DE102012218498A1

DE102012218498A1 - Dynamoelektrische Maschine mit einem mehrpoligen Rotor mit Permanentmagneten und deren Herstellung

Info

Publication number: DE102012218498A1
Application number: DE102012218498.8A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Vogel; Martin Scharrer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-04-17
Also published as: WO2014056773A2; WO2014056773A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine (6) mit einem mehrpoligen Rotor (5) der pro Pol (16) zumindest einen Permanentmagneten (1) aufweist, wobei ein geblecht ausgeführter Stator (8) mit einem in axial verlaufenden Nuten angeordneten Wicklungssystem (9) über einen Luftspalt (10) mit den Polen (16) des Rotors (5) elektromagnetisch wechselwirkt und so eine Rotationsbewegung (RB) um eine Rotationsachse (RA) bewirkt, wobei der Permanentmagnet (1) in Rotationsbewegungsrichtung (RB) des Rotors (5) zumindest vier Bereiche unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften aufweist, die zu einer Polmitte (11) des durch den Permanentmagnet (1) gebildeten magnetischen Pols (16) symmetrisch angeordnet sind, wobei die Oberfläche des Permanentmagneten (1) derart gestaltet ist, dass ein sinusförmiges Luftspaltfeld entsteht, indem die Polmitte (11) einen radial geringeren Luftspalt (10) als die Polränder (12) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einem mehrpoligen Rotor mit Permanentmagneten und die Herstellung derartiger Permanentmagneten.
Permanentmagnete dynamoelektrischer Maschinen weisen über ihre Oberfläche betrachtet gleichbleibende magnetische Eigenschaften auf. Dabei ist bei dynamoelektrischen Maschinen, beispielsweise der Rotor der dynamoelektrischen Maschine unterschiedlichen Temperaturen und magnetischen Gegenfeldern ausgesetzt. Dennoch werden in der Regel für diese Rotoren Permanentmagnete mit homogenen Eigenschaften verwendet, wobei sich dabei die maßgeblichen Parameter, wie Koerzitivfeldstärke oder Remanenz an der maximalen Anforderung an den Randbezirken oder der Mitte der Permanentmagnete bzw. magnetischen Pole des Rotors orientiert. Diese Permanentmagnete bzw. die Ausgestaltung der magnetischen Pole des Rotors werden somit nach punktuell auftretenden magnetischen Anforderungen ausgelegt. Dies verteuert die Permanentmagnete.
Ausgehend davon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrische Maschine zu schaffen, deren Permanentmagnete an die speziellen Bedürfnisse einer dynamoelektrische Maschine angepasst sind und somit die oben genannten Nachteile vermeiden. Des Weiteren soll ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung derartiger Permanentmagnete angegeben werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine dynamoelektrische Maschine mit einem mehrpoligen Rotor der pro Pol zumindest einen Permanentmagneten aufweist, wobei ein geblecht ausgeführter Stator mit einem in axial verlaufenden Nuten angeordneten Wicklungssystem über einen Luftspalt mit den Polen des Rotors elektromagnetisch wechselwirkt und so eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse bewirkt, wobei der Permanentmagnet in Rotationsbewegungsrichtung des Rotors zumindest vier Bereiche unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften aufweist, die zu einer Polmitte des durch den Permanentmagnet gebildeten magnetischen Pols symmetrisch angeordnet sind, wobei die Oberfläche des Permanentmagneten derart gestaltet ist, dass ein sinusförmiges Luftspaltfeld entsteht, indem die Polmitte einen radial geringeren Luftspalt als die Polränder aufweisen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ebenso durch ein Verfahren zur Herstellung von Permanentmagneten für Rotoren dynamoelektrischer Maschinen durch folgende Schritte:

– Schüttung unterschiedlicher vorgegebener Ausgangsmaterialen, beispielsweise Material A, Material B, Dysprosium in eine vorgegebene Volumeneinheit, die im Wesentlichen der Endform des Permanentmagneten entspricht,
– Schüttung derart, dass durch die Art der Schüttung in der Volumeneinheit die Eigenschaften des Permanentmagneten wie Remanenz und/oder Koerzitivfeldstärke lokal innerhalb der Volumeneinheit gezielt beeinflusst werden,
– Sintern des Materialgemisches der Volumeneinheit,
– zeitgleiches oder zeitversetztes Aufmagnetisieren des in der Volumeneinheit befindlichen Materialgemisches.

