DE102011054857A1

DE102011054857A1 - Mit nanostrukturierter ferritischer Legierung erzeugter Gegenstand

Info

Publication number: DE102011054857A1
Application number: DE102011054857A
Authority: DE
Inventors: Richard DiDomizio; Francis Johnson; Matthew Joseph Alinger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-08-16
Also published as: GB2490754A; GB201118517D0; GB2490754B; CN102570634A; US20120107603A1; JP2012132095A

Abstract

In einer Ausführungsform wird ein Gegenstand bereitgestellt. Der Gegenstand umfasst eine weichmagnetische Komponente. Die weichmagnetische Komponente schließt eine nanostrukturierte ferritische Legierung ein. Die nanostrukturierte ferritische Legierung schließt eine Vielzahl von Nanomerkmalen ein, die in einer eisenhaltigen Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Nanomerkmale ein Oxid umfassen.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Gegenstand, der eine weichmagnetische Komponente umfasst. Mehr im Besonderen bezieht sich die Erfindung allgemein auf einen Gegenstand, der eine weichmagnetische Komponente umfasst, die eine nanostrukturierte ferritische Legierung umfasst.
Weichmagnetische Komponenten spielen eine Schlüsselrolle in einer Anzahl von Anwendungen, insbesondere in elektrischen und elektromagnetischen Geräten bzw. Vorrichtungen. Es gibt einen wachsenden Bedarf für leichte und kompakte elektrische Maschinen. Kompakte Maschinenausführungen können durch eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Maschine realisiert werden. Um bei hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten, müssen diese Maschinen Materialien haben, die in der Lage sind, bei hohen Flussdichten zu arbeiten. Die Komponenten müssen auch gemäß Einsatzlebensdauer-Anforderungen eine hohe Zugfestigkeit ohne strukturelles Versagen zeigen. Die Komponenten sollten zur gleichen Zeit in der Lage sein, relativ geringe magnetische Kernverluste zu gestatten. Der Fachmann wird erkennen, dass das gleichzeitige Erzielen hoher mechanischer Festigkeit und hervorragender weichmagnetischer Leistungsfähigkeit schwierig sein kann, während man konventionelle Materialien einsetzt, um die weichmagnetischen Komponenten zu formen. Im Allgemeinen wird eine Komponente hoher Festigkeit auf Kosten wichtiger magnetischer Eigenschaften, wie magnetischer Sättigung und Kernverlust, erhalten.
Es ist daher erwünscht, einen verbesserten Gegenstand zu haben, der eine weichmagnetische Komponente umfasst, die in der Lage ist, ihre mechanische Integrität und ihre mechanischen Eigenschaften über einen Bereich von Bedingungen beizubehalten, die von höherer Spannung und geringerer Temperatur bis zu höherer Temperatur und geringerer Spannung reichen.
KURZE BESCHREIBUNG
In einer Ausführungsform wird ein Gegenstand bereitgestellt. Der Gegenstand umfasst eine weichmagnetische Komponente. Die weichmagnetische Komponente umfasst eine nanostrukturierte ferritische Legierung. Die nanostrukturierte ferritische Legierung umfasst eine Vielzahl von Nanomerkmalen, die in einer eisenhaltigen Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Nanomerkmale ein Oxid umfassen.
ZEICHNUNG
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser verstanden, in der gleiche Bezugsziffern durchgehend gleiche Teile repräsentieren, wobei:
1 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Vorrichtung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Für viele elektrische Geräte und Komponenten in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich des Luftraumes, der Windenergie und elektrischer Fahrzeuge, können magnetische Materialien mit hoher Permeabilität, hoher Sättigungsmagnetisierung, geringem Kernverlust und hoher mechanischer Festigkeit erforderlich sein. Es gibt einen fortgesetzten Bedarf an weichmagnetischen Komponenten mit verbesserten magnetischen Eigenschaften und hoher mechanischer Festigkeit. Hierin beschriebene Ausführungsformen der Erfindung wenden sich an die festgestellten Nachteile des Standes der Technik. Hierin ist ein Gegenstand offenbart, der eine weichmagnetische Komponente umfasst. Die weichmagnetische Komponente umfasst eine nanostrukturierte ferritische Legierung. Die nanostrukturierte ferritische Legierung umfasst eine Vielzahl von Nanomerkmalen, die in einer eisenhaltigen Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Nanomerkmale ein Oxid umfassen. Der Gegenstand kann in Vorrichtungen, wie elektrischen Motoren und Generatoren eingesetzt werden, die ein magnetisches Material in einer rotierenden Komponente benutzen, in der sowohl mechanische Integrität als auch die magnetischen Eigenschaften die Gesamtleistungsfähigkeit, Langlebigkeit und andere Faktoren beeinflussen können. Der Einsatz einer nanostrukturierten ferritischen Legierung beim Bilden der weichmagnetischen Komponente ergibt eine rotierende Komponente, die eine relativ höhere Festigkeit, einen relativ geringeren koerzitiven Verlust und eine relativ höhere Sättigungsmagnetisierung aufweist, wenn mit Materialien verglichen wird, die im Stande der Technik bekannt sind.
Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten beschrieben. In einer Anstrengung, eine präzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu geben, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Verwirklichung in der Anmeldung beschrieben werden. Es sollte jedoch klar sein, dass bei der Entwicklung irgendeiner solchen tatsächlichen Verwirklichung, wie in irgendeinem technischen oder Designprojekt, zahlreiche verwirklichungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers, wie Einhaltung systembezogener und geschäftsbezogener Einschränkungen, zu erzielen, die von einer Verwirklichung zur anderen variieren können. Darüber hinaus sollte klar sein, dass eine solche Entwicklungsanstrengung komplex und zeitaufwändig sein kann, aber nichtsdestotrotz eine Routineunternehmung des Entwurfes, der Fabrikation und der Herstellung für den Fachmann sein würde, der von dieser Offenbarung profitiert.
Beim Einführen von Elementen verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen die Artikel „ein”, „eine” und „der/die/das” bedeuten, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Begriffe „umfassend”, „einschließend” und „aufweisend” sollen einschließend sein und bedeuten, dass es andere zusätzliche Elemente als die aufgeführten Elemente geben kann. Die Benutzung von „oben”, „unten”, „oberhalb”, „unterhalb” und Variationen dieser Begriffe erfolgt der Bequemlichkeit halber, doch erfordert dies keine besondere Orientierung der Komponenten, sofern nichts anderes ausgeführt ist.
Alle hierin offenbarte Bereiche schließen die Endpunkte ein und die Endpunkte sind miteinander kombinierbar. Die Begriffe „erster”, „zweiter” und Ähnliche, wie sie hierin benutzt werden, bezeichnen keine Reihenfolge, Quantität oder Bedeutung, sondern sie werden vielmehr benutzt, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden.
Näherungsausdrücke, wie sie hierin in der Beschreibung und den Ansprüchen benutzt werden, können angewendet werden, um irgendeine quantitative Repräsentation zu modifizieren, die erlaubtermaßen variieren kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion zu resultieren, zu der sie etwa in Beziehung stehen mag. Demgemäß ist ein Wert, der durch einen Begriff, wie „etwa”, modifiziert ist nicht auf den angegebenen genauen Wert beschränkt. In einigen Fällen können die Näherungsausdrücke der Genauigkeit eines Instrumentes zum Messen des Wertes entsprechen.
In einer Ausführungsform wird ein Gegenstand bereitgestellt. Der Gegenstand umfasst eine weichmagnetische Komponente. Die weichmagnetische Komponente umfasst eine nanostrukturierte ferritische Legierung. Nanostrukturierte ferritische Legierungen sind eine aufkommende Klasse von Legierungen. Typischerweise umfasst die nanostrukturierte ferritische Legierung eine eisenhaltige Legierungsmatrix, die durch Nanomerkmale verfestigt ist, die innerhalb der Matrix angeordnet sind. Der Begriff „Nanomerkmale”, wie er hierin benutzt wird, bedeutet Teilchen, die eine längste Abmessung von weniger als etwa 100 Nanometer aufweisen. Nanomerkmale können irgendeine Gestalt haben, einschließlich, z. B., kugelförmige, kuboidale, linsenförmige und andere Gestalten. Die magnetischen und mechanischen Eigenschaften der nanostrukturierten ferritischen Legierungen können, z. B., durch Kontrollieren der Dichte (was die Dichtezahl-Teilchenzahl pro Einheitsvolumen bedeutet) der Nanomerkmale in der Matrix, die Zusammensetzung der Nanomerkmale und die Verarbeitung, die zum Bilden des Gegenstandes angewendet wurde, kontrolliert werden.
