DE102012208362A1

DE102012208362A1 - Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten

Info

Publication number: DE102012208362A1
Application number: DE102012208362A
Authority: DE
Inventors: Martin Scharrer; Hartmut Vogel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-11-21
Also published as: WO2013171043A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten (6) durch folgende Schritte: – abwechselndes Schütten (1) von Magnetpulver und Einbringen einer Zwischenlage (4) aus vergleichsweise gering leitendem Material in eine vorgebbare Form (2), die der Formgebung eines Rohlings des Permanentmagneten (6) entspricht, – Sintern des aus der vorgebenden Form ergebenden Rohlings.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten, ebenso einen einstückigen Permanentmagneten, als auch einen Rotor einer dynamoelektrischen Maschine mit einstückigen Permanentmagneten.
Insbesondere bei dynamoelektrischen Maschinen treten aufgrund der Wechselwirkung von Permanentmagneten, die beispielsweise auf oder in einem Rotor angeordnet sind mit einem sich zeitlich veränderlichen Magnetfeld oder auch einem induzierten Gegenfeld Wirbelströme in den Permanentmagneten des Rotors der dynamoelektrischen Maschine auf. Diese Wirbelströme verursachen Verluste innerhalb der Permanentmagnete und führen damit zur Erwärmung des Permanentmagneten, was letztlich u.a. zur Verschlechterung seiner magnetischen Eigenschaften und damit des Betriebsverhaltens der dynamoelektrischen Maschine führt.
Es wurde versucht, durch Zulegierung geeigneter Elemente die Temperaturfestigkeit des Permanentmagneten zu erhöhen. Außerdem wurden mehrere Magnete zusammengeklebt und mit einer Zwischenschicht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material versehen. Dieses Prinzip ist aus dem Elektromaschinenbau bekannt, wo sowohl das Stator- als auch das Rotorblechpaket aus einzelnen Elektroblechen aufgebaut sind und keinen massiven Stahlblock bilden. Diese Verfahren sind vergleichsweise aufwändig und umständlich.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten bereitzustellen, um einen Permanentmagneten zu schaffen, mit dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden und der eine einfache und wirtschaftliche Herstellung gestattet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten durch folgende Schritte:

– abwechselndes Schütten von Magnetpulver und Einbringen einer Zwischenlage aus vergleichsweise gering leitendem Material in eine vorgebbare Form, die der Formgebung eines Rohlings des Permanentmagneten entspricht,
– Sintern des aus der vorgebenden Form ergebenden Rohlings.

