen Wandstärke
liegen. Die magnetische Wandstärke wird angenähert
durch: π(A/Ku)1/2, wobei A eine Steifheitskonstante und
Ku eine magnetische Anisotropie-Energie darstellen. Als Beispiel
sollen αFe und R2TM14B
jeweils eine Korngröße von 60 nm oder leicht darüber
haben. Die durchschnittliche Schichtdicke der Abscheidung des αFe
wird also auf 60 nm oder weniger eingestellt und die durchschnittliche
Schichtdicke der Abscheidung des R-TM-B wird auf 60 nm oder weniger
eingestellt, wobei beide Abscheidungsschichten, die wie vorstehend
beschrieben strukturiert sind, abwechselnd übereinander
in 103 oder mehr Schichten angeordnet werden.
Die abwechselnd aufgebrachten Schichten werden dann einer Wärmebehandlung
unterzogen, wodurch sich αFe und kristallisiertes R2TM14B ausbilden.
Mit einem isotropen Magneten, hergestellt aus abwechselnden Schichten
von αFe und dem kristallinen R2TM14B, die wie vorstehend beschrieben gebildet
werden und die jeweils eine Schichtdicke von 20 nm oder mehr aufweisen
und abwechselnd in 103 oder mehr Schichten
aufeinander aufgebracht werden, lässt sich eine Remanenz
Mr in der Schichtebene von über 1 T und eine Koerzivität
HcJ von bis zu 400 kA/m erzielen. In diesem Zusammenhang lässt eine
detaillierte Computersimulation, in der eine ausreichende magnetische
Verbindung an der Kontaktfläche zwischen αF und
dem R2TM14B gegeben
ist, und deren jeweilige Schichtdicken ungefähr der magnetischen
Wandstärke entsprechen, und wenn eine einheitliche Nanoverbundstruktur
mit einer Korngröße von ungefähr 10 nm
gebildet werden kann, erwarten, dass (BH)max bis
zu 200 kJ/m3 erreichen kann.
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Erfindungsgemäß kann
der Dickfilmmagnet ferner über einen integralen Aufbau
verfügen. Der isotrope Magnet wird dabei integral mit einem nicht-magnetischen
Material gebildet, das mittels einem physikalischen Abscheidungsverfahren
auf die Oberfläche eines dünnen Bandes aufgebracht
wird, das durch Schmelzschleudern einer geschmolzenen Legierung
R-TM-B (R entspricht Nd oder Pr und TM entspricht Fe oder Co) oder
einer SmFe-Legierung hergestellt wird, dann kristallisiert oder
nitriert wird und dessen magnetische Eigenschaften optimiert wurden.
Zum Beispiel lässt sich mit einem isotropen Magneten eines
integralen Dickfilmmagneten eine Remanenz Mr in Schichtebene von
0,95 T, eine Koerzivität HcJ von 645 kA/m und (BH)max von 138 kJ/m3 erzielen.
Bei diesem Magneten wurde ein Al-Film mit einer Dicke von 3 bis
4 μm durch Ionenplattieren oder ein ähnliches
Verfahren auf eine Seite eines dünnen isotropen Bandes
mit einer Dicke von ungefähr 40 μm aufgebracht,
das dadurch gebildet wurde, dass eine geschmolzene Legierung der
Zusammensetzung Pr9Fe73Co9B7V1Nb1 schmelzgeschleudert und wärmebehandelt
wird und das aus αFe und kristallinem Pr2Fe14B zusammengesetzt ist.