Die Nanomerkmale der nanostrukturierten ferritischen Legierung umfassen ein Oxid. In einer Ausführungsform umfasst das Oxid Titan und mindestens ein zusätzliches Element, ausgewählt aus Yttrium, Hafnium, Aluminium oder Zirkonium, und in besonderen Ausführungsformen ist das zusätzliche Element Yttrium. In gewissen Ausführungsformen umfasst das Oxid auch ein oder mehrere andere Elemente, wie Chrom, Nickel, Eisen, Molybdän, Wolfram, Niob, Aluminium, Tantal, Kobalt oder Vanadium. Die tatsächliche Zusammensetzung des Oxides hängt zum Teil von der Zusammensetzung der Legierungsmatrix sowie der Zusammensetzung der Rohmaterialien ab, die beim Behandeln des Materials benutzt wurden, was detaillierter unten erläutert werden wird. In besonderen Ausführungsformen umfasst das Oxid Titan und Yttrium.
In einer Ausführungsform haben die Nanomerkmale eine Dichtezahl von mindestens etwa 10¹⁸ Nanomerkmalen pro Kubikmeter der nanostrukturierten ferritischen Legierung. In einer anderen Ausführungsform haben die Nanomerkmale eine Dichtezahl von mindestens etwa 10²⁰ pro Kubikmeter der nanostrukturierten ferritischen Legierung. In noch einer anderen Ausführungsform haben die Nanomerkmale eine Dichtezahl von mindestens etwa 10²² pro Kubikmeter der nanostrukturierten ferritischen Legierung.
In einer Ausführungsform haben die Nanomerkmale eine mittlere Größe in einem Bereich von etwa 1 Nanometer bis etwa 100 Nanometer. In einer anderen Ausführungsform haben die Nanomerkmale eine mittlere Größe in einem Bereich von etwa 1 Nanometer bis etwa 50 Nanometer. In noch einer anderen Ausführungsform haben die Nanomerkmale eine mittlere Größe in einem Bereich von etwa 1 Nanometer bis etwa 25 Nanometer. Solche feinen Nanomerkmale sind vorteilhaft, da die Nanomerkmale die Versetzungsbewegung erschweren können, wodurch sie das Material verfestigen, und doch sind die Nanomerkmale von einer Größe vergleichbar der magnetischen Domänenwanddicke des Matrixmaterials, so dass sie die Domänenwandbewegung nicht signifikant erschweren können. Die Matrix ist so durch die Nanomerkmale ohne eine begleitende Abnahme der weichmagnetischen Eigenschaften verfestigt, was im Gegensatz dazu steht, was für konventionelle Materialien erwartet werden würde, die gröbere Teilchenverteilungen aufweisen, wie Oxid-dispersionsverfestigte(ODS)-Materialien.
In einer Ausführungsform umfasst die Legierungsmatrix Titan, mindestens 35 Gew.-% Eisen und bis zu etwa 60 Gew.-% Kobalt. In einer Ausführungsform beträgt die Menge des in der nanostrukturierten ferritischen Legierung vorhandenen Eisens mindestens etwa 50 Gew.-% und in besonderen Ausführungsformen ist die Menge des Eisens mindestens 75 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der nanostrukturierten ferritischen Legierung. Kobalt ist in einigen Ausführungsformen in einer Menge von etwa 20 Gew.-% bis etwa 55 Gew.-% vorhanden. In einigen Ausführungsformen, bei denen eine hohe Sättigungsmagnetisierung besonders erwünscht ist, liegt die Kobaltzusammensetzung in dem Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-%. In anderen Ausführungsformen, wo ein geringer Kernverlust besonders erwünscht ist, liegt die Kobaltzusammensetzung in dem Bereich von etwa 45 Gew.-% bis etwa 55 Gew.-%.
In einigen Ausführungsformen ist das Titan in dem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% vorhanden. In gewissen Ausführungsformen umfasst die Legierungsmatrix von etwa 0,1 Gew.-% Titan bis etwa 1 Gew.-% Titan. Zusätzlich zu seiner Anwesenheit in der Matrix, spielt Titan eine Rolle bei der Bildung der Oxid-Nanomerkmale, wie hierin beschrieben.
