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Die Erfindung betrifft einen Permanentmagneten und ein Verfahren zur Herstellung des Permanentmagneten.
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Werkstoffe mit hohen Anteilen von Metallen der seltenen Erden gewinnen in unterschiedlichen Bereichen zunehmend an Bedeutung. Seltene Erden finden ihren Einsatz beispielsweise in Magnetmaterialien für Elektromotoren für Antriebe und in Generatoren für Windenergieanlagen. Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien wächst die Anzahl von Windanlagen und elektrischen Motoren derzeit rasant.
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Permanentmagneten werden derzeit kommerziell hauptsächlich pulvermetallurgisch hergestellt. Dabei wird der Permanentmagnet aus feinen Pulvern als Sintermagnet hergestellt. Diese Herstellungstechniken erlauben die Herstellung anisotroper Magnete durch Ausrichtung der Pulverteilchen im Magnetfeld vor dem Sintervorgang. Dies gilt sowohl für metallische Seltenerdmagnete als auch für keramische Hartferritmagnete.
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Die dauermagnetischen Eigenschaften von Permanentmagneten werden durch die Legierungszusammensetzung und durch die Mikrostruktur bzw. durch das Gefüge bestimmt. Die Hochleistung-Seltenerddauermagneten basieren insbesondere auf Nd2Fe14B. Durch eindomänige, nanoskalige Strukturen können in sogenannten keimbildungsgehärteten Magneten bereits hohe Koerzitivfeldstärken erreicht werden. Allerdings ist die Koerzitivfeldstärke in Standard-Sintermagneten aufgrund der mikrokristallinen Korngröße der Pulverteilchen im Bereich einiger Mikrometer begrenzt und muss durch Zulegierung von schweren Seltenerdmetallen Dysprosium oder Terbium erhöht werden. Insbesondere Dysprosium findet man in den derzeit bekannten Lagerstätten weltweit nur in geringen Mengen.
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Rotationsbewegungen im Betrieb von permanenterregten Generatoren und Motoren bewirken eine Induktion von Wirbelströmen im Magnetkreis, insbesondere den weichmagnetischen Flussleitstücken. Durch Paketierung zu Blechpaketen werden diese dort unterdrückt. Aufgrund des intrinsisch niedrigen spezifischen Widerstands der Permanentmagneten und ihres Massiv-Aufbaus werden auch dort Wirbelströme angeregt. Diese wirken zum einen dem äußeren magnetischen Moment entgegen, zum anderen führen sie zu einer zusätzlichen Erwärmung des Generators oder Motors.
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Beide Effekte führen zu einer effektiven Reduzierung des Koerzitivfeldes der Permanentmagneten. Um dieser Reduzierung entgegen zu wirken, werden nachteiligerweise größerer Mengen der Seltenerdmetalle Dysprosium und Terbium als Zulegierung zu den Permanentmagneten hinzugefügt.
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Eine Methode, um Wirbelstromverluste zu reduzieren stellt die Segmentierung von Sintermagneten dar. Bei diesem teuren und zeitaufwändigen Verfahren werden die Magnete parallel zur Haupt-Feldrichtung zerteilt und anschließend mit einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht, insbesondere Kunststoff, verbunden. Dieser Aufbau aus Segmenten erhöht je nach Dicke der Segmente den Wechselstrom-Widerstand des Magneten und reduziert die Ausbildung von Wirbelströmen. Nachteiligerweise führt diese Segmentierung zu einem Materialverlust. Des Weiteren besitzen diese Permanentmagneten einen Kunststoffanteil, der die magnetischen Eigenschaften verschlechtert. Bei gleichen magnetischen Eigenschaften vergrößert sich dadurch das Volumen des Permanentmagneten nachteilig. Weiterhin werden nachteilig aufwändige Bearbeitungsprozesse des Permanentmagneten benötigt, was die mechanischen Eigenschaften des Magneten negativ beeinflussen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Permanentmagneten und ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren und hinsichtlich des Permanentmagneten durch die in Anspruch 9 angegebene Anordnung gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Permanentmagnets werden erste Partikel aus einem magnetisch anisotropen Material bereitgestellt. Das Material weist permanentmagnetische Eigenschaften auf. Diese Partikel weisen eine Breite im Bereich von 20µm bis 2000µm, insbesondere von 50µm bis 300µm, und eine Höhe im Bereich von 10µm bis 50µm, insbesondere von 25µm bis 35µm, auf. Es werden weiterhin zweite Partikel aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer Ausdehnung im Bereich von 1µm bis 20µm, insbesondere von 1µm bis 15µm, bereitgestellt. Die ersten und zweiten Partikel werden zu einer ersten im Wesentlichen homogenen Mischung zusammengegeben. Die erste Mischung wird dann zu einem dichten Volumenmagneten kompaktiert. Anschließend erfolgt ein Urformen der ersten Mischung mittels Sinterns. Dabei wird die mikrokristalline Struktur der ersten und zweiten Partikel im Wesentlichen beibehalten. Im Unterschied zum klassischen Sintern erfolgt bei dieser Art des Urformens demnach kein Kornwachstum während des Sinterprozesses.