-
In
diesem Zusammenhang lässt sich eine relative Dichte von
ungefähr 80% in einem Verbundmagneten mit einer Dichte
von 6 Mg/m3 beobachten. Er wird dadurch
hergestellt, dass das vorstehend beschriebene isotrope dünne
Band mit einer Dicke von ungefähr 40 μ (das dadurch
gebildet wird, dass eine geschmolzene Legierung der Zusammensetzung Pr9Fe73Co9B7V1Nb1 schmelzgeschleudert
und wärmebehandelt wird und das aus αFe und kristallinem Pr2Fe14B zusammengesetzt
ist) auf 150 μm oder weniger zerkleinert und zusammen mit
einem Epoxidharz ausgehärtet wird. Der vorstehende Verbundmagnet
verfügt ferner über eine Remanenz Mr von 0,73 T,
eine Koerzivität HcJ von 626 kA/m und ein (BH)max von
80 kJ/m3. Vergleicht man diese Werte mit
denen des Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung (Remanenz
Mr in Schichtebene von 0,95 T, Koerzivität HcJ von 645
kA/m und (BH)max von 138 kJ/m3),
so lässt sich feststellen, dass der herkömmliche
Verbundmagnet, wie er zum Beispiel von Topfer et al., T. Speliotis
et al., oder H. Komura, et al. veröffentlicht wurde,
unterlegene magnetische Eigenschaften aufweist, genauer 76,8% bei
Remanenz Mr, 97,1% bei Koerzivität HcJ, und 58% bei (BH)max. Damit zeigt er deutlich geringere Werte
bei Remanenz Mr und (BH)max, was es dem
herkömmlichen Verbundmagneten unmöglich macht,
Leistungen zu erbringen, die mit denen des erfindungsgemäßen
Mikrorotors vergleichbar sind.
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Erfindungsgemäß wird
in einem Dickfilmmagneten, der einen Magneten der Dicke t1 und ein nichtmagnetisches Material der
Dicke t2 aufweist, das Verhältnis
t1/t2 auf acht oder
mehr eingestellt. Wenn dabei die Vielzahl von Dickfilmmagneten,
die in Richtung der Rotationsachse in einer vorab festgelegten Schichtenanzahl übereinander
aufgebracht werden und dabei einen Isolierlaminat-Dickfilmmagnet
bilden, mittels einer Adhäsionsschicht miteinander verbunden
werden, ist es vorteilhaft, die Adhäsionsschicht als Teil
des nichtmagnetischen Materials zu betrachten, so dass die Dicke
t2 definiert wird als die Gesamtdicke von
nichtmagnetischem Material plus Adhäsionsschicht. Die Vielzahl
der Dickfilmmagnete, die in Richtung der Rotationsachse übereinander aufgebracht
werden, können alternativ mittels plastischer Verformung
durch Wärme und Druck miteinander verbunden werden. Zur
Verringerung der Wirbelstromverluste bei hohen Drehzahlen. können
die Dickfilmmagnete unter Druck mit Hilfe eines hitzebeständigen
Polymers wie zum Beispiel Polyimid miteinander verbunden werden.
Die Polymerschicht hat dabei eine Dicke von mehreren μm,
wodurch sich der spezifische elektrische Widerstand zwischen zwei benachbarten
Schichten verringert. Die Dickfilmmagnete werden deshalb unter Druckeinwirkung
miteinander verbunden, weil sich dadurch eine relative Dichte der
Magnete der Dickfilmmagnete im Isolierlaminat-Dickfilmmagneten (Volumenanteil der
Magnete im Isolierlaminat-Dickfilmmagneten) bezüglich der Rotationsachsenrichtung
(Stapelrichtung) von 80% oder mehr erzielen lässt.
-
In
diesem Zusammenhang kann die relative Dichte (Volumenanteil) eines
magnetischen Materials in einem Verbundmagneten ungefähr
folgende Werte aufweisen: 80% beim Formpressen, 78% beim Intrusionsverfahren,
65% beim Kalandrieren, 62% bei Spritzguss und 60% beim Schlammgießen
oder Siebdruck. Demnach kann bei Dickfilmmagneten des erfindungsgemäßen
Isolierlaminat-Dickfilmmagneten, von denen jeder einen Magneten
mit der Dicke t1 und ein nichtmagnetisches
Material der Dicke t2 enthält und
dabei das Verhältnis t1/t2 auf acht oder mehr eingestellt wird, die
relative Dichte der Magnete im Isolierlaminat-Dickfilmmagneten in
Bezug auf die Rotationsachsenrichtung gleich oder größer
sein als beim Verbundmagneten. Wird dabei die Reluktanz des Magneten
in Richtung der Schichtebene minimiert, dann bauen sich Remanenz
Mr und (BH)max nicht so leicht ab und ferner
kann der Magnet aus einem homogenen magnetischen Material, in Bezug auf
die Magnetisierungsrichtung in Schichtebene, aufgebaut werden.