Vanadium ist ebenfalls in der Legierungsmatrix in gewissen Ausführungsformen vorhanden, wo es der Verfestigung der Legierungsmatrix dienen kann. In einigen Ausführungsformen ist das Vanadium in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% vorhanden und in besonderen Ausführungsformen liegt der Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-%.
Unter gewissen Bedingungen ist eine Legierung erwünscht, die reicher an Eisen ist und die weniger Kobalt enthält als einige der oben beschriebenen Ausführungsformen, teilweise, z. B., wegen der vergleichsweise hohen Kosten des Kobalts in Bezug auf Eisen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Legierungsmatrix daher Titan, mindestens etwa 40 Gew.-% Eisen und bis zu etwa 8 Gew.-% Silicium. In besonderen Ausführungsformen ist das Kobaltniveau geringer als etwa 5 Gew.-%. Das Siliciumniveau liegt in einigen Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% und in besonderen Ausführungsformen im Bereich von etwa 2 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%. In einigen Ausführungsformen liegt das Titanniveau innerhalb irgendeines Titanzusammensetzungsbereiches, der oben für andere Legierungen beschrieben ist, die in Ausführungsformen dieser Erfindung benutzt werden.
In jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen können auch andere Elemente in der Legierungsmatrix-Zusammensetzung eingeschlossen sein. Beispiele, darauf jedoch nicht beschränkt, schließen Chrom, Nickel, Molybdän, Wolfram, Silicium, Niob, Aluminium und Tantal ein. Diese Elemente sind typischerweise ausgewählt, um die Korrosionsbeständigkeit, die mechanischen Eigenschaften und/oder andere Attribute der nanostrukturierten ferritischen Legierung zu verbessern.
Chrom kann bis zu etwa 30 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen bis zu 20 Gew.-% und in besonderen Ausführungsformen bis zu 10 Gew.-%, vorhanden sein. Vanadium kann in diesen Legierungen in irgendeinem der zuvor für Vanadium beschriebenen Bereiche vorhanden sein. Molybdän kann bis zu etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen bis zu etwa 3 Gew.-% und in besonderen Ausführungsformen bis zu etwa 0,5 Gew.-%, vorhanden sein. Wolfram kann in irgendeinem der für Molybdän beschriebenen Bereiche vorhanden sein, obwohl es klar sein sollte, dass die Anwesenheit und die Mengen von Molybdän und Wolfram und irgendwelcher der hierin beschriebenen Elemente voneinander abhängen. Silicium kann in irgendeiner der hierin beschriebenen Legierungen in irgendeinem der zuvor für dieses Element beschriebenen Bereiche vorhanden sein. Niob ist in einigen Ausführungsformen bis zu etwa 2 Gew.-%, in gewissen Ausführungsformen bis zu etwa 1,5 Gew.-% und in besonderen Ausführungsformen bis zu etwa 0,5 Gew.-%, vorhanden. Aluminium kann unabhängig in irgendeinem der für Niob beschriebenen Gewichtsprozentbereiche vorhanden sein, ebenso wie Tantal. Nickel kann in einigen Ausführungsformen bis zu etwa 10 Gew.-%, in gewissen Ausführungsformen bis zu etwa 8 Gew.-% und in besonderen Ausführungsformen bis zu etwa 5 Gew.-%, vorhanden sein. Weiter kann die Legierungsmatrix Kohlenstoff und/oder Stickstoff umfassen. Diese Elemente können in einigen Ausführungsformen bis zu etwa 0,5 Gew.-%, in gewissen Ausführungsformen bis zu etwa 0,25 Gew.-% und in besonderen Ausführungsformen bis zu etwa 0,1 Gew.-%, vorhanden sein.
In kontrollierten Mengen können zusätzliche Elemente vorhanden sein, um andere erwünschte Eigenschaften zu begünstigen, die diese Legierung bereitstellt. Die Menge dieser Zusätze ist derart ausgewählt, dass sie die magnetische Leistungsfähigkeit der Legierung nicht hindert. Zusätzlich kann die Legierung auch übliche Verunreinigungen umfassen, die in kommerziellen Qualitäten von Legierungen gefunden werden, die für ähnlichen Einsatz oder Gebrauch vorgesehen sind. Die Niveaus solcher Verunreinigungen sind kontrolliert, damit sie die erwünschten Eigenschaften nicht beeinträchtigen.