Selten-Erden-Permanentmagnete werden üblicherweise durch sintern eines Magnetpulvers hergestellt. Der Ausbildung von Wirbelströmen im fertigen Permanentmagnet kann nun erfindungsgemäß dadurch entgegen gewirkt werden, dass zwischen einzelnen Abschnitten des fertigen einstückigen Permanentmagneten dünne, elektrisch nicht, oder zumindest schlecht leitende Schichten befinden. Hergestellt wird nun dieser einstückige Permanentmagnet, in dem ein vorgebbares Magnetpulver in dünnen Schichten in eine Form gegeben und vor Einbringung einer weiteren Schicht des Magnetpulver mit einer Zwischenlage aus elektrisch nicht oder schlecht leitendem Material versehen wird.
Dieser Vorgang wird so oft wie notwendig wiederholt.
Diese nicht oder schlecht leitenden Materialien können beispielsweise in Pulver oder Blättchenform in die Form des Rohlings auf die jeweilige Schicht Magnetpulver gegeben werden. Damit lässt sich der Herstellungsprozess einfach automatisieren. Diese Materialien sind beispielsweise Keramikverbindungen oder Polymerverbindungen.
Anschließend wird der Rohling in der vorgegebenen Form zu einem kompakten, einstückigen inhomogenen Permanentmagnet gesintert.
Eine Magnetisierung erfolgt entweder während des Herstellungsprozesses, indem der Rohling einem Magnetfeld ausgesetzt wird, oder durch nachträgliches Magnetisieren des gesinterten Rohlings.
Die Inhomogenität des Permanentmagneten kommt dadurch zustande, dass nunmehr der Magnet Zwischenlagen von nicht oder schlecht leitendem Material innerhalb des Permanentmagneten aufweist. Die Zwischenlage vermeidet somit an dem Endprodukt des fertigen Permanentmagneten die Wirbelstromverluste im Betrieb einer dynamoelektrischen Maschine. Die Zwischenlagen innerhalb des einstückigen Permanentmagneten sind innerhalb des Permanentmagneten immer so ausgerichtet, dass der Wirbelstromfluss innerhalb des Permanentmagneten unterbrochen wird.
Dabei sind die Zwischenlagen innerhalb des Permanentmagneten so orientiert, dass sie nicht nur die Wirbelströme unterbinden, sondern vorzugsweise auch parallel zu den aus dem Permanentmagneten austreten Feldlinien des jeweiligen Abschnitts ausgerichtet sind.
Das als Zwischenlage verwendete Material kann während des Fertigungsprozesses sowohl unveränderbar als auch veränderbar vorliegen. Als veränderbares Material wird erfindungsgemäß ein Stoff verstanden, der mit den umgebenden Stoffen, in diesem Fall dem Magnetpulver, chemisch reagiert. Entscheidend ist dabei, dass letztendlich eine schlecht leitende Schicht innerhalb des Permanentmagneten entsteht bzw. dann vorhanden ist, die in der Lage ist, die Wirbelstromverluste zu reduzieren.
Die Leitfähigkeit einer Zwischenlage ist dabei maximal halb so groß wie die Leitfähigkeit des Magnetmaterials insbesondere kleiner 0,5·10⁶ S/m.
Das Magnetmaterial bzw. der Permanentmagnet weist zumindest eine Leitfähigkeit von 0,9·10⁶ S/m auf.
Vorteilhafterweise führt nunmehr ein derartiger einstückiger Permanentmagnet zu einer Steigerung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine. Außerdem wird durch die nunmehr geringere Aufheizung des Permanentmagneten – also geringe Einsatztemperatur der Einsatz kostengünstiger Permanentmagnete ermöglicht. Dies gelingt erfindungsgemäß unter anderem durch einen vergleichsweise reduzierten Dysprosiumgehalt innerhalb des Permanentmagneten.
Der Einsatz von Permanentmagneten mit damit zeitlich verlängerter Temperaturstabilität führt in der Regel auch zu höheren Magnetkräften, also zu erhöhter Remanenz im Magnetmaterial, was zu einer Einsparung von Magnetvolumen führt. Außerdem ist dieses Fertigungsverfahren im Vergleich mit nachträglich zusammengeklebten Einzelpermanentmagneten erheblich günstiger.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen; dabei zeigen:
1 einen prinzipiellen Herstellungsprozess,
2, 3 verschiedene Permanentmagnete,
4 die Anwendung von Permanentmagneten bei elektrischen Maschinen.
1 zeigt beispielhaft eine Schüttung 1, bei der in eine vorgebbare Form 2, die der nachträglichen Form des Permanentmagneten entspricht, Magnetpulver unterschiedlicher Konsistenz, d.h. unterschiedlicherer Materialien eingeschüttet werden und eine erste Schicht 3 bildet. Diese und die weiteren Schichten von Magnetpulver sind vorzugsweise 5 bis 10 mm breit. Auf diese erste Schicht 3 folgt nunmehr eine Zwischenlage 4, die sowohl eine Keramik- als auch Polymerverbindung darstellen kann und ebenso in Pulverform als auch in einer kompakten Blättchenform oder anderen geometrischen Form ausgebildet sein kann. Nachdem diese Zwischenlage die Wirbelströme unterbrechen soll, sind je nach Ausführung und Materialien dieser Zwischenlage 4 Dicken von einigen Mikrometer bis max. einem Millimeter bei großen Magneten vorzusehen.
Anschließend an diese erste Zwischenlage 4 folgt nunmehr eine weitere Schichtung 3 mit einer gegebenenfalls gleichen Zusammensetzung des Magnetpulvers oder einer von der ersten Schichtung 3 unterschiedlichen Magnetpulvers. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis die Form 2 des nunmehr herzustellenden Permanentmagneten 6 gefüllt ist, also der Rohling mit seinen Schichtungen vorliegt.
