DE102011001488B4

DE102011001488B4 - Verwendung einer weichmagnetischen Legierung in einem Rotor oder Stator eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102011001488B4
Application number: DE102011001488.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pieper Witold; Burkard Kraus; Dr. Tenbrink Johannes
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: FR2964807A1; US20120228966A1; DE102011001488A1; FR2964807B1; SG179352A1

Abstract

Verwendung einer Legierung mit der Zusammensetzung 35 Gew.% ≤ Ni ≤ 50 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Co ≤ 2 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Mn ≤ 1,0 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.% sowie 0,5 Gew.% ≤ Cr ≤ 8 Gew.% und/oder 0,5 Gew.% ≤ Mo ≤ 8 Gew.%, Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei 0,5 Gew.% ≤ (Mo + Cr) ≤ 8 Gew.% gilt, für einen als Blechpaket ausgebildeten weichmagnetischen Kern eines Stators (4) und/oder Rotors (2) eines Elektromotors (1).

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer weichmagnetischen Legierung in einem Rotor oder Stator eines Elektromotors.
Dabei wird hier und im Folgenden unter einem Elektromotor auch eine entsprechende als Generator betriebene oder betreibbare Maschine verstanden.
Einen wesentlichen Anteil der Verluste von Elektromotoren oder Generatoren bilden die Ummagnetisierungsverluste, die in den weichmagnetischen Rotor- oder Statorkernen anfallen. Die Gesamtverluste werden häufig als Summe dreier Anteile beschrieben: P_gesamt = P_Hysterese + P_Wirbelstrom + P_excess.
Im Folgenden ist die Gesamtverlustdichte bezogen auf die Masse und einen Ummagnetisierungszyklus dargestellt. Der erste Anteil, die Hystereseverluste, wird stark von der Koerzitivfeldstärke bestimmt. Der zweite Anteil, die Wirbelstromverluste, dominiert bei hohen Frequenzen und wird vom Aufbau des Kerns und von der elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Werkstoffs bestimmt. Es gilt
wobei f die Frequenz, D die Dichte, B_max die maximale Induktion, d die Blechdicke, σ die elektrische Leitfähigkeit und H_C die Koerzitivfeldstärke bedeuten und C eine strukturabhängige Größe ist.
Aus der DE 695 28 272 T2 ist es bekannt, weichmagnetische Kerne eines Rotors oder Stators aus Blechpaketen auszubilden, um den Einfluss von Wirbelströmen gering zu halten.
Die DE 103 27 522 B2 und die EP 10 41 168 B1 offenbaren die Verwendung weichmagnetischer, verlustarmer Legierungen in Schrittmotoren von Uhren. Diese werden jedoch nicht als Blechpaket, sondern als massive Blöcke eingesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verwendung für eine weichmagnetische Legierung mit der Zusammensetzung 35 Gew.% ≤ Ni ≤ 50 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Co ≤ 2 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Mn ≤ 1,0 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.% sowie 0,5 Gew.% ≤ Cr ≤ 8 Gew.% und/oder 0,5 Gew.% ≤ Mo ≤ 8 Gew.%, Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen anzugeben, wobei 0,5 Gew.% ≤ (Mo + Cr) ≤ 8 Gew.% gilt.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Legierung mit der Zusammensetzung 35 Gew.% ≤ Ni ≤ 50 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Co ≤ 2 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Mn ≤ 1,0 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.% sowie 0,5 Gew.% ≤ Cr ≤ 8 Gew.% und/oder 0,5 Gew.% ≤ Mo ≤ 8 Gew.%, Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei 0,5 Gew.% ≤ (Mo + Cr) ≤ 8 Gew.% gilt, für einen als Blechpaket ausgebildeten weichmagnetischen Kern eines Stators und/oder Rotors eines Elektromotors verwendet.
Bei den Verunreinigungen kann es sich beispielsweise um O, N, C, S, Mg oder Ca oder Mischungen zweier oder mehrerer dieser Elemente handeln, wobei die Verunreinigungen insbesondere unterhalb der folgenden Grenzen liegen können: Ca ≤ 0,0025 Gew.%, Mg ≤ 0,0025 Gew.%, S ≤ 0,01 Gew.%, O ≤ 0,01 Gew.%, N ≤ 0,005 Gew.% und C ≤ 0,02 Gew.%.
Das Verunreinigungsniveau kann zum Beispiel durch eine Cer-Desoxidation oder VIM (Vacuum Induction Melting), VAR (Vacuum Arc Remelting), ESU (Electro-Schlacke-Umschmelz Verfahren) und oder mit anderen an sich bekannten Verfahren niedrig gehalten werden.