Es wird beispielsweise durch den Einsatz von dysprosiumreduzierten Volumenbestandteilen innerhalb des Permanentmagneten die Magnetkraft, also die Remanenz erhöht und/oder das Magnetvolumen verringert. Dies ist insbesondere bei einer dynamoelektrischen Maschine im Rotor dann der Fall, wenn ein Magnet, in Umfangsrichtung betrachtet in seiner Polmitte bzgl. der magnetischen Eigenschaften anders auszubilden ist als in den Randbezirken. In den Randbezirken – also an den Polenden soll die Magnetkraft reduziert und die Koerzitivfeldstärke erhöht werden. Auch dies gelingt durch dementsprechende Dotierung bzw. Schüttung der Ausgangsmaterialien.
Entscheidend ist dabei, dass das Luftspaltfeld nahezu sinusförmig ausgebildet ist und dabei auch eine Langzeitstabilität also eine reduzierte Schwindung aufweist. Dies wird beispielsweise durch Elemente wie C, Al, Co, Ni, CU oder SN erreicht.
Das Verfahren zur Herstellung eines Seltenerden-Permanentmagneten umfasst das Sintern eines Pulvers. Erfindungsgemäß wird nun durch gezielte Schüttung unterschiedlicher Ausgangsmaterialien, insbesondere pulverförmiger Ausgangsmaterialien unterschiedlicher Materialeigenschaften und/oder unterschiedlicher Korngröße u.a. die örtlichen magnetischen Eigenschaften des Permanentmagneten gezielt beeinflusst.
Diese Ausgangsmaterialien werden vorzugsweise in eine Volumeneinheit gegeben, die der späteren Magnetform, insbesondere auf einem Rotor entsprechen soll. Diese Formgebung orientiert sich zum Beispiel an den gewünschten Radien der Oberfläche des Magneten und den Radien auf der der Oberfläche des Rotors zugewandten Seite des Magneten. Damit wird ein teures Nacharbeiten der Magnete, wie Schleifen oder Sägen der Permanentmagnete vermieden.
Durch eine geeignete Schüttung von Pulvern mit unterschiedlicher Korngröße, unterschiedlichen Dysprosiumgehalt oder unterschiedlicher Zusammensetzung, also Volumenverteilung innerhalb der vorgegebenen Volumeneinheit, wird durch Sintern dieser Volumeneinheit der Permanentmagnet hergestellt. In diesem gesinterten Permanentmagneten sind damit – je nach Anforderung an den Permanentmagneten – innerhalb des Magneten Bereiche unterschiedliche Gegenfeldstabilität und/oder Remanenz geschaffen. Es stellen sich somit innerhalb des Permanentmagneten örtlich unterschiedliche Eigenschaften ein.
Damit wird erfindungsgemäß eine radiale und/oder tangentiale Verteilung der magnetischen Eigenschaften des Permanentmagneten geschaffen.
Vorteilhafterweise sind die Übergänge dieser Parameter zwischen den Bereichen stetig ausgebildet. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass an den jeweiligen Übergängen beispielsweise die Konzentrationen der Materialien lediglich allmählich und nicht schlagartig geändert werden.
Die Übergänge können sich aber auch in vorgebbaren Stufen ausbilden. Entscheidend ist dabei, wie genau die jeweiligen örtlichen Eigenschaften im Permanentmagneten einzustellen sind.
Erfindungsgemäß ist nun eine optimale Ausnutzung der eingesetzten Rohstoffe, unter anderem der schweren Seltenerden, wie z.B. Dysprosium oder Tb durch die gezielte Dotierung zu den Ausgangsmaterialien gegeben, so dass eine unnütze Aufwendung bzw. unnützer Einsatz derartiger Materialien vermieden wird. Als Ausgangsmaterialien dienen beispielsweise Kristalle des Nd₂-Fe₁₄-B-Typs.
Somit liegen die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Permanentmagnete nur geringfügig über den bisherigen Herstellungskosten da zur Herstellung der Permanentmagnete keine zusätzlichen Prozessschritte notwendig sind. Erfindungsgemäß wird die Dotierung bzw. Schüttung der verschiedenen Ausgangsmaterialien nunmehr gezielt durchgeführt, indem die Konzentrationen, die Verteilung, die Korngrößen und die Dichte der Ausgangsmaterialien prozessual über geeignete Vorrichtungen gesteuert wird.
Unter Remanenz, magnetischer Hysterese versteht man jene magnetische Flussdichte, die ein vorher durch ein externes Magnetfeld magnetisiertes Teilchen nach Entfernen des äußeren Feldes beibehält. Die magnetische Flussdichte wird in diesem Zusammenhang auch als Magnetismus bezeichnet.
Dysprosium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol DY und der Ordnungszahl 66. Es zählt zu der Gruppe der Lanthanoide und ist damit ein Metall der seltenen Erden. Dysprosium wird in Permanentmagneten verwendet und erhöht z.B. in Neodymeisen pro Permanentmagneten die Koerzitivfeldstärke und erweitert den nutzbaren Temperaturbereich.
