DE102012005223A1

DE102012005223A1 - Spritzgusswerkzeug für Permanentmagnete

Info

Publication number: DE102012005223A1
Application number: DE201210005223
Authority: DE
Inventors: Vladimir V. Popov; Peter Borsai
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-19

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Spritzgusswerkzeug (1) zur Herstellung von kunststoffgebundenen Permanentmagneten mit magnetischer Anisotropie. Dazu sind um die Spritzgusskammer (2) Ausrichtmagnete (5, 5') angeordnet, deren Feldlinien (6) die Spritzgusskammer (2) durchsetzen, um die Elementarmagnete des Magnetmaterials einer Spritzgussschmelze vorauszurichten. Die Ausrichtmagnete (5, 5') sind dazu zumindest teilweise gegenüber der axialen Richtung der Spritzgusskammer (2) verdreht, so dass auch Magnete mit schrägen Magnetpolen anisotrop gespritzt werden können.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Spritzgusswerkzeug zur Herstellung von Permanentmagneten mit einem Werkzeuggehäuse, mit einer Spritzgusskammer und Magneten, die im Werkzeuggehäuse um die Spritzgusskammer angeordnet sind.
Das Spritzgießen von Permanentmagneten aus einem kunststoffgebundenen Material ist allgemein bekannt. Damit lassen sich auf einfache Weise beispielsweise Ringmagnete für Rotoren direkt an einen Rotorkörper spritzen. Dadurch ist der Rotor kostengünstiger herstellbar.
Aber auch für viele andere Magnetformen und Anwendungen ist das Spritzgießen von kunststoffgebundenen Magneten einfach und kostengünstig.
Da die Elementarmagnete des Materials im Spritzguss zufällig ausgerichtet sind, weist der gespritzte Rohmagnet, wenn überhaupt, nur ein kleines externes Magnetfeld auf.
Die Rohmagnete müssen daher nach dem Spritzen in einer Magnetisiervorrichtung magnetisiert werden. Dieser Vorgang erfordert sehr hohe externe Magnetfelder und ist deshalb sehr energieaufwändig. Um diesen Prozess zu erleichtern ist es bekannt, im Spritzgusswerkzeug Magnete anzuordnen, die die Spritzgussschmelze mit einem Magnetfeld beaufschlagen. Dadurch werden die Elementarmagnete bereits in der Schmelze vorausgerichtet, wodurch ein magnetisch anisotroper Rohmagnet entsteht, der einfacher magnetisierbar ist.
Insbesondere bei Rotormagneten für bürstenlose Gleichstrommotoren ist es bekannt, den gespritzten Magneten so zu magnetisieren, dass die einzelnen Magnetpole nicht axialparallel verlaufen, sondern zur Motordrehachse leicht verdrallt sind (Schrägung der Pole). Dadurch können viele negative Effekte im Betrieb des Motors verhindert werden, beispielsweise Rastmomente oder die Schwingungen durch die höheren Harmonischen.
Eine solche Schräge Magnetisierung ist jedoch für einen anisotrop gespritzten Magneten nicht aus dem Stand der Technik bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Spritzgusswerkzeug zu schaffen, mit dem beliebig magnetisierbare anisotrope Permanentmagnete hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Spritzgusswerkzeug mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Durch die verdrallte oder schräge Anordnung der Magnete im Werkzeuggehäuse ist auch eine anisotrope Ausrichtung von schräg verlaufenden Magneten möglich. Dies ist insbesondere zur Herstellung von Ringmagneten vorteilhaft.
Das Werkzeuggehäuse ist vorzugsweise radial zweiteilig ausgebildet, wobei das Innenteil aus einem magnetisch weichen Material und das Außenteil aus einem nicht ferromagnetischen Material besteht.
Das Werkzeuggehäuse ist in axialer Richtung zweckmäßigerweise einstückig aus einem Vollmaterial hergestellt.
Falls das Werkzeuggehäuse zwei radiale Teile aufweist, ist jedes Teil vorzugsweise einstückig hergestellt.
In einer alternativen Ausführung der Erfindung sind das Werkzeuggehäuse oder die radialen Teile in axialer Richtung aus mehreren Teilen zusammengesetzt.
Insbesondere sind das Werkzeuggehäuse oder die radialen Teile in axialer Richtung aus mehreren Scheiben gestapelt. Diese Scheiben können beispielsweise aus Stahl- oder Eisenblech gestanzt sein.
Insbesondere sind die einzelnen Scheiben teilweise gegeneinander verdreht, um teilweise schräge oder verdrehte Magnetpole zu erhalten.
Dabei ist es insbesondere möglich, dass das Werkzeuggehäuse wenigstens zwei axiale Bereiche aufweist, wobei in den einzelnen Bereichen die Anzahl und die Ausrichtung der Magnete unterschiedlich sind.
