DE102014215318A1

DE102014215318A1 - Anisotrop weichmagnetisches Komposit-Material mit hoher Anisotropie der Permeabilität zur Unterdrückung von Querfluss und dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014215318A1
Application number: DE102014215318.2A
Authority: DE
Inventors: Manfred Rührig; Gotthard Rieger; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2016-02-04
Also published as: WO2016020077A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen anisotropen weichmagnetischen Komposit (1) aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung (HR) aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabilitätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und relativ kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im Mikrometerbereich und insbesondere ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von circa 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagnetischen faserähnlichen Strukturen (3) ausgebildet ist, deren Längsachsen in Richtung der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind, und die faserähnlichen Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Kombination mit einer intrinsischen (kristallographischen) Anisotropie kann für die Ausbildung einer genügend kleinen Permeabilität in senkrechter Richtung notwendig bzw. nützlich sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen anisotropen weichmagnetischen Komposit gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
Ein Komposit oder Kompositwerkstoff oder Verbundwerkstoff ist ein Werkstoff, der aus zwei oder mehr verbundenen Materialien besteht.
Herkömmliche weichmagnetische Komposit-Materialien bestehen aus meist Eisen-basierten kugelförmigen gepressten Pulvern. Die Pulverteilchen sind gegeneinander elektrisch isoliert, um Wirbelströme zu unterdrücken. Wirbelströme sind eine der Hauptverlustursachen bei hohen Frequenzen. Neben dem weichmagnetischen Komposit auf Basis von Übergangsmetallen kommen bei hohen Frequenzen noch weichmagnetische Ferrite zum Einsatz. Diese weisen aufgrund ihres hohen elektrischen Widerstands gegenüber Metallen kleine Wirbelstromverluste auf. Allerdings sind Ferrite oxidische und keramische Materialien und besitzen wegen des hohen Sauerstoffanteils im Vergleich zu magnetischen Metallen inhärent eine geringere Magnetisierung. Da die Magnetisierung für viele Anwendungen von weichmagnetischen Materialien eine wichtige Größe darstellt, muss man in der Anwendung in der Regel auf einen Kompromiss zwischen benötigtem magnetischem Moment, und zwar beispielsweise zur Flussführung, und den Verlusteigenschaften eingehen. Herkömmliche weichmagnetischer Komposit stellt einen Kompromiss dar. Er besteht aus hochmagnetischem Material, beispielsweise metallischen Eisen, das in Partikelform mit Durchmessern von mehreren µm vorliegt. Die Eisenpartikel sind oberflächlich oxidiert bzw. werden diese mit einer Schutzschicht versehen, so dass die elektrische Leitung zwischen den Partikeln unterbunden wird. Dadurch werden Wirbelströme unterdrückt, was diese Materialien für die Anwendung bei hohen Frequenzen geeignet macht. Durch die Partikelform und durch die magnetische Isolationsschicht wird der magnetische Füllfaktor des Materials nachteiliger Weise verkleinert, so dass die Magnetisierung nicht das Niveau eines gegossenen oder gewalzten Eisenblechs erreicht. Diesen Kompromiss geht man ein, wenn die geringen Wirbelstromverluste bei der Anwendung, beispielsweise bei Frequenzen im kHz-Bereich gefordert sind.
Durch die Pulverform ergibt sich ein weiterer Nachteil der softmagnetischen Komposit-Materialien. Da der magnetische Fluss durch die elektrische Isolationsschicht nicht verlustfrei dringen kann, und zwar in Folge der Austauschentkopplung, ergibt sich an den Grenzen der Körner des Komposites, die senkrecht zur Magnetisierung liegen, zwangsläufig ein Streufeld, das beispielsweise in einem ringförmigen weichmagnetischen Komposit-Verbundkörper magnetisch wie eine Serienschaltung von vielen kleinen Luftspalten wirkt. Man spricht hier ebenso von einem inneren bzw. verteilten Luftspalt. In Folge dieser Streufelder bzw. inneren Luftspalten kommt es, wie bei einem echten Luftspalt, in einem magnetisch ringförmig geschlossenen Körper oder Kern zu einer Behinderung der Magnetisierbarkeit, einer verringerten Permeabilität bzw. einer Scherung der Magnetisierungskurve. In induktiven Bauelementen wird in der Regel eine leichte Magnetisierbarkeit bzw. eine hohe Permeabilität bzw. Permeabilitätszahl des Kernmaterials angestrebt. Man geht diesen Kompromiss lediglich dann ein, wenn für die Anwendung gleichzeitig geringe Wirbelstromverluste gefordert sind, beispielsweise da das Bauelement bei hohen Frequenzen betrieben werden soll, wo die Wirbelströme ohne entsprechende Gegenmaßnahmen einen Hauptanteil am Gesamtverlust einnehmen können. Gegenmaßnahmen können beispielsweise eine Blechung oder die Verwendung von Pulverkernen sein.