Als magnetische Koerzitivfeldstärke bezeichnet man die magnetische Feldstärke die notwendig ist, um eine ferromagnetische Substanz vollständig zu entmagnetisieren so dass der resultierende Gesamtfluss gleich Null ist. Je höher die Koerzitivfeldstärke ist, desto besser behält ein Magnet seine Magnetisierung wenn er einem Gegenfeld ausgesetzt ist.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen prinzipiellen Längsschnitt einer dynamoelektrischen Maschine,
2 Permanentmagneten auf einem Rotor,
3 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Permanentmagneten,
4 einen Einsatz eines Permanentmagneten auf einem Rotor,
5 Schichtungen eines Permanentmagneten.
1 zeigt in schematischen Längschnitt eine dynamoelektrische Maschine 6 mit einem geblechten Stator 8, in dessen nicht näher dargestellten Nuten ein Wicklungssystem 9 untergebracht ist. Über einen Luftspalt 10 tritt zwischen einem Rotor 5 mit Permanentmagneten 1 und dem Stator 8 eine elektromagnetische Wechselwirkung ein, die zu einer Rotationsbewegung (RB) einer Welle 7 um die Rotationsachse (RA) führt.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Rotors 5, der an seiner Oberfläche Permanentmagnete 1 aufweist, die dort magnetische Pole 16 ausbilden. In diesem Fall bildet – in Umfangsrichtung betrachtet – jeder Permanentmagnet 1 einen Pol 16 aus. Die Permanentmagnete 1 weisen in ihrer Polmitte 11 eine radial größere Dicke auf als an ihrem Polrändern 12. Diese geometrische Ausgestaltung des Permanentmagneten 1 trägt zur Ausgestaltung eines sinusförmigen Luftspaltfeldes bei. Die magnetischen Pole 16 sind in Umfangrichtung betrachtet durch eine Pollücke 13 voneinander beabstandet.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Permanentmagneten 1 kann nunmehr das Luftspaltfeld weiter einer Sinusform angenähert werden. Dadurch reduzieren sich die Rastmomente der dynamoelektrischen Maschine 6.
Dabei wird der Permanentmagneten 1 gemäß 3 aus unterschiedlichen geschütteten Pulvern der Materialien A und Materialien B aufgebaut. Durch die vorgegebene Art der Schüttung, d.h. der Korngröße, der Verteilung, der Dichte der unterschiedlichen Materialien, kann nunmehr die Eigenschaften eines einzelnen Permanentmagneten 1 innerhalb seiner Volumeneinheit unterschiedlich ausgeführt werden. Dies bedeutet, dass an den Randbezirken eines Permanentmagneten 1, unabhängig von seiner Form, ob also nun quaderförmig oder schalenförmig eine andere Koerzitivfeldstärke oder Remanenz im Herstellungsprozess einstellbar ist, wie in der Mitte des Permanentmagneten 1.
Vorzugsweise wird der Übergang dieser unterschiedlichen Werte vom Rand bis in die Mitte des Permanentmagneten 1 stetig verlaufend gestaltet werden. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das Herstellungsverfahren in eine vorgebbare Anzahl von sich wiederholenden Einzelschritten unterteilt ist, wie schütten mit vorgebbarem Mischungsverhältnissen – sintern, mischen mit einem anderen abgewandelten Mischungsverhältnis – sintern ... . Dies wird so oft wiederholt bis die Form des Permanentmagneten 1 gefüllt ist.
Es sind aber auch andere Herstellungsverfahren vorstellbar, um einen Permanentmagneten 1 mit einem vorgegebenen Mischungsverhältnis der oben genannten Ausgangsmaterialien zu erhalten.
In 4 ist der prinzipielle Einsatz eines Permanentmagneten 1 auf oder an einem Rotor 5 dargestellt. Dabei ist entscheidend, dass der Permanentmagnet 1 derartig ausgeführt ist, dass er eine optimale Magnetfeldverteilung im Luftspalt 10 einer dynamoelektrischen Maschine 6 schafft, bei vorgegebener Gegenfeldstabilität und/oder Temperaturkonstanz der Permanentmagnete 1.
5 zeigt an einem Permanentmagneten 1, dass sowohl eine radiale Schichtung 14 und/oder eine tangentiale Schichtung 15 möglich ist. Damit werden die örtlichen notwendigen magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten 1 gezielt eingestellt. In jeder einzelnen Schichtung 15, 14 lässt sich nun verfahrenstechnisch eine Verteilung von Ausgangsmaterialien beispielsweise gemäß 3 einstellen. Es werden somit insbesondere die teuren Magnetmaterialien, wie beispielsweise Dysprosium lokal im Permanentmagneten 1 nur noch dort eingesetzt, wo sie für einen hocheffizienten Betrieb der dynamoelektrischen Maschine 6 erforderlich sind.
Die Permanentmagnete 1 bilden dabei einzeln oder in Gruppen angeordnet einen magnetischen Pol 16 des Rotors 5. Über die axiale Länge des Rotors 5 betrachtet, sind die Permanentmagnete 1 zur Vermeidung von Rastmomenten zusätzlich versetzt oder mit einem vorgebbaren Schrägungs- oder Staffelwinkel angeordnet.
In einer Weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsform befinden sich die Permanentmagnete 1 in einer axialen Ausnehmung des Blechpakets des Rotors 5, wobei dann die Permanentmagnete 1 auch als vergrabene Permanentmagnete 1 bezeichnet werden.
Am Herstellungsprozess der Permanentmagnete 1 ändert sich dabei nichts.