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Der erfindungsgemäße Permanentmagnet umfasst erste Partikel mit einer Breite im Bereich von 20µm bis 2000µm, insbesondere von 50µm bis 300µm, und einer Höhe im Bereich von 10µm bis 50µm, insbesondere von 25µm bis 35µm, aus einem anisotrop magnetischen Material und zweite Partikel mit einer Ausdehnung im Bereich von 1µm bis 20µm, insbesondere von 1µm bis 15µm, aus einem elektrisch isolierenden Material. Die zweiten Partikel sind derart angeordnet, dass sie jeden der ersten Partikel umgeben. Weiterhin sind die zweiten Partikel mit den ersten Partikeln über Sinterbrücken, insbesondere über physikalisch-chemische Bindungen, verbunden.
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Insbesondere werden diese Sinterbrücken durch ein Anschmelzen der Oberfläche der Partikel mit der geringeren Schmelztemperatur und ein anschließendes Erstarren der Verbindung zweier Partikel gebildet.
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Die magnetischen Kennwerte der ersten Partikel ähneln den magnetischen Kennwerten der bekannten Sintermagnete. Vorteilhafterweise maximiert der Einsatz der zweiten Partikel den frequenzabhängigen Wechselstrom-Widerstand des Permanentmagneten und reduziert somit die Wirbelstromverluste. Durch diese Begrenzung der Systemtemperatur ist eine vorteilhafte Reduktion des Anteils an seltenen Erden im Permanentmagnet möglich. Weiterhin erfolgt lediglich eine geringe Reduktion der magnetischen Eigenschaften der ersten Mischung im Vergleich zum Einsatz von ausschließlich ersten Partikeln.
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Ein weiterer Vorteil liegt in dem frei wählbaren Anteil an zweiten Partikeln im Permanentmagnet. Dieser ist derart wählbar, dass die isolierenden Bereiche, die durch die zweiten Partikel gebildet werden, die Wirbelstromverluste in einem je nach Anwendung vorgegebenen Ziel-Frequenzbereich unterdrücken.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung und Ausgestaltung der Erfindung werden als zweite Partikel ferrithaltige Partikel oder Glaspartikel verwendet. Vorteilhafterweise sind die Wirbelstromverluste dieser Permanentmagneten deutlich geringer als bei den bekannten Sintermagneten. Der Verzicht auf organische Bindungsmittel ermöglich vorteilhafterweise ein größeres magnetisches Energieprodukt und eine höhere Einsatztemperatur im Vergleich zu kunststoffgebundenen Magneten.
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Insbesondere der Einsatz von ferrithaltigen zweiten Partikeln im Größenbereich von µ-Metern, ermöglicht vorteilhafterweise ein signifikant höheres Energieprodukt im Vergleich zu Sintermagneten mit einem hohen Anteil, insbesondere von wenigstens 25 Gew%, an Hartferriten.