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Mit
Bezug auf die Abbildungen 1A, 1B und 1C folgt
nun die Beschreibung einer in Schichtebene multi-polaren Magnetisierung
eines Isolierlaminat-Dickfilmmagneten, gebildet aus einer vorab
festgelegten Anzahl von Dickfilmmagneten, von denen jeder einen
Magneten und nichtmagnetisches Material enthält, die in
Rotationsachsenrichtung aufeinander gestapelt werden. Die Abbildung 1A zeigt
eine schematische Ansicht der Reluktanzverteilung eines erfindungsgemäßen
Isolierlaminat- Dickfilmmagneten, 1B zeigt
eine schematische Ansicht der Reluktanzverteilung eines Verbundmagneten,
und 1C zeigt eine schematische Ansicht der Reluktanzverteilung
eines anisotropen Block-(Bulk)magneten, hergestellt im Pressform- oder
Sinterverfahren. In den Abbildungen 1A, 1B und 1C stellt
die Linie A–A' die Rotationsachse dar und die gepfeilte
Linie M stellt die Richtung und relative Stärke, der Magnetisierung
dar. 1a bezeichnet einen erfindungsgemäßen
Magneten (Filmschicht oder dünnes Band), 2a bezeichnet
ein nichtmagnetisches Material zur zweidimensionalen Isolierung
zweier benachbarter Magnete 1a, 1b bezeichnet
ein magnetisches Pulver oder magnetisches Teilchen, 2b bezeichnet
ein Bindeelement um das magnetische Pulver (oder magnetische Teilchen) 1b des
Verbundmagneten dreidimensional zu trennen und 1c bezeichnet
einen anisotropen Blockmagneten, dessen C-Achsen in einer Richtung
ausgerichtet sind.
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Mit
Hinblick auf
1A ist die vorliegende Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Dickfilmmagneten
von denen jeder einen Magneten und ein nichtmagnetisches Material
enthält, abwechselnd übereinander aufgeschichtet
werden und sich dadurch ein Isolierlaminat-Dickfilmmagnet als Mikrorotor
bildet. Speziell bei der bekannten Technik, wie sie zum Beispiel
in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr.
JP04-340352 ,
JP05-030717 ,
JP08-083713 und
JP09-007833 , veröffentlicht
wurde, wird ein Aufbau, der aus einem einzelnen Filmmagneten (
1a)
besteht, der durch ein physikalisches Abscheidungsverfahren auf
dem Basiskörper (
2a) gebildet wird, einfach als
Mikrorotor verwendet. Darin wird jedoch nicht erwähnt,
dass ein Isolierlaminat-Dickfilmmagnet, der aus einer Vielzahl von
Magneten (Filmmagnete)
1a und einer Vielzahl an nichtmagnetischem
Material (Basiskörper)
2a als Mikrorotor verwendet
wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl
von Filmmagneten 1a und die Vielzahl von nichtmagnetischem
Material 2a abwechselnd übereinander aufgeschichtet
werden, wobei die magnetischen Eigenschaften, die Anzahl der Polpaare,
die vom Magneten allein erzeugte Permeabilitätszahl (B/μoH)
des magnetischen Pfads innerhalb der Schichtebene und ähnliches
spezifiziert werden.
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Die
Magnete in den Abbildungen 1A und 1B sind
beide magnetisch isotrop und können daher in der Schichtebene
mit zwei oder mehr Polpaaren magnetisiert werden. Da der in 1C gezeigte
Blockmagnet 1c andererseits nur in der durch die gepfeilte
Linie M dargestellten anisotropen Richtung magnetisiert wird, bleibt
dort die Anzahl der Polpaare auf eins beschränkt. Bei einem
Mikromagneten mit einem Durchmesser von zum Beispiel 1 mm, beträgt
die magnetische Polteilung 0,785 mm (π/4). Wird beim erfindungsgemäßen
Isolierlaminat-Dickfilmmagneten, in dem zwei benachbarte Magnete 1a durch
das nichtmagnetische Material 2a voneinander isoliert werden,
der Magnet 1a in der durch die gepfeilte Linien M dargestellten
Schichtebene magnetisiert, so ist der magnetische Pfad frei von
Elementen wie dem Bindeelement 2b von 1B,
die die Reluktanz erhöhen. Im Gegensatz zum Blockmagneten 1c abgebildet
in 1C, wird beim Magneten 1a des in 1A gezeigten
Isolierlaminat-Dickfilmmagneten, der magnetische Pfad in Schichtebene
durch nichtmagnetisches Material 2a isoliert. Daraus ergibt
sich, dass der Isolierlaminat-Dickfilmmagnet in 1A zwei
oder mehr Polpaare haben kann, sowie einen mittleren magnetischen
Pfad in Schichtebene mit einer Permeabilitätszahl (B/μoH)
von fünf oder mehr durch den Magneten alleine aufweisen
kann.
