DE102012210310A1

DE102012210310A1 - Anordnung und Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten

Info

Publication number: DE102012210310A1
Application number: DE201210210310
Authority: DE
Inventors: Iris Hahn; Ute Liepold; Roman Karmazin
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2013-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Permanentmagneten und ein Verfahren zur Herstellung des Permanentmagneten. Der Permanentmagnet umfasst wenigstens einen ersten Film mit magnetischen Partikeln und wenigstens einen zweiten Film mit Dysprosium. Die Filme sind als Stapel angeordnet und der zweite Film mit Dysprosium ist an wenigstens einer Außenseite des Permanentmagneten angeordnet, da Dysprosium an der Außenseite des Magneten wirkt. Es ist nicht homogen im gesamten Permanentmagneten verteilt. Dadurch sinkt der Dysprosiumgehalt im Permanentmagnet. Das Verfahren zur Herstellung des Permanentmagneten umfasst die Herstellung eines ersten Schlickers mit magnetischen Partikeln mit einer ersten Ausdehnung und organische Komponenten. Dieser Schlicker wird als ein erster Film auf eine Trägerfolie aufgetragen. Die Trägerfolie wird dann an einem Rakel vorbei geführt. Zwischen Rakel und der Trägerfolie verbleibt ein Spalt mit einer Spalthöhe kleiner als die erste Ausdehnung zur mechanischen Ausrichtung der magnetischen Partikel. Durch das Anlegen eines Magnetfelds an die Trägerfolie erfolgt die magnetische Ausrichtung der magnetischen Partikel.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten.
Werkstoffe aus seltenen Erden gewinnen in unterschiedlichen Bereichen zunehmend an Bedeutung. Seltene Erden finden ihren Einsatz beispielsweise in Energiesparlampen, Elektromotoren und Windenergieanlagen.
Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien nimmt die Anzahl von Windanlagen derzeit rasant zu. Sie benötigen Dauermagneten, insbesondere basierend auf Nd₂Fe₁₄B, für ihre Generatoren. Die Verwendung der seltenen Erde Dysprosium im Dauermagneten erhöht seine Koerzitivfeldstärke und sorgt zudem für Temperaturstabilität. Insbesondere Dysprosium findet man in den derzeit bekannten Lagerstätten weltweit nur in geringen Mengen.
Permanentmagneten werden derzeit als Verbundmaterialien aus Magnetpartikeln und Kunststoff hergestellt. Das Pulver wird dabei 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 reduziert.
Alternativ erfolgt die Herstellung der Permanentmagnete derzeit pulvermetallurgisch. Dabei wird der Permanentmagnet aus feinen, nanoskaligen Pulvern als Sintermagnet hergestellt. Vor dem Sintern werden die Partikel in einem Magnetfeld ausgerichtet. Diese Ausrichtung wird aber nachteilig durch das Kornwachstum während des Sinterprozesses teilweise wieder vernichtet.
Weiterhin haben beide Herstellungsprozesse den Nachteil, dass das Dysprosium im gesamten Permanentmagneten homogen verteilt ist, obwohl es nur an der Permanentmagnetoberfläche wirkt. Hierdurch wird unnötig viel des Dysprosiums verbraucht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Herstellung eines Permanentmagneten anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren und hinsichtlich der Anordnung durch die in Anspruch 12 angegebene Anordnung gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten wird ein Schlicker, der magnetische Partikel mit einer ersten Ausdehnung und organische Komponenten umfasst, hergestellt. Ein erster Film des Schlickers wird auf eine Trägerfolie aufgetragen. Die Trägerfolie wird derart an einem Rakel vorbei geführt, dass zwischen Rakel und der Trägerfolie ein Spalt mit einer Spalthöhe kleiner als die erste Ausdehnung zu mechanischen Ausrichtung der magnetischen Partikel verbleibt.
Der erfindungsgemäße Permanentmagnet umfasst wenigstens einen ersten Film aus einem ersten Schlicker mit magnetischen Partikeln. Weiterhin umfasst er wenigstens einen zweiten Film aus einem zweiten Schlicker mit Dysprosium, wobei die Filme als Stapel angeordnet sind und der zweite Film an wenigstens einer Außenseite des Permanentmagnets angeordnet ist.
Damit wird vorteilhaft erreicht, dass die mechanische Ausrichtung der magnetischen Partikel in dem Film erfolgt und der Permanentmagnet somit ohne den Einsatz einer Kunststoffmatrix herstellbar ist. Die magnetischen Eigenschaften werden dann nicht reduziert. Durch die variable Einstellung des Spalts zwischen Rakel und Trägerfolie kann die mechanische Ausrichtung für unterschiedliche magnetische Partikeldimensionen erfolgen.