In gewissen Ausführungsformen haben die nanostrukturierten ferritischen Legierungen der vorliegenden Erfindung eine kristalline Struktur und sie sind im Wesentlichen frei von irgendeinem amorphen Charakter. Die Legierungen bieten somit ausgezeichnete Form- und Verarbeitungs-Eigenschaften und die kristalline Struktur bietet die verbesserten magnetischen Eigenschaften (z. B. Sättigungsmagnetisierung) und die Festigkeit für sehr rigorose Endanwendungen. Im Allgemeinen ist die Legierungsmatrix durch eine A2- und/oder B2-Kristallstruktur charakterisiert. In den meisten Ausführungsformen sind mindestens etwa 95% der nachweisbaren Phasen durch diese Kristallphasen charakterisiert (einzeln oder in Kombination). In einigen Ausführungsformen sind mindestens etwa 98% der nachweisbaren Phasen A2 und/oder B2. Andere Phasen, die manchmal den Rest der Legierungsstruktur ausmachen, schließen Oxidphasen und Karbidphasen ein. In Ausführungsformen, bei denen die Menge an Kobalt größer als etwa 20 Gew.-% ist, kann die Legierungsmatrix durch eine B2-Phase charakterisiert sein.

Einige nicht einschränkende Beispiele von Zusammensetzungen für die nanostrukturierten ferritischen Legierungen sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Element	Beispiel 1-Bereich		Beispiel 2-Bereich		Beispiel 3-Bereich		Beispiel
	niedrig	hoch	niedrig	hoch	niedrig	hoch	niedrig
Chrom	0	30	0	10	0	10	0
Kobalt	0	60	20	35	45	55	0
Titan	0,1	2	0,1	1	0,1	1	0,1
Vanadium	0	2	0	1	0	1	0
Molybdän	0	5	0	0,5	0	0,5	0
Wolfram	0	5	0	0,5	0	0,5	0
Silicium	0	6	0	5	0	5	0
Niob	0	2	0	0,5	0	0,5	0
Aluminium	0	2	0	0,5	0	0,5	0
Nickel	0	10	0	5	0	5	0
Tantal	0	2	0	0,5	0	0,5	0
Kohlenstoff	0	0,5	0	0,25	0	0,25	0
Stickstoff	0	0,5	0	0,25	0	0,25	0
Eisen	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest

In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Anzahl zusätzlicher Elemente eingesetzt werden, um gewisse Eigenschaften in der weichmagnetischen Komponente zu erhalten oder zu verbessern. Die Anwesenheit gewisser Elemente (oder ihre Anwesenheit bei gewissen Niveaus) kann manchmal nachteilig für die Gesamteigenschaften der nanostrukturierten ferritischen Legierung sein. So kann, z. B., die Anwesenheit von Kupfer oder Mangan die Sättigungsmagnetisierung der Legierung vermindern.
Kupfer kann auch die magnetische Koerzivität der Legierung erhöhen. Die unerwünschte Erhöhung der Koerzivität kann in einem Leistungsverlust (Energieverlust) resultieren, wenn diese Legierungen in einer Wechselstromschaltung eingesetzt werden, z. B., wenn sie als Rotoren oder Armaturen benutzt werden. In einer Ausführungsform ist die nanostrukturierte ferritische Legierung im Wesentlichen frei von Kupfer. Der Begriff „im Wesentlichen frei von Kupfer”, wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf die Anwesenheit von weniger als etwa 50 Teile pro Million Kupfer, bezogen auf die Gesamtmenge der Legierung.
In einer Ausführungsform ist die nanostrukturierte ferritische Legierung im Wesentlichen frei von Mangan. Der Begriff „im Wesentlichen frei von Mangan”, wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf die Anwesenheit von weniger als etwa 1 Gew.-% Mangan, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung.