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Mit
Bezug auf 2 folgt nun eine Beschreibung
des mittleren magnetischen Pfads in Schichtebene mit einer Permeabilitätszahl
(B/μoH) von fünf oder mehr durch den Magneten
alleine gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 ist
ein charakteristisches Diagramm der Beziehung zwischen der Dicke des
Magneten 1a alleine nach Abbildung 1A, und
der Permeabilitätszahl (B/μoH) des Magneten 1a alleine
im erfindungsgemäßen Isolierlaminat-Dickfilmmagneten,
in dem das nichtmagnetische Material 2a zur Isolierung
zweier benachbarter Magnete 1a eine Dicke von 10 μm
hat. Beispiel 1 in 2 zeigt den Fall, in dem die
magnetische Weglänge definiert ist durch den Abstand zwischen
den Zentren entgegengesetzter Polaritäten und die Breite
der Polarität definiert wird mit 50% des mechanischen Winkels des
magnetischen Pols, wenn der Magnet 1a des erfindungsgemäßen
Isolierlaminat-Dickfilmmagneten einen Durchmesser von 1 mm aufweist,
und mit zwei Polpaaren vom äußeren Umfang des
Magneten 1a her in Schichtebene magnetisiert wird. Beispiel
2 in 2 zeigt den Fall, in dem die magnetische Weglänge
definiert ist durch den Abstand zwischen den Zentren entgegengesetzter
Polaritäten und die Breite der Polarität definiert
wird mit 50% des mechanischen Winkels des Magnetpols, wenn der Magnet 1a einen
Durchmesser von 1,3 mm aufweist und mit zehn Polpaaren vom äußeren
Umfang des Magneten 1a her in Schichtebene magnetisiert
wird.
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Aus
Diagramm 2 geht folgendes hervor: Hat
das nichtmagnetische Material 2a zur Isolierung zweier
benachbarter Magnete 1a eine Dicke von 10 μm,
dann muss die Dicke 20a des Magneten 1a ungefähr
im Bereich 80 bis 350 μm im Fall 1 hegen und die
Dicke 20b des Magneten beträgt zwischen 80 und
150 μm im Fall 2, damit der mittlere magnetische Pfad
in der Schichtebene eine Permeabilitätszahl (B/μoH)
von fünf oder mehr durch den Magneten alleine erzielen
kann. Ist andererseits die Dicke des Magneten 1a kleiner
als 80 μm, so hat der Magnet 1a zwar eine erhöhte
Permeabilitätszahl (B/μoH), hervorgerufen durch
den Magneten alleine, aber der Volumenanteil an Magnetmaterial in
Rotationsachsenrichtung ist geringer als 80% und verschlechtert
den Volumenanteil an Magnetmaterial dadurch signifikant, was für
den Einsatz als Mikrorotor unvorteilhaft ist. Der Graph 20c gibt
dabei den Volumenanteil des erfindungsgemäßen
Magneten gemäß der Beispiele 1 und 2 an.
-
Soll
in diesem Zusammenhang der Magnet 1a mit einer im Voraus
festgelegten Dicke und hoher Geschwindigkeit nach einem physikalischen
Abscheidungsverfahren hergestellt werden, so kann dazu die PLD-(pulse
laser deposition)Methode verwendet werden. Es wurde zwischenzeitlich
berichtet, dass durch schnelles Abkühlen und Erstarren
von zum Beispiel einer geschmolzenen Legierung der Zusammensetzung
Nd4Fe77.5B18.5 bei einer Einzelrollen-Oberflächengeschwindigkeit
von 3 bis 7 m/sec und einem Umgebungsdruck von 1,3 kPa, ein schnell erstarrtes,
dünnes F3B/Nd2Fe14B-Band mit einer Dicke von 100 bis 300 μm
im unverarbeiteten Zustand hergestellt werden kann. (siehe Journal
of the Magnetics Society of Japan – Volume 22 (1998), pp. 385–387,
by Kanekiyo and Hirosawa). In der vorliegenden Erfindung
kann so ein schnell erstarrtes dünne Band, wenn es eine
Remanenz Mr von 0,9 T oder mehr und eine Koerzivität HcJ
von 400 kA/m oder mehr aufweist, erfolgreich zusammen mit einem nichtmagnetischen
Material zur Isolierung zwischen den dünnen Bändern
eingesetzt werden.