Die Magnete können jeweils beispielsweise einstückig ausgebildet sein oder aus einzelnen Teilmagneten bestehen. Die Magnete oder die einzelnen Teilmagnete sind dabei beispielsweise Sintermagnete oder andere Permanentmagnete.
Die Erfindung ist nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen Querschnitt durch ein Spritzgusswerkzeug zur Herstellung eines Ringmagneten eines Rotors,
2 eine Schrägansicht eines Spritzgusswerkzeugs ohne Hülse aus einzelnen, gegeneinander verdrehten Scheiben,
3 das Werkzeuggehäuse der 2,
4 ein Spritzgusswerkzeug mit jeweils einstückigem Innenteil und Außenteil,
5 das Werkzeuggehäuse der 4
6 eine Detailansicht eines Magneten, der aus einzelnen Magnet-Platten gestapelt ist und
7 einen Rotor, der mit einem erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeug hergestellt wurde.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Spritzgusswerkzeug.
Das Spritzgusswerkzeug 1 weist eine Spritzgusskammer 2 auf, die im Beispiel einen runden Querschnitt aufweist. In dieser Spritzgusskammer 2 können beispielsweise Rundmagnete 4 direkt an einen Rotorkörper 3 angespritzt werden.
Im Beispiel ist ein sternförmiger Rotorkörper 3 abgebildet, wobei die Form des Rotorkörpers 3 für die Erfindung nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Um die Spritzgusskammer 2 sind mehrere Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Feldlinien 6 der Ausrichtmagnete 5 und 5' durchsetzen die Spritzgusskammer 2 und bewirken eine Vorausrichtung der Elementarmagnete in einer Spritzgussschmelze. Dadurch entsteht ein magnetisch anisotroper Rohmagnet, der einfacher magnetisierbar ist.
Unter bestimmten Voraussetzungen kann durch die Magnete auch eine vollständige Ausrichtung der Elementarmagnete des Magnetmaterials erfolgen, so dass direkt im Spritzguss ein vollständig magnetisierter Permanentmagnet entsteht, der nicht mehr magnetisiert werden muss.
Die Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' sind vorzugsweise Sintermagnete. Es können jedoch auch kunststoffgebundene oder andere Magnete verwendet werden.
Die Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' sind in ein Werkzeuggehäuse 7 eingepasst, das im Beispiel in radialer Richtung aus zwei Teilen besteht. Das Innenteil 8 besteht aus einem magnetisch weichen Material, damit die Magnetfeldlinien ungehindert vom Ausrichtmagneten 5 bzw. 5' zur Spritzgusskammer 2 geleitet werden. Die innere Begrenzung des Innenteils wird durch eine Hülse 8a gebildet. Diese Hülse 8a dient als Verschleißschutz und besteht aus einem nicht ferromagnetischen Material. Das Außenteil 9 besteht aus einem nicht ferromagnetischen Material. Dadurch werden die Magnetfeldlinien an diesen Stellen nicht kurzgeschlossen. Damit die Magnetfeldlinien 6 nicht unkontrolliert nach Außen dringen, ist am radial äußeren Ende im Übergang der Ausrichtmagnete 5 bzw 5' jeweils ein weichmagnetischer Rückschluss 10 angeordnet, der die Feldlinien 6, die radial nach außen gehen, schließt.
Im Beispiel sind die Ausrichtmagnete etwa trapezförmig ausgebildet und sind schräg entlang der Pfeilrichtungen magnetisiert. Durch diese Anordnung der Magnete, ähnlich einer Halbach-Anordnung, wird eine stärkere Konzentration der Feldlinien in Richtung Spritzgusskammer 2 bewirkt. Die Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' haben dabei dieselbe Form, sind jedoch unterschiedlich magnetisiert. Im Beispiel besteht ein Pol aus jeweils 2 Ausrichtmagneten gleicher Bauart, die so montiert sind, dass die Orientierung der Magnetisierung entweder zum Pol zeigt (Ausrichtmagnet 5') oder davon weg (Ausrichtmagnet 5). Selbstverständlich kann die Erfindung auch mit anderen Magnetanordnungen ohne Einschränkungen verwendet werden.
Die 2 zeigt eine erste Ausführung eines Spritzgusswerkzeugs 1, das aus mehreren Scheiben 11 axial gestapelt ist. Dabei ist jede einzelne Scheibe 11 radial zweigeteilt wie oben beschrieben. Die einzelnen Scheiben 11 sind jeweils gegeneinander leicht verdreht. Die Nut 12 am Außenumfang des Spritzgusswerkzeugs 1 verdeutlicht die Verdrehung der einzelnen Scheiben 11.
Wie in 3 zu erkennen ist, sind dadurch auch die Freiräume 13, in denen die Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' angeordnet sind, entsprechend verdreht und somit auch die Ausrichtmagnete selbst. Dadurch ergeben sich im Beispiel jeweils schräge Magnetfelder in der Spritzgusskammer 2, wodurch ein gespritzter Rohmagnet schräge Anisotropien erhält, die zu schrägen Magnetpolen magnetisierbar sind. Somit kann beispielsweise ein Rotor mit schrägen Magnetpolen zur Reduzierung des Rastmoments hergestellt werden, der aufgrund der anisotropen Rohmagnetpole einfacher magnetisierbar ist.