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Der Einsatz von Glaspartikeln als zweite Partikel ermöglicht vorteilhafterweise eine Erniedrigung der Verarbeitungstemperatur der ersten Mischung. Da Glas einen Schmelzpunkt deutlich unterhalb des Schmelzpunkts der ersten Partikel besitzt, ist für die Kontaktierung nur ein geringer Energieeintrag nötig. Die Glaspartikel erfüllen somit neben der Funktion als Isolator vorteilhafterweise auch eine Funktion als Bindemittel. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Glas während des Sinterprozesses nicht kristallisiert und wenn der Ausdehnungskoeffizient der zweiten Partikel im Bereich des Ausdehnungskoeffizienten der ersten Partikel liegt, da die Bindung der Partikel untereinander verbessert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung und Ausgestaltung der Erfindung ist der Gewichtsanteil ferrithaltiger Partikel kleiner als 0,2 oder der Gewichtsanteil an Glaspartikeln kleiner als 0,1.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung, erfolgt das Kompaktieren und Sintern in einem elektrischen Feld, insbesondere mittels des kapazitiven Entladungssinterns, das ein Kurzzeitsintern darstellt. Der Einsatz dieser Sintertechnik ermöglicht vorteilhaft eine Reduzierung der Sinterzeit. Weiterhin wird für die Herstellung eines Permanentmagneten weniger Energie verbraucht. Der im Vergleich zu klassischen Sintermethoden oder Heißpressverfahren zeitlich kurze Energieeintrag (wenige Millisekunden) unterbindet das Kornwachstum in den ersten Partikeln vorteilhaft nahezu vollständig. Die ersten Partikel bilden daher auch nach dem Sinterprozess eindomänige, nanoskalige Strukturen auf deren Basis bereits hohe Koerzitivfeldstärken erreicht werden können.
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Weiterhin ist es vorteilhafterweise mit diesem Sinterverfahren möglich, den Permanentmagneten nahe an der endgültigen Form des Permanentmagneten herzustellen. Im Falle einer notwendigen Segmentierung ist ein zeitintensives Zerteilen von Magneten und anschließendes Zusammenfügen der entstandenen Segmente vorteilhaft nicht nötig.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Kurzzeitsintern im elektrischen Feld in einer Pressform unter Druck, in der typischerweise die ersten Partikel vor dem Sintern in einem Magnetfeld ausgerichtet werden. Dies führt vorteilhaft zu einem anisotropen Magneten mit hoher magnetischer Energiedichte.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung werden die ersten Partikel mittels eines Rascherstarrungsverfahrens hergestellt. Die so hergestellten ersten Partikel weisen vorteilhafterweise eine nanokristalline Mikrostruktur auf, welche eine hohe Koerzitivfeldstärke ermöglicht. Diese wird durch eine Unterkühlung des magnetischen Materials der ersten Partikel in den amorphen Bereich und anschließender Wärmebehandlung unterhalb der kritischen Temperatur für das Kristallwachstum erzeugt. In einem sich anschließenden Umformungsprozess wird eine magnetische Vorzugsrichtung in den ersten Partikeln ausgebildet, so dass die ersten Partikel magnetisch anisotrop sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind die ersten Partikel plättchenförmig ausgebildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert.
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1 zeigt schematisch den Querschnitt und die Draufsicht zweier magnetisch anisotroper Plättchen mit einer geschlossenen Schicht von Glaspulverpartikeln.
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2 zeigt schematisch den Querschnitt und die Draufsicht zweier magnetisch anisotroper Plättchen, teilweise bedeckt von Glaspulverpartikeln.
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3 zeigt schematisch eine Anordnung zum kapazitiven Entladungssintern eines Permanentmagneten.
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4 zeigt schematisch den Querschnitt und die Draufsicht eines Ausschnitts des Permanentmagneten.
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1 zeigt einen Querschnitt und 2 eine Draufsicht zweier magnetisch anisotroper Plättchen 2 mit Glaspulverpartikeln 3. Die magnetisch anisotropen Plättchen 2 werden mit Hilfe eines Rascherstarrungsverfahrens hergestellt, so dass eindomänige nanoskalige Mikrostrukturen entstehen. In einem Umformungsprozess wird dabei eine magnetische Vorzugsrichtung 9 in den Plättchen ausgebildet.
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Die magnetisch anisotropen Plättchen 2 werden mit den Glaspulverpartikeln 3 gemischt. Die Glaspulverpartikel 3 sind um eine Größenordnung kleiner als die Plättchen 2. Die magnetisch anisotropen Plättchen 2 weisen eine Breite 13 von 200µm auf. Die Plättchen 2 weisen typischerweise eine Breite 13 im Bereich von 50µm bis 300µm auf. Die Höhe 14 der Plättchen beträgt 35µm. Die Höhe 14 der Plättchen 2 liegt typischerweise im Bereich von 10µm bis 50µm, insbesondere von 25µm bis 35µm. Die Glaspulverpartikel 3 weisen eine Ausdehnung 15 von 15µm auf. Die Ausdehnung 15 liegt typischerweise im Bereich von 1µm bis 15µm.