Ein zunehmender Chromgehalt oder ein zunehmender Molybdängehalt kann erfindungsgemäß zu einer weiteren Senkung der Koerzitivfeldstärke führen. Der Effekt ist jedoch abhängig vom Nickelgehalt. Wenn der Nickelgehalt zu hoch oder zu niedrig ist, wird keine deutliche Senkung der Koerzitivfeldstärke erreicht. Folglich weist neben Eisen die erfindungsgemäße Legierung einen Nickelgehalt im Bereich von 35 bis zu 50 Gewichtsprozent und einen Chromgehalt und/oder einen Molybdängehalt von 0,5 bis zu 8 Gewichtsprozent auf.
Die Summe der beiden Elemente Mo und Cr wird unterhalb von 8 Gewichtsprozent gehalten, damit die Sättigungsinduktion nicht zu weit absinkt.
Wie sich herausgestellt hat, weist der verwendete Werkstoff eine Kombination aus hohem elektrischen Widerstand und geringer Koerzitivfeldstärke auf, die zu sehr niedrigen Gesamtverlusten führt. Er eignet sich damit besonders zum Aufbau verlustarmer Blechpakete bei herkömmlicher Blechdicke und Isolation der einzelnen Blechlagen voneinander. Eine Sättigungsinduktion von deutlich über 1 T erlaubt eine entsprechende Aussteuerung des Systems und die hohe Curietemperatur des Werkstoffs begrenzt den Abfall der Sättigungsinduktion bei einem Einsatz bei Temperaturen über 100°C.
Ein Beispiel für einen derartigen Werkstoff ist der auch als ULTRAVAC 44 V6 im Handel erhältliche, der eine Zusammensetzung von 44 Gew.% Nickel, 3,5 Gew.% Molybdän, Rest Eisen und Verunreinigungen aufweist. Dieser Werkstoff hat eine Sättigungsinduktion von 1,38 T, einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,8 μΩm, eine Koerzitivfeldstärke von 30 mA/cm sowie eine Curietemperatur von etwa 300°C.
Einem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken zufolge eignen sich derartige Werkstoffe nicht nur zur Herstellung massiver, einstückiger Bauteile, sondern auch zum Aufbau von Blechpaketen. Sie können damit erstmals als isotroper Werkstoff verbaut werden, der für isotrope Blechpakete rotierender Maschinen oder linearer Antriebe geeignet ist.
In einer Ausführungsform weist das Blechpaket eine Vielzahl aufeinander gestapelter Einzelbleche auf, die in einer Ebene quer zur Rotationsachse des Rotors orientiert sind.
Das resultierende Blechpaket ist rotationssymmetrisch und aus Blechen konstanter Dicke d zusammengesetzt. Es ist daher verhältnismäßig einfach herstellbar.
Das Blechpaket kann im Wesentlichen zylindrisch oder hohlzylindrisch und insbesondere als Statorrückschlussteil ausgebildet sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Linearmotor mit einem Stator und einem Läufer bereitgestellt, wobei der Stator und/oder der Läufer einen als Blechpaket ausgebildeten weichmagnetischen Kern aufweisen. Das Blechpaket weist die Zusammensetzung 35 Gew.% ≤ Ni ≤ 50 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Co ≤ 2 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Mn ≤ 1,0 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.% sowie 0,5 Gew.% ≤ Cr ≤ 8 Gew.% und/oder 0,5 Gew.% ≤ Mo ≤ 8 Gew.%, Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen auf, wobei 0,5 Gew.% ≤ (Mo + Cr) ≤ 8 Gew.% gilt.
In einer Ausführungsform gilt für den Gehalt an Nickel 38 Gew.% ≤ Ni ≤ 45 Gew.%, insbesondere 42 Gew.% ≤ Ni ≤ 45 Gew.%.
Für die Summe der Gehalte an Chrom und Molybdän gilt in einer Ausführungsform 1 Gew.% ≤ (Cr + Mo) ≤ 8 Gew.%.
In einer Ausführungsform ist der Chromgehalt gleich 0 und es gilt 3 Gew.% ≤ Mo ≤ 4 Gew.%.
In einer Ausführungsform weist die Legierung ferner Co auf, wobei für den Gehalt an Cobalt 0 Gew.% < Co ≤ 0,5 Gew.% gilt. Co kann die Sättigungsinduktion erhöhen.
Die verwendete Legierung weist vorteilhafterweise einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ auf mit ρ > 0,5 μΩm, insbesondere gilt ρ > 0,75 μΩm.
Sie weist vorteilhafterweise eine Koerzitivfeldstärke H_C mit H_C < 35 mA/cm oder sogar H_C < 30 mA/cm auf. Diese kann insbesondere durch eine geeignete Wärmebehandlung des Blechpakets eingestellt werden.
Die verwendete Legierung weist vorteilhafterweise eine Sättigungsinduktion B_S mit B_S > 1 T auf.
Die beschriebene Verwendung der Legierung hat den Vorteil, dass deren Materialeigenschaften im Vergleich zu bisher verwendeten Werkstoffen die Einstellung niedriger Materialverluste erlauben und sich somit besonders verlustarme Blechpakete realisieren lassen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors oder Stators eines Elektromotors oder eine Stators oder Läufers eines als Linearmotor ausgebildeten Elektromotors kann folgendes umfassen:

– Bereitstellen einer Vielzahl von Einzelblechen aus einer Legierung der Zusammensetzung 35 Gew.% ≤ Ni ≤ 50 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Co ≤ 2 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Mn ≤ 1,0 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.% sowie 0,5 Gew.% ≤ Cr ≤ 8 Gew.% und/oder 0,5 Gew.% ≤ Mo ≤ 8 Gew.%, Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei 0,5 Gew.% ≤ (Mo + Cr) ≤ 8 Gew.% gilt;
– Stapeln der Vielzahl von Einzelblechen zu einem Blechpaket;
– Strukturieren des Blechpakets zu einem Kern eines Rotors oder Stators.

Das Verfahren kann auch folgendes umfassen:

– Bereitstellen einer Vielzahl von Einzelblechen aus einer Legierung der Zusammensetzung 35 Gew.% ≤ Ni ≤ 50 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Co ≤ 2 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Mn ≤ 1,0 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.% sowie 0,5 Gew.% ≤ Cr ≤ 8 Gew.% und/oder 0,5 Gew.% ≤ Mo ≤ 8 Gew.%, Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei 0,5 Gew.% ≤ (Mo + Cr) ≤ 8 Gew.% gilt;
– Strukturieren der Einzelbleche;
– Stapeln der Vielzahl von strukturierten Einzelblechen zu einem Blechpaket unter Bildung eines Kerns für einen Rotor oder Stator.