Der erste Film umfasst bevorzugt eine Dicke von 50 bis 300 µm. Die magnetischen Partikel liegen insbesondere als Flakes, insbesondere mit einer ersten Ausdehnung von 300 µm und einer Länge und Breite von 30 µm, vor. Die magnetischen Partikel umfassen insbesondere Neodym-Eisen-Bor (Nd₂Fe₁₄B). Die organischen Komponenten umfassen Dispergatoren, insbesondere kurzkettige Polymere, Bindesysteme, insbesondere mittel- und langkettige Polymere, Weichmacher und/oder Lösungsmittel, insbesondere Alkohole. Der Gewichtsanteil organischer Komponenten im ersten Film liegt bevorzugt zwischen 20% bis 30%.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird die Trägerfolie an einem Magnetfeld vorbeigeführt, um die magnetischen Partikel auszurichten. Damit wird vorteilhaft erreicht, dass die mechanische und magnetische Ausrichtung der magnetischen Partikel in einem Herstellungsprozess erfolgt. Es entfällt das kalte Vorpressen einer Kunststoffmatrix, was den Herstellungsprozess vorteilhaft vereinfacht. Auch die magnetische Ausrichtung der magnetischen Partikel bleibt vorteilhaft im Herstellungsprozess bestehen und unterliegt nicht der im Sinterverfahren auftretenden teilweisen Aufhebung der Ausrichtung der magnetischen Partikel.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird ein zweiter Film aus einem zweiten Schlicker mit Dysprosium hergestellt. Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass die Koerzitivfeldstärke und die Temperaturstabilität des Permanentmagneten erhöht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung werden wenigstens zwei Filme gestapelt und laminiert. Vorteilhaft wird dadurch die gewünschte Dicke des Permanentmagnets hergestellt. Weiterhin ist es möglich, den zweiten Film, welcher Dysprosium umfasst, an wenigstens einer Außenseite des Permanentmagnets anzuordnen. Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass die seltene Erde Dysprosium nur dort vorhanden ist, wo sie wirkt. Der Dysprosiumanteil im gesamten Permanentmagnet wird dadurch vorteilhaft verringert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung werden die Filme uniaxial oder isostatisch zu einem Laminat verbunden. Dabei wird vorteilhaft erreicht, dass wenigstens zwei Filme fest zu einem Permanentmagnet miteinander verbunden sind.
Alternativ wird das Laminat mittels Polymerisation erzeugt. Dabei wird vorteilhaft erreicht, dass wenigstens zwei Filme fest zu einem Permanentmagnet miteinander verbunden sind, wobei vorteilhaft ein weiterer Prozessschritt zur Laminierung eingespart wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird das Laminat gesintert oder heißgepresst.
Zweckmäßig werden alle Filme getrocknet, um das Lösungsmittel möglichst vollständig zu entfernen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der erste und/oder zweite Film zu einer Zielgeometrie zugeschnitten. Vorteilhaft wird dabei eine beliebige Form hergestellt, wobei es keiner neuen Pressformen für unterschiedliche Zielgeometrien bedarf.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert.
1 zeigt ein schematisches Bild der Herstellung eines Permanentmagneten.
2 zeigt die schematische Anordnung eines Permanentmagneten.
Die in 1 schematisch dargestellte Anordnung für die Herstellung eines Permanentmagneten 1 umfasst eine Trägerfolie 2, einen ersten Trichter 10, einen Rakel 5 und Magnete 6 zur Erzeugung eines Magnetfelds. In den Trichter 10 wird ein erster Schlicker 3 gefüllt, welcher magnetische Partikel 4 mit zwei Polen (hell und dunkel) und mit einer ersten Ausdehnung 13 von 300 µm umfasst. Weiterhin umfasst der erste Schlicker 3 organische Komponenten. Die organischen Komponenten umfassen als Dispergatoren kurzkettige Polymere, um die magnetischen Partikel 4 homogen in dem ersten Schlicker 3 zu verteilen, als Bindesysteme mittel- und langkettige Polymere, Weichmacher zum Flexibilitätserhalt und das Lösungsmittel Toluol. Der Gewichtsanteil organischer Komponenten im ersten Film liegt bevorzugt zwischen 20% bis 30%. Der erste Schlicker 3 wird mittels des Trichters 10 auf die Trägerfolie 2 aufgebracht und bildet dort einen ersten Film 7.