Das Magnetpulver weist, wie 1 prinzipiell darstellt vorzugsweise unterschiedliche Materialien pro Schicht auf. Dabei sind vorgebare Mischungen u.a. von leichten (Nd oder Pr) oder schwerem (Dy oder Tb) Seltenerdmetall vorgesehen. Weitere Anteile des Magnetpulvers sind u.a. Materialien, die eine Schwindung reduzieren, wie z.B. Co oder Ni.
Die verwendeten Materialien von Magnetpulver und Zwischenlage weisen Größen von 0,1 µm bis ca. 0,1mm auf, typischerweise 5 µm bis 20µm.
Nach gegebenenfalls ergänzendem transversalen oder isostatischen Pressen wird der Rohling dem Sintervorgang zugeführt. Der Pressvorgang wiederholt sich dabei nach jeder Schichtung oder einer vorgebbaren Anzahl von unterschiedlichen Schichtungen.
Durch den anschließenden Sintervorgang wird nunmehr der Permanentmagnet 6 in der gewünschten vorgegebenen äußeren geometrischen Form erhalten.
Eine Magnetisierung erfolgt entweder während des Herstellungsprozesses, z.B. während des Schichtens, indem der Rohling einem Magnetfeld ausgesetzt wird, oder durch nachträgliches Magnetisieren des gesinterten Rohlings.
Eine nachträgliche zeitlich aufwändige Bearbeitung des Permanentmagneten 6 (Permanentmagnet zerteilen – Zwischenlagen an Schnittflächen einsetzen – zusammensetzen der Teile mit den Zwischenlagen) ist nicht mehr notwendig.
Damit ist ein einstückiger Permanentmagnet 6 geschaffen, der die Wirbelstromverluste beispielsweise bei Einsatz in einer dynamoelektrischen Maschine wesentlich reduziert. Ebenso wird erfindungsgemäß das Fertigungsverfahren eines Permanentmagneten erheblich vereinfacht und es können aufgrund der verringerten Einsatztemperatur – die sich aufgrund der Reduzierung der Wirbelstromverluste einstellt – kostengünstigere Magnete, d.h. kostengünstigeres Magnetpulver verwendet werden.
Vorteilhafterweise sind bei einem erfindungsgemäß hergestellten Permanentmagneten 6 die Zwischenlagen parallel zu den magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten 6 ausgerichtet. D.h. bei parallelem Verlauf der Feldlinien 7 gemäß 2 sind auch die Zwischenlagen 4 im Wesentlichen parallel ausgerichtet.
Die vorgebbare Form 2 kann dabei so ausgebildet sein, dass sich an den Rändern der sich ergebenden Magneten andere Magnetdicken ergeben, wie in der Mitte des Magneten. Dies kann dabei unabhängig von der Art der Magnetisierung – also parallel oder radial oder quasiradial – des Permanentmagneten 6 eingestellt werden.
Ist jedoch eine radiale bzw. quasiradiale Ausrichtung der Feldlinien 7 vorgesehen, wie dies beispielsweise bei gekrümmtem Oberflächen von Magneten auftritt, orientiert sich vorzugsweise auch die Ausrichtung der Zwischenlagen 4 an der Orientierung der magnetischen Feldlinien 7 des jeweiligen Abschnitts, wie dies beispielsweise 3 zu entnehmen ist.
Als radial bzw. quasiradial wird dabei ein Feldlinienverlauf betrachtet, dessen Feldlinien 7 zumindest nicht parallel verlaufen, sondern bei virtueller Verlängerung einen gemeinsamen Schnittpunkt 8 aufweisen würden. Im Extremfall treten die Feldlinien senkrecht aus der Oberfläche des Permanentmagneten 6. Dieser radiale oder quasiradiale Verlauf der Feldlinien 7 eines Permanentmagneten 6 wirkt sich positiv auf die Laufruhe und Drehmomentschwankungen einer dynamoelektrischen Maschine aus. Dieser vorteilhafte Effekt wird u.a. dadurch erreicht, dass ein permanenterregter Rotor 5 mit derartigen Magneten versehen ist.
Die nach dem Sintervorgang erhaltene Form wird einer Magnetisiervorrichtung einem Magnetfeld ausgesetzt, so dass sich eine parallele oder quasiradiale Magnetisierung des Permanentmagneten 6 ergibt.
4 zeigt prinzipiell die Anwendung eines Permanentmagneten 6 auf der Oberfläche eines Rotors 5 in einer dynamoelektrischen Maschine. Die Permanentmagnete 6, die ebenso wie in 2 oder 3 gestaltet sein können, werden dort vorzugsweise durch Bandagen an der Oberfläche fixiert.
Derartige Permanentmagnete 6 sind alternativ dazu auch axialen verlaufenden Ausnehmungen im Blechpaket des Rotors 5 einsetzbar und werden dort durch Vergussmasse in den Ausnehmungen gehalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten (6) durch folgende Schritte: – abwechselndes Schütten (1) von Magnetpulver und Einbringen einer Zwischenlage (4) aus vergleichsweise elektrisch gering leitendem Material in eine vorgebbare Form (2), die der Formgebung eines Rohlings des Permanentmagneten (6) entspricht, – Sintern des aus der vorgebenden Form ergebenden Rohlings.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (4) durch Pulver oder Blättchen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (4) eine Keramik- oder Polymerverbindung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Schüttung und/oder Einbringen einer Zwischenlage (4) eine Pressung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetisierung während der Herstellung des Schüttens Rohlings oder nach dem Sintern erfolgt.
Einstückiger Permanentmagnet (6), der Mittel zur Wirbelstromreduzierung, insbesondere zumindest eine Zwischenlage (4) aufweist, wobei der Permanentmagnet (6) nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde.
Rotor (5) einer dynamoelektrischen Maschine mit zumindest einem Permanentmagnet (6) nach Anspruch 6.
Rotor (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (6) an der Oberfläche oder in axialen verlaufenden Ausnehmungen eines Blechpakets des Rotors (5) angeordnet sind.
Dynamoelektrische Maschine mit einem Rotor (5) nach Anspruch 8 oder 9.