-
Wie
oben beschrieben, umfasst der erfindungsgemäß als
Mikrorotor verwendete Isolierlaminat-Dickfilmmagnet eine Vielzahl
von Dickfilm magneten, von denen jeder einen isotropen Magneten
mit einer Dicke t1, einer Remanenz Mr von
0,95 T oder mehr, einer Koerzitivfeldstärke HcJ von 400
kA/m oder mehr und ein nichtmagnetisches Material mit einer Dicke
t2 zur Isolierung zweier benachbarter isotroper
Magnete aufweist, wobei das Verhältnis t1/t2 acht oder mehr beträgt und die
in einer vorab bestimmten Anzahl in Rotationsachsenrichtung übereinander
aufgeschichtet werden und in denen zwei oder mehr Polpaare vorhanden
sind, sowie ein mittlerer magnetischer Pfad in Schichtebene mit
einer Permeabilitätszahl (B/μoH) von fünf
oder mehr durch den Magneten alleine bereitgestellt wird. Vorzugsweise
werden die Dickfilmmagnete in Form kreis- oder ringförmiger
Scheiben ausgestanzt.
-
Wird
der Isolierlaminat-Dickfilmmagnet als Mikrorotor gemäß der
vorliegenden Erfindung im nutenlosen, bürstenlosen Radialspalt-Gleichstrommotor,
im PM-Schrittmotor oder im elektrischen Generator als Antriebsquelle
zukunftsweisender elektrischer und elektronischer Geräte eingesetzt,
so lassen sich deren Abmessung, Bauhöhe, Gewicht und Stromverbrauch
verringern
-
Die
vorliegende Erfindung wird durch Ausgestaltungsbeispiele noch eingehender
beschrieben werden, ist jedoch in keiner Weise auf diese beschränkt.
-
Anhand
der begleitenden Zeichnungen wird nachstehend das Herstellungsverfahren
eines erfindungsgemäßen Dickfilmmagneten nach
der PLD-Methode beschrieben. Diese Dickfilmmagnete sind Bestandteile
des Isolierlaminat-Dickfilmmagneten als Mikrorotor. Jeder Dickfilmmagnet
beinhaltet einen isotropen Magneten mit einer Dicke t1,
einer Remanenz Mr in Schichtebene von 0,95 T oder mehr und einer
Koerzitivfeldstärke HcJ von 400 kA/m oder mehr sowie ein
nicht-magnetisches Material mit einer Dicke t2 zur
Isolierung zweier benachbarter isotroper Magnete, wobei das Verhältnis
t1/t2 acht oder
mehr beträgt. Weiterhin wird die Wärmebehandlungsmethode
der Systeme Fe-Pt und αFe/R-TM-B beschrieben werden.
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Abbildung 3 zeigt
eine schematische Ansicht der relevanten Teile eines PLD-Gerätes
zur Herstellung von Dickfilmmagneten, dabei ist 101 das Target, 102 ein
Ta-Substrat, das zu 100% aus Ta bestehen kann oder eine Ta-Pufferschicht
aufweist, 103a-1 der Hauptlaser, 104a eine erste
Linse, 103a-2 der Hauptlaserstrahl, gebündelt
durch die erste Linse 104a, 103b-1 ein Nebenlaser, 104b eine
zweite Linse, 103b-2 der Nebenlaserstrahl, gebündelt
durch die zweite Linse 104b. 106 stellt eine Vakuumkammer
dar und 107 deren Absauganlage. Das Target 101 wird
auf der drehbaren Haltescheibe 108 befestigt und wird durch
eine rotierende Maschine 109a in eine geregelte Drehbewegung
versetzt, wobei der Hauptlaserstrahl 103a-2 abwechselnd
auf αFe und Nd-Fe-B trifft. Ferner bezieht sich 105 auf
eine Fahne aus Partikeln, die dadurch erzeugt wird, dass Atome (Moleküle)
losgelöst werden wenn der Hauptlaserstrahl 103a-2 auf
das Target 101 trifft. Auch das Ta Substrat 102 mit
den Abmessungen 25 mm × 25 mm und einer Dicke von 10 μm
ist drehbar gelagert und ist mit dem Antrieb 109b verbunden.