Der erste Film 7 wird mit Hilfe der Trägerfolie 2 an dem Rakel 5 vorbeigeführt. Der Abstand zwischen dem Rakel 5 und der Trägerfolie 2 beträgt 50 µm und ist damit kleiner als die erste Ausdehnung 13 von 300 µm der magnetischen Partikel 4. Er ist aber größer als die anderen lateralen Ausdehnungen der magnetischen Partikel 4, die in diesem Beispiel 30 µm betragen. Dadurch werden die magnetischen Partikel 4 durch das Führen des ersten Films 7 auf der Trägerfolie 2 an dem Rakel 5 vorbei mechanisch ausgerichtet. Weiterhin wird der erste Film 7 zu einem Film 8 mit somit mechanisch ausgerichteten magnetischen Partikeln auf der Trägerfolie 2 und wird nun an den Magneten 6 vorbeigeführt. Dort werden die magnetischen Partikel 4 magnetisch ausgerichtet (in diesem Beispiel die Ausrichtung der hellen und dunklen Pole der magnetischen Partikel 4 im veränderten Film 9). Auf der Trägerfolie 2 befindet sich nun ein veränderter Film 9 mit mechanisch und magnetisch ausgerichteten magnetischen Partikeln. Die Zugabe des ersten Schlickers 3 wird kontinuierlich durchgeführt. Alternativ ist es möglich, die Zugabe des ersten Schlickers 3 diskontinuierlich durchzuführen. Weiterhin kann die Trocknungszeit des ersten Films 7 durch Verdampfen des Lösungsmittels über die Geschwindigkeit des Führens der Trägerfolie 2 eingestellt werden. Erfolgt das Führen der Trägerfolie 2 mit hoher Geschwindigkeit, so ist die Trocknungszeit zum Verdampfen des Lösungsmittels kürzer, bis der Film von der Trägerfolie 2 gelöst wird.
2 zeigt einen Permanentmagneten 1, welcher zwei zweite Filme 12 mit Dysprosium 11 und vier gestapelte veränderte Filme 9 mit mechanisch und magnetisch ausgerichteten magnetischen Partikeln 4 umfasst. Die Filme 9, 12 weisen bevorzugt jeweils eine Dicke von 50 µm auf, so dass die Dicke des Permanentmagneten 1 300 µm beträgt.
Vorteilhaft sind die beiden zweiten Filme 12 mit Dysprosium 11 derart angeordnet, dass sie sich jeweils an den Außenseiten des Permanentmagneten 1 befinden. Die Wirkung des Dysprosiums 11 ist somit gewährleistet, da sich dies an der Außenseite des Permanentmagneten 1 befindet. Da das Dysprosium 11 nicht homogen im Permanentmagneten 1 verteilt ist, sondern nur an den Außenseiten des Permanentmagneten 1 vorhanden ist, wird nur wenig Dysprosium 11 im Permanentmagneten 1 benötigt. Die Filme 9, 12 werden fest miteinander verbunden. Dies geschieht vorteilhaft mittels einer Polymerreaktion. Alternativ werden die verschiedenen Filme 9, 12 durch Sinter- oder Heißpressverfahren aneinander laminiert.
Eine andere Dicke des Permanentmagneten 1 lässt sich einfach über eine Variation der Anzahl der verwendeten und gestapelten Filme 9, 12 einstellen. Auch eine Zielgeometrie kann bevorzugt durch Ausschneiden der Filme 9, 12 erreicht werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten (1) mit folgenden Schritten: – Herstellung eines ersten Schlickers (3) umfassend magnetische Partikel (4) mit einer ersten Ausdehnung (13) und wenigstens einer organischen Komponente, – Auftragen eines ersten Films (7) aus dem ersten Schlicker (3) auf eine Trägerfolie (2), – Führen der Trägerfolie (2) an einem Rakel (5) vorbei derart, dass zwischen Rakel (5) und der Trägerfolie (2) ein Spalt mit einer Spalthöhe kleiner als die erste Ausdehnung (13) zur mechanischen Ausrichtung der magnetischen Partikel (4) verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Magnetfeld (6) an die Trägerfolie (2) zur magnetischen Ausrichtung der magnetischen Partikel (4) gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit einem zweiten Film (12) aus einem zweiten Schlicker mit Dysprosium (11).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem wenigstens zwei Filme in Stapeln angeordnet und laminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Filme uniaxial zu einem Laminat verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Filme isostatisch zu einem Laminat verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Laminat mittels Polymerisation erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Laminat gesintert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Laminat heißgepresst wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Film getrocknet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der erste und/oder zweite Film (7, 12) zu einer Zielgeometrie zugeschnitten wird.
Permanentmagnet (1) umfassend: – wenigstens einen ersten Film (7) aus einem ersten Schlicker (3) mit magnetischen Partikeln (4), – wenigstens einen zweiten Film (12) aus einem zweiten Schlicker mit Dysprosium (11), – wobei die Filme als Stapel angeordnet sind und – der zweite Film (12) an wenigstens einer Außenseite des Permanentmagneten (1) angeordnet ist.