Ein herkömmlicher Komposit besteht aus hochmagnetischem Material, beispielsweise metallischem Eisen, und liegt in Form von Schutzschichten, beispielsweise Oxydationsschichten, aufweisenden Partikeln mit Durchmessern von mehreren Mikrometern vor. Nachteiliger Weise ist der magnetische Füllfaktor des herkömmlichen Komposits erniedrigt und die erreichte Magnetisierung im Vergleich zu einem Eisenblech kleiner. Ein weiterer Nachteil ist, dass der magnetische Fluss infolge der elektrischen Isolationsschichten an den Grenzflächen der Körner des Komposits senkrecht zur Magnetisierung ein Streufeld bewirkt. Beispielsweise bei einem ringförmigen weichmagnetischen Kompositkörper wirken diese Streufelder wie eine Serienschaltung einer Vielzahl von kleinen Luftspalten. Diese werden ebenso als innere oder verteilte Luftspalte bezeichnet. In einem magnetisch ringförmig geschlossenen Körper oder Kern kommt es wie bei einem echten Luftspalt zu einer Einschränkung der Magnetisierbarkeit, einer verringerten Permeabilitätszahl beziehungsweise zu einer Scherung der Magnetisierungskurve. In induktiven elektrischen Bauelementen wird insbesondere eine leichte Magnetisierung beziehungsweise eine hohe Permeabilitätszahl des Kernmaterials angestrebt. Die vorstehend genannten Nachteile werden lediglich dann akzeptiert, wenn für eine Anwendung gleichzeitig geringe Wirbelstromverluste gefordert sind.
Anisotrop weichmagnetische Materialien sind dazu geeignet, insbesondere das Drehmoment in Reluktanzmotoren wirksam zu steigern. Damit wird diese Permanentmagnet-Freimotorklassen für viele Anwendungen attraktiv, da der Blechschnitt von Reluktanzmaschinen aus mechanischen Stabilitätsgründen unvermeidliche axiale Verstrebungen enthält, tritt dort in gängigen Isotropen-Weichmagnetwerkstoffen eine Quermagnetisierung auf, die das Drehmoment reduziert. Einerseits soll diese Quermagnetisierung durch anisotropes weichmagnetisches Material unterdrückt werden, andererseits soll eine leichte Magnetisierbarkeit und hohe Permeabilität in Flussrichtung erhalten bleiben. Wünschenswert ist daher, ein maximaler Permeabilitätsunterschied zwischen flussführender Richtung und senkrecht zu dieser. In der Zeit verfügbaren Materialien, wie es beispielsweise NdFeB-weich ist, ist einerseits die obere erreichbare Permeabilität bei < 100 begrenzt, andererseits wird eine maximale Magnetisierung von ca. 1,5 T erreicht. Dadurch wird der Effekt nur ungenügend ausgebildet. Weiterhin sind die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Verbindung eingeschränkt, sowie die herstellbedingte Formgebung begrenzt.
Intern bekannter Stand der Technik sind magnetisch hoch anisotrope NdFeB-Verbindungen, die durch spezielle Prozessführung in der sogenannten uniaxialen leichten Richtung eine Koerzitivfeldstärke aufweisen, die in realen Flussführungs-Geometrieen nicht zu ausgeprägt dauermagnetischem Verhalten führen. In NdFeB-weichem Material ist zwar die Permeabilität senkrecht zur leichten Richtung sehr gering, und zwar < 2, jedoch begrenzt die vergleichsweise immer noch hohe Koerzitivfeldstärke in der leichten Richtung die obere Permeabilität, so dass der gewünschte Effekt auf das Drehmoment begrenzt ist. Bezüglich der Kostenstruktur ist das Materialsystem den gleichen Preissteigerungen wie dauermagnetisches NdFeB unterworfen.
Herkömmlicherweise wird ein Permeabilitätsunterschied in sogenannter schwerer Richtung zu leichter Richtung lediglich ungenügend erreicht. In Folge einer sehr hohen einachsigen Anisotropie der intermetallischen Verbindung NdFeB lässt sich die Permeabilität in leichter Richtung lediglich kaum steigern, da die Ummagnetisierung erst durch eine Keimbildung mit anschließender spontaner Rotation erreicht wird. Gleichzeitig ist die Sättigungsinduktion von NdFeB-weich begrenzt, und liegt deutlich unterhalb der von herkömmlicherweise eingesetztem FeSi-Blech.