Dabei ist es vorteilhaft, den Nebenlaser 103b-2 auf die
entstandene Partikel-Fahne zu richten um dadurch Tröpfchenbildung
auf der gebildeten Schicht zu verhindern.
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In
der vorstehend beschriebenen Bildung der Filmschichten Fe-Pt oder αFe/Nd-Fe-B
betrug der durch die Absauganlage 107 erzeugte Druck in
der Vakuumkammer 1 × 10–4 bis
3 × 10–4 Pa. Der Hauptlaserstrahl
(YAG-Laser) 103a-2 mit einer Energie von 340 mJ und einer
Pulsfrequenz von 30 Hz wurde dann für die Dauer von 60
bis 189 min auf das Target 101 gerichtet. Dadurch ergab
sich eine Schichtdicke von ungefähr 80 bis 300 μm,
das entspricht einer Abscheidungsschichtdicke von ungefähr
1 nm pro Puls.
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Dann
wurde das FePt-Filmsubstrat einer Phasenumwandlung bei einer Maximaltemperatur von
400°C ohne Retentionszeit unterzogen. Beim αFe/Nd-Fe-B
Filmsubstrat wurde Nd-Fe-B mit einem Temperaturanstieg von 150°C/min
und einer Maximaltemperatur von 650°C ohne Retentionszeit
kristallisiert, wobei Nd2Fe14B
gebildet wurde.
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Anschließend
wurden der FePt-Film und der αFe/Nd-Fe-B Film mit einer
jeweiligen Dicke von 80 bis 300 μm zusammen mit dem Ta-Substrat,
das eine Dicke von 10 μm hat, ausgestanzt, wodurch sich
ring- und scheibenförmige Dickfilmmagnete gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten ließen, die jeweils einen Magneten und
ein nichtmagnetisches Material mit Isolierfunktion beinhalten und
die einen Außendurchmesser von 1 mm und einen Innendurchmesser
von 0,6 mm aufweisen (siehe 4A/4B). Der
wie vorstehend beschrieben hergestellte Dickfilmmagnet mit FePt-Film
erzielte eine Remanenz Mr in Schichtebene von 0,95 T, eine Koerzivität
HcJ von 515 kA/m und ein (BH)max von 138
kJ/M3, während der Dickfilmmagnet
mit αFe/Nd2Fe14B-Film
eine Remanenz Mr in Schichtebene von 1 T, eine Koerzivität HcJ
von 427 kA/m und ein (BH)max von 90 kJ/M3 erreichte. In der vorliegenden Erfindung
wird der Dickfilmmagnet mit FePt-System als Ausführungsbeispiel 1
bezeichnet und der Dickfilmmagnet mit αFe/Nd2Fe14B-System als Ausführungsbeispiel
2.
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Des
weiteren wurde ein Al-Film mit einer Dicke von 10 μm durch
Ionenplattieren auf die freie Fläche eines isotropen dünnen
Bandes mit einer Dicke von 80 μm aufgebracht, das durch
schnelles Abkühlen und Erstarren einer geschmolzenen Legierung mit
der Zusammensetzung Nd4Fe77.5B18.5 und Kristallisation bei 650°C
gewonnen wurde und aus Fe3B und Nd2Fe14B besteht. Das
isotrope dünne Band mit der darauf abgelagerten Al-Schicht
wurde dann als ringförmige Scheiben ausgestanzt, wodurch
ein erfindungsgemäßer Dickfilmmagnet erhalten
wurde, der einen Magneten und ein nichtmagnetisches Material mit
Isolierfunktion beinhaltet und der einen Außendurchmesser
von 1 mm und einen Innendurchmesser von 0,6 mm aufweist. Der wie
vorstehend beschrieben hergestellte Dickfilmmagnet erzielte eine Remanenz
Mr in Schichtebene von 1,05 T, eine Koerzivität HcJ von
400 kA/m und ein (BH)max von 102 kJ/m3 und wird in der vorliegenden Erfindung
als Ausführungsbeispiel 3 bezeichnet.