Die Scheiben 11 können beispielsweise in einem einfachen Stanzprozess hergestellt werden. Die Ausnehmungen, die die Freiräume 13 bilden, können dann nachträglich oder gleichzeitig gestanzt werden.
In 4 ist eine alternative Ausbildung des Werkzeuggehäuses 7' gezeigt, wobei hier im Werkzeuggehäuse 7' das Innenteil 8' und das Außenteil 9' jeweils einstückig aus einem Vollmaterial hergestellt sind. Die beiden Teile sind im Beispiel als Hohlzylinder mit Aussparungen ausgebildet, wobei das Innenteil 8' passgenau in das Außenteil 9' einsetzbar ist.
Die Freiräume 13 für die Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' können dabei beispielsweise durch herkömmliche, spanabhebende Verfahren oder durch Senkerodieren erzeugt werden.
Die Freiräume 13 für die Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' haben bei dieser Ausführung glatte Seitenwände (5), während sie beim gestapelten Spritzgusswerkzeug 1 entsprechend gestuft sind (3).
Aufgrund der schrägen oder verdrehten Freiräume 13 ist es schwierig oder unmöglich, in die Freiräume einstückige Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' so einzulegen, dass sie bündig an allen Seitenwänden anliegen.
Da ein Luftspalt jedoch das Magnetfeld schwächen würde, sind die Ausrichtmagnete zweckmäßigerweise aus einzelnen Teilmagneten 14 gestapelt. Die 6 zeigt beispielhaft einen aus solchen Teilmagneten 14 gestapelten Ausrichtmagneten 5 bzw. 5' mit Kanten 15. Die einzelnen Teilmagnete 14 sind vorzugsweise der Form der Freiräume 13 angepasst. Im Beispiel weisen die Teilmagnete eine Dicke von 3 mm bis 4 mm auf.
Der im Beispiel gezeigte trapezförmige Magnet ist zusätzlich in Umfangsrichtung zweigeteilt in die Ausrichtmagnete 5 und 5', wobei dies aufgrund der Anordnung ähnlich einer Halbach-Anordnung vorteilhaft ist. Bei anderen Magnetanordnungen können auch Magnete aus mehr oder weniger Einzelteilen eingesetzt werden.
Beim gestapelten Werkzeuggehäuse 1 haben die Teilmagnete 14 vorzugsweise gerade Kanten 15, damit sie genau in die Freiräume 13 passen.
Beim einstückigen Werkzeuggehäuse 1' sind die Kanten vorzugsweise entsprechend den Seitenwänden abgeschrägt, so dass keine Luftspalte entstehen.
Hier sind jedoch auch speziell angepasste, einstückige Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' einsetzbar.
Die Magnete können beispielsweise durch Erodieren bearbeitet werden.
Die Ausrichtmagnete oder Teilmagnete sind vorzugsweise Sintermagnete, da diese eine höhere Feldstärke aufweisen. Es können jedoch auch für das Spritzgusswerkzeug kunststoffgebundene Ausrichtmagnete verwendet werden. Insbesondere können diese Ausrichtmagnete direkt in die Freiräume 13 eingespritzt werden.
Die einzelnen Freiräume 13 für die Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' können über die gesamte axiale Länge des Werkzeuggehäuses 7 reichen, so dass durchgehende Magnetpole entstehen.
Die Freiräume 13 können jedoch auch nur über axiale Teilbereiche reichen. Dabei können sich die Anzahl und die Anordnung der Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' in den Teilbereichen des Werkzeuggehäuses 7 unterscheiden. So lassen sich auch mehrteilige Magnete in einem Spritzgussprozess anisotrop spritzen.
In der 7 ist beispielhaft ein Rotor 16 gezeigt mit einem gespritzten Rundmagneten 4, der auf einer Rotorwelle 17 angeordnet ist.
Der Rundmagnet 4 weist dabei im Beispiel drei axiale Bereiche auf. Einen Antriebsmagnet 18 mit schrägen Magnetpolen 19, einen ersten Sensormagnet 20 und einen zweiten Sensormagnet 21 mit unterschiedlicher Anzahl an geraden Magnetpolen 22. Ein solcher Rundmagnet 4 lässt sich in einem in axialer Richtung dreiteiligen Spritzgusswerkzeug 1 einfach in einem Spritzgussvorgang magnetisch anisotrop spritzen.
Dazu müssen lediglich die Ausrichtmagnete 5 bzw. 5' im Werkzeuggehäuse 7 entsprechend der gewünschten Magnetpolanzahl und Magnetpolausrichtung angeordnet werden.
Neben den hier gezeigten Ausführungsbeispielen ist eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen der Erfindung möglich, wobei die Anzahl der Magnetpole und deren Ausrichtung beliebig variierbar sind. Die Erfindung ist daher in keiner Weise auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
Bezugszeichenliste