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Aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen haften die Glaspulverpartikel 3 auf den Plättchen 2. Die Glaspulverpartikel 3 bilden auf den Plättchen 2 entweder eine geschlossene Schicht (1) oder sie bedecken die Plättchen teilweise (2). Alternativ zu Glaspulverpartikeln 3 können auch ferrithaltige Partikel eingesetzt werden. Ferrithaltige Partikel weisen, wie die Glaspulverpartikel 3, eine typische Ausdehnung 15 im Bereich von 1µm bis 15µm auf.
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3 zeigt eine Anordnung zum kapazitiven Entladungssintern eines Permanentmagneten 10. In einem Hohlzylinder 7 befinden sich die magnetisch anisotropen Plättchen 2 und die Glaspulverpartikel 3. Die Glaspulverpartikel 3 bedecken die Plättchen 2, so dass sich zwischen zwei Plättchen 2 jeweils Glaspulverpartikel 3 befinden.
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Für das Urformen des Permanentmagneten 10 mittels Sinterns wird ein ultraschneller elektromagnetisch unterstützter Sinterprozess, das kapazitive Entladungssintern (engl.: „Capacitive Discharge Sintering“), verwendet. Das kapazitive Entladungssintern zählt zu den Feld-aktivierten Sintermethoden (FAST). Dabei fließt Strom 12, von einer ersten Elektrode 5 zu einer zweiten Elektrode 6 durch das Sintergut. Die typischen Entladungsspannungen liegen im Bereich von 5 bis 3500V. Der Strom ergibt sich aus dem Widerstand des Sinterguts. Dieser ändert sich während des Sinterprozesses. Beim kapazitiven Entladungssintern betragen die kapazitiven Entladungszeiten nur wenige Millisekunden (typischerweise 10 ms). Dies hat zur Folge, dass das Glühen und Kornwachstum der magnetisch anisotropen Plättchen 2 minimiert wird. Weiterhin wird hoher Druck 11, insbesondere 50 bis 500 MPa, auf das Sintergut aufgebracht. Zudem wird ein Magnetfeld angelegt, um die magnetisch anisotropen Plättchen 2 auszurichten.
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4 zeigt einen Ausschnitt des Permanentmagneten 10 mit magnetisch anisotropen Plättchen 2 und Glaspulverpartikeln 3. Die magnetische Vorzugsrichtung 9 der Plättchen 2 ist während des Sinterprozesses erhalten geblieben. Die Glaspulverpartikel 3 wirken elektrisch isolierend und erhöhen somit den spezifischen Widerstand des Permanentmagneten 10 im Vergleich zu einem Permanentmagneten ohne Glaspartikelzusatz. In Abhängigkeit der Menge der eingesetzten Glaspulverpartikel 3 können unterschiedliche Dicken der Isolationsschicht erzeugt werden. Der Anteil des Glaspulvers kann derart gewählt werden, dass die Wirbelströme in bestimmten Frequenzbereichen nahezu vollständig unterdrückt werden. Der Glaspulverpartikelanteil beträgt dabei bis zu 20 Gew%, typischerweise aber 2 Gew% bis 10 Gew%. In diesem Beispiel beträgt der Gewichtsanteil der Glaspulverpartikel 4 Gew%. In einem Versuch mit diesem Permanentmagneten 10 erfolgte eine deutliche Reduktion der Wirbelstromverluste.
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Beim Einsatz von ferrithaltigen Partikeln kann nur eine teilweise Benetzung der Plättchen 2 betrachtet werden. Daher liegt die untere Grenze der typischen Gewichtsanteile der ferrithaltigen Partikel in dem Permanentmagnet trotz höherer Dichte im Vergleich zu Glaspulverpartikeln 3 bei einem ähnlichen Wert von 2 Gew%. Für eine nahezu vollständige Belegung der Plättchen 2 ist jedoch ein höherer Gewichtsanteil von bis zu 20 Gew%, insbesondere aber von 15 Gew% sinnvoll.