In einer Ausführungsform ist der hierin beschriebene Gegenstand eine elektrische Maschine. Bezugnehmend auf 1 ist eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Beispiels einer elektrischen Maschine 100 gezeigt. 1 dient nur veranschaulichenden Zwecken und die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine spezifische elektrische Maschine oder Konfiguration davon beschränkt. In dem gezeigten Beispiel schließt die Maschine 100 eine Rotorbaueinheit 110 ein. Die Rotorbaueinheit 110 schließt eine Rotorwelle 112 ein, die sich durch einen Rotorkern 114 erstreckt. Die Rotorbaueinheit 110 ist in der Lage, innerhalb der Statorbaueinheit 116 im Uhrzeigersinn oder in gegenläufiger Richtung zu rotieren. Lagerbaueinheiten 118, 120, die die Rotorwelle 112 umgeben, können eine solche Rotation innerhalb der Statorbaueinheit 116 erleichtern. Die Statorbaueinheit 116 schließt mehrere Statorwicklungen ein, die sich umfangsmäßig um die und axial längs der Rotorwelle 112 durch die Statorbaueinheit 116 hindurch erstrecken. Während des Betriebes verursacht die Rotation der Rotorbaueinheit 110 ein sich änderndes magnetisches Feld innerhalb der Maschine 100. Dieses sich ändernde magnetische Feld induziert Spannung in den Statorwicklungen 122. Die kinetische Energie der Rotorbaueinheit 110 wird somit in elektrische Energie in Form von elektrischem Strom und elektrischer Spannung in den Statorwicklungen 122 umgewandelt. Alternativ kann die Maschine 100 als ein Motor benutzt werden, wobei der induzierte Strom in der Rotorbaueinheit 110 mit einem magnetischen Rotationsfeld reagiert, um das Rotieren der Rotorbaueinheit 110 zu verursachen. In einigen Ausführungsformen ist der Motor ein Synchronmotor und in anderen Ausführungsformen ist der Motor ein asynchroner Motor. Synchronmotoren rotieren bei genau der Quellenfrequenz, die durch die Polpaar-Zählung vergrößert wird, während asynchrone Motoren wegen der Anwesenheit eines Schlupf eine geringere Frequenz aufweisen. Der Fachmann weiß, wie Änderungen in dem Design, je nach Anforderung für die Vorrichtung, vorzunehmen sind.
Ein oder mehrere der Rotorbaueinheit 100 oder der Statorbaueinheit 116 der Maschine 100 schließen weichmagnetische Komponenten der offenbarten Ausführungsformen ein. Hervorragende magnetische und mechanische Eigenschaften der weichmagnetischen Komponenten der offenbarten Ausführungsformen ergeben bestimmte Vorteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Maschine. In der hierin beschriebenen 1 ist die Maschine 100 eine Maschine vom Radialtyp, wobei der Fluss radial durch den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator fließt. Es können jedoch auch andere Beispiele der Maschine 100 mit einer axialen Flussströmung arbeiten, wobei der Fluss parallel zur Achse der Maschine 100 fließt. Obwohl der Betrieb der Maschine 100 unter Bezugnahme auf ein einfaches Diagramm erläutert wird, sind Beispiel der Maschine 100 nicht auf dieses besondere einfache Design beschränkt.
Andere kompliziertere Designs sind auch anwendbar und können von den hierin beschriebenen weichmagnetischen Komponenten profitieren. In einer Ausführungsform ist die weichmagnetische Komponente eine rotierende Komponente. Beispiele des Systems, die eine rotierende Komponente umfassen können, schließen einen Generator, einen Motor, oder einen Synchrongenerator ein. In einer Ausführungsform ist die weichmagnetische Komponente ein Rotor oder eine Armatur. In einer Ausführungsform ist die weichmagnetische Komponente ein Rotor einer elektromagnetischen Maschine.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Legierungen der Erfindung eine hohe Sättigungsmagnetisierung, geringe Koerzivität und hohe mechanische Festigkeit zeigen. In einer Ausführungsform hat die weichmagnetische Komponente eine Sättigungsmagnetisierung von mindestens etwa 1,5 Tesla. In einer anderen Ausführungsform hat die weichmagnetische Komponente eine Sättigungsmagnetisierung von mindestens etwa 2 Tesla. In noch einer anderen Ausführungsform hat die weichmagnetische Komponente eine Sättigungsmagnetisierung von mindestens etwa 2,4 Tesla.