1, 1': Spritzgusswerkzeug
2: Spritzgusskammer
3: Rotorkörper
4: Rundmagnet
5: Ausrichtmagnet
6: Feldlinie
7, 7': Werkzeuggehäuse
8, 8': Innenteil
8a: Hülse
9, 9': Außenteil
10: Rückschluss
11: Scheibe
12: Nut
13: Freiraum
14: Teilmagnet
15: Kante
16: Rotor
17: Welle
18: Antriebsmagnet
19: Magnetpol (schräg)
20: erster Sensormagnet
21: zweiter Sensormagnet
22: Magnetpol (gerade)

Claims

Spritzgusswerkzeug (1) zur Herstellung von Permanentmagneten, mit einem Werkzeuggehäuse (7, 7'), mit einer Spritzgusskammer (2) und Ausrichtmagneten (5, 5'), die im Werkzeuggehäuse (7, 7') um die Spritzgusskammer (2) verteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtmagnete (5, 5') jeweils zumindest teilweise gegenüber der axialen Richtung der Spritzgusskammer (2) verdreht sind.
Spritzgusswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeuggehäuse (7, 7') radial in ein Innenteil (8, 8') und ein Außenteil (9, 9') geteilt ist.
Spritzgusswerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (8, 8') aus einem magnetisch weichen Material und das Außenteil (9, 9') aus einem nicht ferromagnetischen Material besteht.
Spritzgusswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeuggehäuse (7, 7') oder die radialen Gehäuseteile (8, 8', 9, 9') jeweils einstückig aus einem Vollmaterial hergestellt sind.
Spritzgusswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeuggehäuse (7, 7') oder die radialen Gehäuseteile (8, 8', 9, 9') jeweils in axialer Richtung aus mehreren Teilen zusammengesetzt sind.
Spritzgusswerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeuggehäuse (7, 7') oder die radialen Gehäuseteile (8, 8', 9, 9') jeweils in axialer Richtung aus mehreren Scheiben (11) gestapelt sind.
Spritzgusswerkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Teile (11) teilweise gegeneinander verdreht sind.
Spritzgusswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeuggehäuse (7, 7') wenigstens zwei axiale Bereiche aufweist, in denen sich die Anzahl und die Ausrichtung der Ausrichtmagnete (5, 5') unterscheiden.
Spritzgusswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtmagnete (5, 5') einstückig ausgebildet sind.
Spritzgusswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtmagnete (5, 5') aus einzelnen Magneten gestapelt sind.
Spritzgusswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtmagnete (5, 5') so angeordent sind, dass die magnetischen Feldlinien auf beiden Seiten eines sich radial ausbildenden Magnetpols dieselbe Orientierung in Bezug auf den Pol haben.
Spritzgusswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass am radial äußeren Ende im Übergang der Ausrichtmagnete (5, 5') jeweils ein weichmagnetischer Rückschluss (10) angeordnet ist, der die Feldlinien 6, die radial nach außen gehen, schließt.