DE102012210081A1 - Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten mit einem fokussierten Energiestrahlverfahren, wobei ein wenigstens ein magnetisches Material umfassender Werkstoff gesintert wird. Als fokussiertes Energiestrahlverfahren wird insbesondere das selektive Lasersintern verwendet. Durch den Laser erfolgt eine ortsgenaue regelbare kurzzeitige Energiebeaufschlagung des Werkstoffs. Dies führt zum Erhalt der Mikrostruktur bei gleichzeitigem Aufbau komplexer Endkonturformen. Korngrößenwachstum wird dabei verhindert. Dadurch verringern sich Wirbelstromverluste während des Betriebs des Permanentmagneten, beispielsweise in Elektromotoren. Weiterhin wird beim selektiven Lasersintern direkt der magnetisches Material umfassende Werkstoff gesintert. Die dabei eingeschlossene Luft dient zusätzlich als Isolierung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten.
  • Werkstoffe aus seltenen Erden gewinnen in unterschiedlichen Bereichen zunehmend an Bedeutung. Seltene Erden finden ihren Einsatz beispielsweise in Leuchtstoffen für Energiesparlampen, in Generatoren für Windenergieanlagen und Elektromotoren für Antriebe. Permanentmagnete in Generatoren bzw. Elektromotoren basieren insbesondere auf der Seltenerd-Verbindung Neodym-Eisen-Bor (Nd2Fe14B).
  • Permanentmagneten werden derzeit entweder metallurgisch oder als Verbundmaterialien aus Magnetpartikeln und Kunststoff hergestellt. Im letzteren Fall wird das Pulver aus den Magnetpartikeln, die ihrerseits eine nanoskalige Struktur aufweisen, mit einer Kunststoffmatrix gemischt und kalt vorgepresst. Die Magnetpartikel werden dann in einem Magnetfeld ausgerichtet und anschließend zur Polymervernetzung warm gepresst. Nachteilig besitzen diese Permanentmagneten einen sehr hohen Kunststoffanteil, der die magnetischen Eigenschaften verschlechtert. Bei gleichen magnetischen Eigenschaften vergrößert sich dadurch das Volumen des Permanentmagneten.
  • Alternativ erfolgt die Herstellung der Permanentmagnete derzeit pulvermetallurgisch. Dabei wird der Permanentmagnet aus feinen Pulvern, mit Korngrößen im Bereich weniger µm, als Sintermagnet hergestellt. Während des Sinterprozesses findet ein Kornwachstum der magnetischen Partikel statt. Dies führt zu einer hohen metallischen Leitfähigkeit der Seltenerdverbindung. Diese wiederum führt bei hohen Drehzahlen von Elektromotoren mit einem solchen Permanentmagnet zu Wirbelstromverlusten. Diese reduzieren die Effektivität des Permanentmagnets nachteilig. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der mit den Wirbelstromverlusten einhergehenden Erwärmung des Permanentmagneten und der damit verbundenen Reduzierung der Ummagnetisierungsstabilität.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Permanentmagneten anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet.
  • Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Herstellung eines Permanentmagneten ein fokussierter Energiestrahl verwendet. Dabei wird ein wenigstens ein magnetisches Material umfassender Werkstoff gesintert. Vorteilhaft wird beim Sintern ein rascherstarrtes Magnetpulver eingesetzt, das eine nanoskalige Mikrostrutur aufweist, und das beim Anschmelzen eine elektrisch isolierende Korngrenzphase bildet, wodurch Wirbelstromverluste verringert werden. Diese elektrisch isolierende Korngrenzphase wird dadurch erreicht, dass der Werkstoff während des Sinterns nur angeschmolzen wird und somit seine Mikrostruktur erhalten bleibt. Vorteilhaft erfolgt kein komplettes Umschmelzen des Werkstoffs und somit kein Korngrößenwachstum innerhalb der Partikel. Die unvollständige Sinterung verringert vorteilhaft Wirbelstromverluste im Permanentmagneten.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird als fokussiertes Energiestrahlverfahren das selektive Lasersintern verwendet. Durch den Laser erfolgt eine ortsgenaue regelbare Energiebeaufschlagung des Werkstoffs. Dies führt zum Erhalt der Mikrostruktur bei gleichzeitigem Aufbau komplexer Endkonturformen. Korngrößenwachstum wird vorteilhaft verhindert. Weiterhin wird beim selektiven Lasersintern direkt der magnetisches Material umfassende Werkstoff als poröser Körper gesintert. Die dabei eingeschlossene Luft dient als Isolierung. Dadurch verringern sich Wirbelstromverluste vorteilhaft.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird als fokussiertes Energiestrahlverfahren ein Elektronenstrahlverfahren verwendet. Der Energieeintrag ist beim Elektronenstrahlverfahren schnell und gut dosierbar. Dadurch wird der magnetische Partikel umfassende Werkstoff nur angeschmolzen. Die Mikrostruktur bleibt erhalten, ohne dass Korngrößenwachstum erfolgt. Dadurch verringern sich die Wirbelstromverluste im Permanentmagneten vorteilhaft.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird als Werkstoff wenigstens ein nicht-metallisches Material als Isolierwerkstoff verwendet. Insbesondere sind dies Glas und/oder ein Polymer. Der Einbau dieses nicht-metallischen Materials erhöht die mechanische Stabilität und gleichzeitig den elektrischen Widerstand. Dadurch werden Wirbelstromverluste vorteilhaft vermindert. Durch den direkten Einbau des nicht-metallischen Materials in den Permanentmagneten werden vorteilhaft zusätzliche Prozessschritte, wie Zerschneiden und Kleben des Permanentmagneten zum Einbringen eines nicht-metallischen isolierenden Materials, vorteilhaft eingespart.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung beträgt der Gewichtsanteil nicht-metallischen Materials weniger als 10%. Ein derartig geringer Anteil des nicht-metallischen Materials im Permanentmagneten führt vorteilhaft zu einer kleineren Größe des Permanentmagneten bei gleichen magnetischen Eigenschaften.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung werden wenigstens zwei Schichten mit unterschiedlichen Anteilen magnetischen Materials und nicht-metallischen Materials gesintert. Der Energieeintrag, der zum Sintern des Werkstoffs benötigt wird, wird dabei für jede Schicht dosiert.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Permanentmagnet als ein Gradientenbauteil mit wenigstens zwei Werkstoffen hergestellt. Durch den Einsatz unterschiedlicher Materialien können die Eigenschaften des Permanentmagneten vorteilhaft verändert werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Permanentmagnet als ein Gradientenbauteil mit wenigstens zwei mechanischen Werkstoffeigenschaften hergestellt. Diese mechanischen Werkstoffeigenschaften sind insbesondere Porosität und/oder Dichte des Gradientenbauteils.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Permanentmagnet als ein Gradientenbauteil mit wenigstens zwei Werkstoffschichten unterschiedlicher Geometrien hergestellt wird. Es können vorteilhaft komplexe endkonturnahe Geometrien erzeugt werden.
  • Weiterhin ist es möglich einen Permanentmagneten als Gradientenbauteil herzustellen, bei dem sich der Gradient auf die Werkstoffe, die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe und die Geometrie bezieht.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert.
  • Die Figur zeigt schematisch die Herstellung eines Permanentmagneten 1 mittels eines beispielhaften Verfahrens entsprechend der Erfindung. Dabei wird der Permanentmagnet 1 in diesem Beispiel einer ersten Schicht 7 und einer zweiten Schicht 8 gebildet. Beide Schichten 7, 8 werden mittels eines Laserstrahls 2 gesintert, wobei der Arbeitsbereich 9 des Laserstrahls die Schichten bei der Herstellung von einem Ende der Schicht 7, 8 zum anderen Ende der jeweiligen Schicht 7, 8 überstreicht.