-
Die
magnetische Seite jedes Dickfilmmagneten gemäß den
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
1, 2 und 3 wird mit einem ungefähr 3 μm dicken
Polyimid-Film der nachstehend abgebildeten chemischen Zusammensetzung
belegt. Die Hitzetoleranz des Polyimid-Films wird so spezifiziert
dass Td5 (thermische Zersetzungstemperatur bei 5% Gewichtsverlust,
thermographimetrisch gemessen (TAG)) ungefähr 550°C
erreicht.
-
-
Eine
Vielzahl der obigen Dickfilmmagnete gemäß der
Ausführungsbeispiele 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung,
die jeweils mit einem Polyimid-Film belegt wurden und die in ringförmige
Plättchen mit einem Außendurchmesser von 1 mm
und einen Innendurchmesser von 0,6 mm geformt wurden, wurden dann
in ein Formwerkzeug gelegt, wobei die Dickfilmmagnete so übereinandergestapelt
wurden, dass sie eine Stapelhöhe von 5 mm erreichten. Die
in der Form übereinandergestapelten Dickfilmmagnete wurden
dann bei 250°C und einem Druck von 50 MPa zusammengepresst,
abgekühlt und der Form entnommen. Der auf diese Weise geformte
Isolierlaminat-Dickfilmmagnet weist einen Magnet-Volumenanteil von
81% auf.
-
Der
vorstehend beschriebene Isolierlaminat-Dickfilmmagnet als Mikrorotor
gemäß der Ausführungsbeispiele 1 bis
3 der vorliegenden Erfindung wurde dadurch hergestellt, dass eine
Vielzahl ring- und scheibenförmiger Dickfilmmagnete, von
denen jeder einen isotropen Magneten mit einer Dicke t1,
einer Remanenz Mr in Schichtebene von 0,95 T oder mehr und eine
Koerzitivfeldstärke HcJ von 400 kA/m oder mehr aufweisen
und ein nicht-magnetisches Material mit einer Dicke t2 zur
Isolierung zweier benachbarter isotroper Magnete enthält,
wobei das Verhältnis t1/t2 acht oder mehr beträgt, so übereinander in
Rotationsachsenrichtung angeordnet, dass der Magnet-Volumenanteil
81% beträgt. Der dabei entstandene Isolierlaminat-Dickfilmmagnet
wurde dann auf über 320°C erhitzt und anschließend
im Magnetfeld abgekühlt, wodurch ein Mikrorotor mit zwei
Polpaaren, wie in 5A gezeigt, entstand, der einen mittleren
magnetischen Pfad in Plattenebene mit einer Permeabilitätszahl
(B/μoH) von fünf aufweist, allein hervorgerufen
durch den Magneten. Ferner wurde eine erfindungsgemäße
rotierende elektrische Maschine (Radialspaltmotor) hergestellt,
wie er in den Abbildungen 5B/5C ersichtlich
ist (5B ist eine Querschnittszeichnung eines Teils der
rotierenden elektrischen Maschine, die sich rechts der Linie A–A'
in 5C befindet). Dabei wurde ein Mikrorotor (Isolierlaminat-Dickfilmmagnet)
verwendet, der wie oben beschrieben hergestellt wurde.
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In
den Abbildungen 5A, 5B and 5C bedeutet 1 ein
Dickfilmmagnet einschließlich einem Magneten und einem
nichtmagnetischen Material mit Isolierfunktion, 2 die Rotationsachse, 3 ein Lager, 4 die
Erregerwicklung, 5 der Statorkern und 6 das Gehäuse.
in bezieht sich auf einen Teil (rechte Seite) eines Isolierlaminat-Dickfilmmagneten,
der erfindungsgemäß als Mikrorotor verwendet wird,
einen Durchmesser von 1,5 mm oder weniger hat und der eine Vielzahl
der bereits erwähnten Dickfilmmagnete 1 enthält,
die in Rotationsachsenrichtung übereinander angeordnet
sind.