Beide Verfahrensvarianten ermöglichen die rationelle Herstellung verlustarmer Blechpakete für Rotoren, Läufer und Statoren eines Elektromotors.
Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Stator und einen Rotor eines Elektromotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Stator des Elektromotors gemäß 1;
3 zeigt ein Diagramm der Gesamtverlustdichte bezogen auf die Masse und einen Ummagnetisierungszyklus für einen Werkstoff gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und einen Referenzwerkstoff;
4 zeigt ein weiteres Diagramm der Gesamtverlustdichte bezogen auf die Masse und einen Ummagnetisierungszyklus für einen Werkstoff gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und zwei Referenzwerkstoffe und
5 zeigt ein weiteres Diagramm der Gesamtverlustdichte bezogen auf die Masse und einen Ummagnetisierungszyklus für einen Werkstoff gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und einen Referenzwerkstoff.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Elektromotor 1 mit einem Stator 4 und einem Rotor 2. Weitere Komponenten des Elektromotors 1 wie beispielsweise Wicklungen und elektrische Anschlüsse sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
Der Stator 4 ist im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet. Er ist als Blechpaket aus einer Vielzahl von Einzelblechen 5 mit der Dicke d ausgebildet, die senkrecht zur Rotationsachse 6 des Rotors 2 orientiert und aufeinander gestapelt sind.
Im Innern des Stators 4 ist der Rotor 2 drehbar gelagert. Der Rotor 2 kann ebenfalls als Blechpaket aus einer Vielzahl von Einzelblechen ausgebildet sein, die beispielsweise in der beschriebenen Weise aufeinander gestapelt sind. Der Rotor 2 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form und weist in seinem Innern eine Öffnung 3 auf zur Aufnahme einer nicht gezeigten Rotorwelle.
2 zeigt schematisch den Stator 4 gemäß 1 im Querschnitt, in dem die Lagen der Einzelbleche 5 mit der Dicke d erkennbar sind.
Die Einzelbleche 5 bestehen aus einer Legierung mit einer Zusammensetzung, die mit der folgenden Formel beschrieben wird: 35 Gew.% ≤ Ni ≤ 50 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Co ≤ 2 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Mn ≤ 1,0 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.% sowie 0,5 Gew.% ≤ Cr ≤ 8 Gew.% und/oder 0,5 Gew.% ≤ Mo ≤ 8 Gew.%, Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei 0,5 Gew.% ≤ (Mo + Cr) ≤ 8 Gew.% gilt.
Diese Legierung ist eine Eisen-Nickel-basierte Legierung mit Chrom und/oder Molybdän. Die Elemente Chrom und Molybdän können die Koerzivitätsfeldstärke deutlich gegenüber der reinen NiFe-Legierung reduzieren, während die Sättigung oberhalb von 1 T liegt und damit höher ist, als es beispielsweise bei 80% NiFe Permalloy-Legierungen der Fall ist.

Die folgende Tabelle 1 zeigt Beispiele für geeignete Legierungszusammensetzungen mit kleiner Koerzitivfeldstärke und hohem spezifischen Widerstand für verlustarme Blechpakete:

	Fe	Ni Gew.%	Cr Gew.%	Mo Gew.%	Hc (mA/cm)	B_max (T)	spez. Widerstand μΩm
8368	Rest	40	4,5		34,8	1,09	0,91
8371	Rest	42,95	5,8		28,1	1,02	0,94
8372	Rest	44	4,5		29	1,15	0,88
8373	Rest	44	5,8		31,2	1,05	0,94
8376	Rest	40		1,9	33,6	1,3	0,79
8377	Rest	40		4,3	29,5	1,15	0,89
8378	Rest	41,7		5,5	30,9	1,12	0,92
8379	Rest	40	2,2	2,1	29,4	1,12	0,90