In einer Ausführungsform hat die weichmagnetische Komponente eine Koerzivität von weniger als etwa 100 Oersted. In einer anderen Ausführungsform hat die weichmagnetische Komponente eine Koerzivität von weniger als etwa 10 Oersted. In noch einer anderen Ausführungsform hat die weichmagnetische Komponente eine Koerzivität von weniger als etwa 1 Oersted.
Die Werte der hohen Sättigungsmagnetisierung gestatten es der weichmagnetischen Komponente bei sehr hohen Flussdichten betrieben zu werden, was kompakte elektrischen Maschinenausführungen gestattet. In einer Ausführungsform hat die hierin offenbarte weichmagnetische Komponente eine Streckgrenze von mehr als etwa 850 Megapascal. In einer anderen Ausführungsform hat das magnetische Material eine Streckgrenze von mehr als etwa 1000 Megapascal. In noch einer anderen Ausführungsform hat das magnetische Material eine Streckgrenze von mehr als etwa 1200 Megapascal.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen der zuvor beschriebenen nanostrukturierten ferritischen Legierung umfasst eine erste Stufe des mechanischen Legierens von Metallpulver und einem zugeführten Metalloxid zum Bilden eines mechanisch legierten Pulvers. Das Metallpulver umfasst im Allgemeinen Elemente, die oben beschrieben sind, die erwünschtermaßen in der Legierungsmatrix vorhanden sind. Das zugeführte Metalloxid umfasst in einigen Ausführungsformen mindestens ein Oxid, ausgewählt aus Yttriumoxid, Hafniumdioxid, Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid. In einigen Ausführungsformen wird das mechanische Legieren durch gemeinsames Mahlen der Pulver bewerkstelligt, bis das Oxid in dem Metallpulver gelöst ist.
Ein zweite Stufe umfasst das Konsolidieren des mechanisch legierten Pulvers. Die Konsolidierungsstufe kann, z. B., heißes isostatisches Pressen, Extrudieren oder Walzen des Pulvers zu einem Blech mittels Walzenkompaktierung einschließen. In einer Ausführungsform hat das weichmagnetische Material nach dem Konsolidieren eine Dichte, die größer als etwa 95% der theoretischen Dichte des weichmagnetischen Materials ist. Die Stufe der Konsolidierung kann bei erhöhten Temperaturen ausgeführt werden und in solchen Fällen kann es auch unter einer inerten Umgebung geschehen, um Umgebungs-Wechselwirkungen, wie Oxidation, zu minimieren. Geeignete Beispiele eines inerten Gases, das benutzt werden kann, um die inerte Umgebung bereitzustellen, schließen Argon (Ar), Stickstoff (N) und Helium (He) ein.
Das Pulver wird thermisch behandelt, um eine Ausfällung der Nanomerkmale in der Matrix zu bewirken. Diese Bildung von Nanomerkmal-Ausfällungen kann zu irgendeiner Zeit während des Verfahrens des Herstellens des Materials ausgeführt werden, es wird jedoch am geeignetsten während der Konsolidierungsstufe (wenn die Konsolidierung bei erhöhten Temperaturen ausgeführt wird) oder nach der Konsolidierung ausgeführt. In dieser Stufe reagiert Titan mit dem Sauerstoff und den Metallen (z. B. Yttrium, Hafnium, Zirkonium oder Aluminium) aus dem zugeführten Oxid unter Bildung von Oxiden, die die Nanomerkmale bilden. Andere Elemente aus dem Metall können auch an der Reaktion teilnehmen und werden in die Nanomerkmale eingebaut. Die Zeit und die Temperatur, die für diese Ausfällung ausgewählt werden, können einfach auf der Grundlage der erwünschten Größe und Dichte der Nanomerkmale festgelegt und sie können kontrolliert werden, um sehr viel feinere Dispersionen bereitzustellen, als sie im Allgemeinen mit konventionellen Mitteln erzielt werden, wie beim lediglich mechanischen Legierungsverfahren.
In Ausführungsformen, die nach dem mechanischen Legieren ein Walzenzusammenpressen benutzen, kann das Pulver einer Walzenmühle zugeführt werden, wo das Pulver zu Blechen zusammengepresst wird. Die Metallbleche können dann gesintert werden, um einen dichten Körper zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann das gesinterte Blech einem mehrfachen Walzen und Sintern unterworfen werden.