Claims

Dynamoelektrische Maschine (6) mit einem mehrpoligen Rotor (5) der pro Pol (16) zumindest einen Permanentmagneten (1) aufweist, wobei ein geblecht ausgeführter Stator (8) mit einem in axial verlaufenden Nuten angeordneten Wicklungssystem (9) über einen Luftspalt (10) mit den Polen (16) des Rotors (5) elektromagnetisch wechselwirkt und so eine Rotationsbewegung (RB) um eine Rotationsachse (RA) bewirkt, wobei der Permanentmagnet (1) in Rotationsbewegungsrichtung (RB) des Rotors (5) zumindest vier Bereiche unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften aufweist, die zu einer Polmitte (11) des durch den Permanentmagnet (1) gebildeten magnetischen Pols (16) symmetrisch angeordnet sind, wobei die Oberfläche des Permanentmagneten (1) derart gestaltet ist, dass ein sinusförmiges Luftspaltfeld entsteht, indem die Polmitte (11) einen radial geringeren Luftspalt (10) als die Polränder (12) aufweisen.
Dynamoelektrische Maschine (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an der dem Luftspalt (10) zugewandten Oberfläche des Permanentmagneten (1), insbesondere an den Polrändern (12) und der Polmitte (11) unterschiedliche Werte von Koerzitivfeldstärke und/oder Remanenz vorhanden sind.
Dynamoelektrische Maschine (6) mit einem Rotor (5), der Permanentmagnete (1) nach Anspruch 1 oder 2 aufweist.
Dynamoelektrische Maschine (6) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (1) an der Oberfläche des Rotors (5) oder in axial verlaufenden Ausnehmungen eines Blechpakets des Rotors (5) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung von Permanentmagneten (1) für Rotoren (5) dynamoelektrischer Maschinen (6) nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Schüttung unterschiedlicher vorgegebener Ausgangsmaterialen, beispielsweise Material A, Material B, schweres Seltenen-Erden-Material in eine vorgegebene Volumeneinheit, die im Wesentlichen der Endform des Permanentmagneten (1) entspricht, – Schüttung derart, dass durch die Art der Schüttung dieser Materialien in der Volumeneinheit die Eigenschaften des Permanentmagneten (1) wie Remanenz und/oder Koerzitivfeldstärke lokal innerhalb der Volumeneinheit gezielt beeinflusst werden, – Sintern des Materialgemisches der Volumeneinheit, – zeitgleiches oder zeitversetztes Aufmagnetisieren des in der Volumeneinheit befindlichen Materialgemisches.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schüttung der Ausgangsmaterialien, insbesondere Dysprosium im Verfahrensprozess, wie unterschiedliche Korngrößen, Volumenverteilung, Dichte gezielt gesteuert wird.