Tabelle 1

3 zeigt ein Diagramm der Gesamtverlustdichte bezogen auf die Masse und einen Ummagnetisierungszyklus P_Fe/f für einen Werkstoff gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und einen Referenzwerkstoff.
Als Beispiel für einen erfindungsgemäßen Werkstoff wurde hier das bereits diskutierte ULTRAVAC 44 V6 verwendet, das die Zusammensetzung von 44 Gew.% Nickel, 3,5 Gew.% Molybdän, Rest Eisen und Verunreinigungen aufweist. Als Referenzwerkstoff wurde MEGAPERM 40 L verwendet, das die Zusammensetzung 40% Nickel, Rest Eisen aufweist. Aus beiden Werkstoffen waren Blechpakete gebildet mit einer Einzelblechdicke von 0,1 mm. Die Induktion betrug 1,2 T.
4 zeigt ein weiteres Diagramm der Gesamtverlustdichte bezogen auf die Masse und einen Ummagnetisierungszyklus P_Fe/f für einen Werkstoff gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und zwei Referenzwerkstoffe.
Als Beispiel für einen erfindungsgemäßen Werkstoff wurde hier ebenfalls ULTRAVAC 44 V6 verwendet. Als Referenzwerkstoff wurde neben MEGAPERM 40 L auch Permenorm 5000 V5 verwendet, das die Zusammensetzung 48% Nickel, Rest Eisen aufweist. Aus allen Werkstoffen waren Blechpakete gebildet mit einer Einzelblechdicke von 0,2 mm. Die Induktion betrug 1 T.
5 zeigt ein weiteres Diagramm der Gesamtverlustdichte bezogen auf die Masse und einen Ummagnetisierungszyklus P_Fe/f für einen Werkstoff gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und einen Referenzwerkstoff.
Als Beispiel für einen erfindungsgemäßen Werkstoff wurde hier ebenfalls ULTRAVAC 44 V6 verwendet, als Referenzwerkstoff Permenorm 5000 H2. Aus beiden Werkstoffen waren Blechpakete gebildet mit einer Einzelblechdicke von 0,1 mm. Die Induktion betrug 1 T.
Aus den 3 bis 5 ist ersichtlich, dass die aus ULTRAVAC 44 V6 gebildeten Blechpakete besonders niedrige Materialverluste zeigen. Bei niedrigeren Aussteuerungen als den in den 3 bis 5 gezeigten unter 1 T nimmt der Verlustvorteil noch weiter zu.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Rotor
3: Öffnung
4: Stator
5: Einzelblech
6: Rotationsachse
d: Dicke

Claims

Verwendung einer Legierung mit der Zusammensetzung 35 Gew.% ≤ Ni ≤ 50 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Co ≤ 2 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Mn ≤ 1,0 Gew.%, 0 Gew.% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.% sowie 0,5 Gew.% ≤ Cr ≤ 8 Gew.% und/oder 0,5 Gew.% ≤ Mo ≤ 8 Gew.%, Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei 0,5 Gew.% ≤ (Mo + Cr) ≤ 8 Gew.% gilt, für einen als Blechpaket ausgebildeten weichmagnetischen Kern eines Stators (4) und/oder Rotors (2) eines Elektromotors (1).
Verwendung nach Anspruch 1, wobei für den Gehalt an Nickel 38 Gew.% ≤ Ni ≤ 45 Gew.% gilt.
Verwendung nach Anspruch 2, wobei für den Gehalt an Nickel 42 Gew.% ≤ Ni ≤ 45 Gew.% gilt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für die Summe der Gehalte an Chrom und Molybdän 1 Gew.% ≤ (Cr + Mo) ≤ 8 Gew.% gilt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Chromgehalt gleich 0 ist und 3 Gew.% ≤ Mo ≤ 4 Gew.% gilt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für den Gehalt an Cobalt 0 Gew.% ≤ Co ≤ 0,5 Gew.% gilt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Blechpaket des Elektromotors (1) einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ mit ρ > 0,5 μΩm aufweist.
Verwendung nach Anspruch 7, wobei das Blechpaket des Elektromotors (1) einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ mit ρ > 0,75 μΩm aufweist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Blechpaket des Elektromotors (1) eine Koerzitivfeldstärke H_C mit H_C < 35 mA/cm aufweist.
Verwendung nach Anspruch 9, wobei das Blechpaket des Elektromotors (1) eine Koerzitivfeldstärke H_C mit H_C < 30 mA/cm aufweist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Blechpaket des Elektromotors (1) eine Sättigungsinduktion B_S mit B_S > 1 T aufweist.