In einigen Ausführungsformen folgt eine Formstufe dem heißen isostatischen Pressen oder Extrudieren und diese Formstufe kann ein Schmieden des weichmagnetischen nanostrukturierten ferritischen Legierungsmaterials zu einer Platte und/oder das Walzen des Materials zu einem Blech umfassen. In einer Ausführungsform hat das Material nach der Formstufe eine Dichte, die größer als etwa 98% seiner theoretischen Dichte ist. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter eine Stufe des maschinellen Bearbeitens des geformten Gegenstandes.
Während nur gewisse Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht und beschrieben wurden, stehen dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen zur Verfügung. Es sollte daher klar sein, dass die beigefügten Ansprüche alle solche Modifikationen und Änderungen abdecken, die in den wahren Geist der Erfindung fallen.
In einer Ausführungsform wird ein Gegenstand bereitgestellt. Der Gegenstand umfasst eine weichmagnetische Komponente. Die weichmagnetische Komponente schließt eine nanostrukturierte ferritische Legierung ein. Die nanostrukturierte ferritische Legierung schließt eine Vielzahl von Nanomerkmalen ein, die in einer eisenhaltigen Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Nanomerkmale ein Oxid umfassen.
Bezugszeichenliste

100: elektrische Maschine
110: Rotorbaueinheit
112: Rotorwelle
114: Rotorkern
116: Statorbaueinheit
118: Lagerbaueinheiten
120: Lagerbaueinheiten
122: Statorwicklungen

Claims

Gegenstand, umfassend: eine weichmagnetische Komponente, worin die weichmagnetische Komponente eine nanostrukturierte ferritische Legierung umfasst, wobei die nanostrukturierte ferritische Legierung eine Vielzahl von Nanomerkmalen umfasst, die in einer eisenhaltigen Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Nanomerkmale ein Oxid umfassen.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin die weichmagnetische Komponente eine rotierende Komponente ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin die weichmagnetische Komponente ein Rotor oder eine Armatur ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin die Nanomerkmale eine mittlere Größe in einem Bereich von etwa 1 Nanometer bis etwa 100 Nanometer aufweisen.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin die Nanomerkmale eine Zahlendichte von mindestens etwa 10¹⁸ pro Kubikmeter der nanostrukturierten ferritischen Legierung aufweisen.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin die Legierungsmatrix umfasst: Titan, mindestens etwa 35 Gew.-% Eisen und bis zu etwa 60 Gew.-% Kobalt.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin die Legierungsmatrix umfasst: Titan, bis zu etwa 8 Gew.-% Silicium und mindestens etwa 40 Gew.-% Eisen.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin das Oxid umfasst Titan und mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttrium, Hafnium, Aluminium und Zirkonium.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin die nanostrukturierte ferritische Legierung umfasst: eine Legierungsmatrix, umfassend mindestens etwa 35 Gew.-% Eisen, von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% Titan und von etwa 20 Gew.-% bis etwa 55 Gew.-% Kobalt und eine Vielzahl von Nanomerkmalen, die in der Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Nanomerkmale ein Oxid umfassen, das Oxid Titan und mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttrium, Hafnium, Aluminium und Zirkonium, umfasst, worin die Nanomerkmale eine mittlere Größe in einem Bereich von etwa 1 Nanometer bis etwa 50 Nanometer und eine Zahlendichte von mindestens etwa 10²⁰ pro Kubikmeter der nanostrukturierten ferritischen Legierung aufweisen.
Gegenstand nach Anspruch 1, worin die nanostrukturierte ferritische Legierung umfasst: eine Legierungsmatrix, umfassend mindestens etwa 50 Gew.-% Eisen, von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% Titan und bis zu etwa 8 Gew.-% Silicium und eine Vielzahl von Nanomerkmalen, die in der Legierungsmatrix angeordnet sind, wobei die Nanomerkmale ein Oxid umfassen, das Oxid Titan und mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttrium, Hafnium, Aluminium und Zirkonium, umfasst, worin die Nanomerkmale eine mittlere Größe in einem Bereich von etwa 1 Nanometer bis etwa 50 Nanometer und eine Zahlendichte von mindestens etwa 10²⁰ pro Kubikmeter der nanostrukturierten ferritischen Legierung aufweisen.