-
In
den Abbildungen 5B und 5C, wird
eine rotierende elektrische Maschine dargestellt, bei der zwei Erregerwicklungen 4 (nur
eine davon ist in 5B zu sehen) so angeordnet sind,
dass sie den entsprechenden axialen Enden des Isolierlaminat-Dickfilmmagneten
(Mikrorotor) 1n gegenüberliegen. Die Statorzähne 5a und 5b des
Statorkerns 5 sind dabei radial außerhalb des
Isolierlaminat-Dickfilmmagneten angeordnet. Fließt in der
Erregerwicklung 4 nun ein von außen erzeugter
Pulsstrom, dann werden die Statorzähne 5a und 5b des
Statorkerns 5 mit jeweils entgegengesetzten Polaritäten
magnetisiert und der Isolierlaminat-Dickfilmmagneten (Mikrorotor) 1n wird
durch die elektromagnetische Kraft, die dabei zwischen den magnetischen
Polen des Isolierlaminat-Dickfilmmagneten (Mikrorotor) 1n und
den Statorzähnen 5a und 5b des Statorkerns 5 entsteht, in
eine Drehbewegung versetzt. Das Drehmoment ist dabei proportional
zur Anzahl der Polpaare und dem magnetischen Fluss Bd des Isolierlaminat-Dickfilmmagneten
in.
-
Das
Diagramm 6 zeigt die Beziehungen 60a, 60b, 60c zwischen
magnetischem Fluss Bd und der Permeabilitätszahl (B/μoH)
des Isolier laminat-Dickfilmmagneten (Mikrorotor) 1n in
den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
1 bis 3. Ebenfalls in 6 gezeigt sind die entsprechenden Verhältnisse 61a, 61b, 61c der
Vergleichsbeispiele 1, 2 und 3, wobei sich Vergleichsbeispiel 1
auf einen Nd2Fe14B-Sintermagneten
mit einer Remanenz Mr von 1,48 T bezieht, Vergleichsbeispiel 2 auf
einen Nd2Fe14B-Sintermagneten
mit einer Remanenz Mr von 1,20 T, und Vergleichsbeispiel 3 auf einen
isotropen αFe/Nd2Fe14B-Verbundmagneten
mit einer Remanenz Mr von 0,73 T.
-
Wie
aus 6 hervorgeht, kann der erfindungsgemäße
Mikrorotor (Isolierlaminat-Dickfilmmagnet in) so ausgelegt werden,
dass die Permeabilitätszahl (B/μoH) des Magneten
alleine einen Wert von fünf oder mehr erreicht. Dieser
Mikrorotor wird in dem in 5B/5C gezeigten
Radialspaltmotor eingesetzt und hat einen mehrschichtigen Aufbau, der
eine Vielzahl von Dickfilmmagneten beinhaltet, von denen jeder einen
Magneten und ein nichtmagnetisches Material mit Isolierfunktion
enthält, die übereinander angeordnet sind, die
mehrpolig in einer beliebigen Richtung innerhalb der Schichtebene
magnetisiert sind und eine geringe Reluktanz aufweisen. Daraus ergibt
sich, dass der Isolierlaminat-Dickfilmmagnet 1n zwar magnetisch
isotrop ist, aber einen ungewöhnlich großen Wert
für den magnetischen Fluss Bd erzielen kann, der mit einem
anisotropen Magnet vergleichbar ist, und der auch in Bezug auf eine
Demagnetisierung von Vorteil ist. Ferner kann der Isolierlaminat-Dickfilmmagnet
durch Wirbelstromverluste bei hohen Drehzahlen hervorgerufene Temperaturerhöhungen
unterdrücken. Er lässt sich dadurch vorteilhafter
als Bauteil eines Mikrorotors für eine rotierende elektrische
Maschine einsetzen, zum Beispiel in einem Radialspaltmotor, dargestellt
in den Abbildungen 5B/5C, als
herkömmliche isotrope oder anisotrope Magnete, wie sie
in den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 gezeigt werden.
-
Der
erfindungsgemäße Mikrorotor besitzt ein großes
Einsatzgebiet in industriellen Anwendungen, speziell in Radialspaltmotoren
mit hoher Drehmomentdichte, PM-Schrittmotoren oder elektrischen Generatoren,
ist aber in keiner Weise auf diese beschränkt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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