  • Das Ausgangsmaterial der ersten Schicht 7 ist dabei ein Pulver aus magnetischem Material 6, bevorzugt aus sphärischen Partikeln, mit Neodym-Eisen-Bor (Nd2Fe14B). Diese werden im Arbeitsbereich 9 das Laserstrahls 2 erwärmt und zu versintertem Werkstoff 3. Die sphärische Form des magnetischen Materials 6 bleibt während des Sinterns nahezu erhalten, ohne dass Korngrößenwachstum stattfindet. Es entsteht eine Korngrenzphase 4. Diese Korngrenzphase 4 hat elektrisch isolierende Eigenschaften. Dadurch verringern sich die Wirbelstromverluste im Permanentmagneten 1 beim Betrieb in beispielsweise einem Elektromotor oder Generator. Während des Sinterns bleibt auch Luft, die im magnetischen Material 6 zwischen den Körnern eingeschlossen war, eingeschlossen. Die eingeschlossene Luft 10 wirkt ebenfalls elektrisch isolierend, so dass Wirbelstromverluste weiter verringert werden.
  • Das Sintern kann anstelle von an Luft auch unter Schutzgasatmosphäre, bevorzugt unter Stickstoff oder Argon, erfolgen, so dass diese Gase eingeschlossen werden und isolierend wirken.
  • Die ebenfalls lasergesinterte zweite Schicht 8 umfasst als magnetisches Material 6 in diesem Beispiel ebenfalls Neodym-Eisen-Bor, zusätzlich aber auch Glaspartikel 11 als nicht-metallisches Material und daneben noch eingeschlossene Luft 10. Auch in der zweiten Schicht 8 bleibt die sphärische Form des magnetischen Materials 6 während des Sinterns nahezu erhalten, ohne dass Korngrößenwachstum im Partikel stattfindet. Das Einbringen von nicht-metallischen Material erfolgt mit einem maximalen Gewichtsanteil < 10 %, bevorzugt < 5%. Dadurch sinkt die Größe des Permanentmagneten 1 bei konstanten magnetischen Eigenschaften im Vergleich zu derzeit eingesetzten Permanentmagneten mit einem Gewichtsanteil an nicht-metallischen Materialien von 20%.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kommt an der Stelle des Laserstrahls 2 ein Elektronenstrahl zum Einsatz. Dieser kann analog zum Laserstrahl 2 verwendet werden, um eine Sinterung des magnetischen Materials 6 vorzunehmen.
  • Die Vorteile des Laserstrahls 2 bleiben dabei erhalten, d.h. auch hier findet wenig oder kein Größenwachstum der Partikel im magnetischen Material statt und die Partikel werden vorteilhaft nur geringfügig miteinander verschmolzen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten (1) mit einem fokussierten Energiestrahlverfahren, wobei ein wenigstens ein magnetisches Material (6) umfassender Werkstoff gesintert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als fokussiertes Energiestrahlverfahren selektives Lasersintern verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als fokussiertes Energiestrahlverfahren ein Elektronenstrahlverfahren verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei als Werkstoff wenigstens ein nicht-metallisches Material, insbesondere Glas (11) und/oder ein Polymer, verwendet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Gewichtsanteil nicht-metallischen Materials (6) kleiner als 10% eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei wenigstens zwei Schichten (7, 8) mit unterschiedlichen Anteilen magnetischen Materials (6) und nicht-metallischen Materials gesintert werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Permanentmagnet (1) als ein Gradientenbauteil mit wenigstens zwei Werkstoffen (6, 11) hergestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Permanentmagnet (1) als ein Gradientenbauteil mit wenigstens zwei mechanischen Werkstoffeigenschaften, insbesondere Porosität und/oder Dichte, hergestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Permanentmagnet (1) als ein Gradientenbauteil mit wenigstens zwei Werkstoffschichten unterschiedlicher Geometrien hergestellt wird.
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