Weichmagnetische Komposit-Materialien, die aus gegenseitig elektrisch isolierten Körnern auf der Mikrometer-Skala bestehen, sind deshalb bei hohen Frequenzen geblechten Körpern deutlich überlegen, weil Bleche in Dimensionen unter 100 µm lediglich sehr aufwendig herstellbar sind. Diese sind deshalb kaum verfügbar bzw. sehr teuer. Sieht man von laminierten amorphen Bandkernen ab, deren typische Banddicke aber auf ca. 25 µm begrenzt ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen weichmagnetischen Komposit herzustellen, der für einen Betrieb in eine Hauptmagnetisierungsrichtung wirksam magnetisierbar ist und geringe Wirbelstromverluste aufweist. Der Komposit soll sich für Anwendungen bei hohen Frequenzen, beispielsweise im kHz-Bereich, eignen und in Reluktanzmaschinen verwendbar sein. Es sollen Querflüsse wirksam unterdrückt werden. Ein Drehmoment von Reluktanzmotoren soll wirksam vergrößert werden. Es soll ein maximaler Permeabilitätszahlsunterschied zwischen einer Fluss führenden Hauptmagnetisierungsrichtung und senkrecht zu dieser geschaffen sein. Es soll ein weichmagnetischer Komposit vorgeschlagen werden, der gegenüber herkömmlichen weichmagnetischen Komposit-Materialien in eine Richtung eine verbesserte Magnetisierbarkeit aufweist.
Die Aufgabe wird durch einen anisotropen weichmagnetischen Komposit mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und mittels eines Verfahrens zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein anisotroper weichmagnetischer Komposit vorgeschlagen, aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabilitätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und relativ kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im µm-Bereich und insbesondere eine Länge-zu-Breite-Verhältnis von ca. 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagnetischen faserähnlichen beziehungsweise faserartigen Strukturen ausgebildet ist, deren Längsachsen in der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind, und die Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Ausgangspunkt ist ein magnetisches Material, das eine Hauptmagnetisierungsrichtung aufweist, entlang derer es im Betrieb magnetisiert werden soll. Beispielsweise liegt diese Richtung bei einem ringförmigen Magnetkern oder Torus tangential, parallel zum Ringumfang.
Erfindungsgemäß wird nun ein Verbundmaterial vorgeschlagen, das einerseits geringe Wirbelstromverluste aufweist, andererseits leicht entlang dieser Hauptmagnetisierungsrichtung magnetisierbar ist. Im Betrieb, bei dem eine Magnetisierung entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung erfolgt, entstehen Wirbelströme immer dann, wenn sich die Magnetisierung des Magnetmaterials zeitlich ändert. Dabei erfolgt die Magnetisierung des Magnetmaterials beispielsweise im Wechselfeld einer elektrischen Erreger-Wicklung. Dabei sind die Wirbelströme so gerichtet, dass sie der Magnetisierungsänderung entgegen wirken, diese also zu verhindern versuchen. Phänomenologisch erzeugen die Wirbelströme ein Magnetfeld, das dem Erregerfeld entgegen gerichtet ist, und somit die gleiche Richtung aufweist, wie ein endmagnetisierendes Feld. Die Größe des Wirbelstromfeldes ist proportional zur Leitfähigkeit des Materials, zur zeitlichen Magnetisierungsänderung dM/dt, und zwar zur Frequenz des Erreger-Feldes und zur Fläche des vom kreisförmigen Wirbelstrom umschlossenen Material-Querschnitts (˜r²). Wie mit jedem Strom sind auch mit Wirbelströmen Verluste verbunden, so dass Wirbelströme unerwünscht sind.
Die Wirbelströme fließen kreisförmig im Abschnitt r um die gedachten Magnetisierungslinien. Um die kreisförmigen Wirbel bzw. Wirbelströme zu unterbinden um die damit verbundenen Verluste und das entstehende Gegenfeld möglichst gering zu halten, muss die elektrische Leitfähigkeit entlang dieser Kreise unterbrochen werden, was man technisch beispielsweise mittels Blechung mittels elektrischen Isolationsschichten erreichen kann. Effizienter als Blechung ist das Unterbrechen der Strompfade durch isolierende Korngrenzen, weil die Wirbelströme umso wirkungsvoller unterdrückt werden können, je kleiner die maximal möglichen elektrischen Kreisströme gebildet werden können. Da die Gegenfelder der Wirbelströme mit der Fläche der Wirbel zusammenhängen (˜r²) ist eine Verkleinerung der leitfähigen zusammenhängenden Gebiete besonders effizient. Eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit hätte ebenfalls einen positiven Effekt, jedoch geht diese lediglich linear in die Beziehung ein.
Bei allen Materialien kommt es bei der Bildung von Wirbelströmen letztendlich lediglich auf diejenigen Kreispfade an, die in der Ebene senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung angeregt werden können. Dagegen bewirkt eine Unterbrechung der Pfade entlang der Magnetisierungsrichtung bzw. der Hauptmagnetisierungsrichtung in Bezug auf Wirbelströme keine Vorteile, da in dieser Richtung keine Wirbelströme angeregt werden können. Die Unterbrechung der elektrischen Pfade entlang der Magnetisierungsrichtung bewirkt allerding eine Unterbrechung des Magnetflusses entlang dieser Richtung, was für die Anwendung in induktiven Bauelementen nachteilig ist, da es zu Streufeldern und zu einer Verringerung der Permeabilität führt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nun dahingehend gelöst, dass die elektrischen Pfade in den beiden Dimensionen senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung unterbrochen werden, nicht jedoch die Magnetisierbarkeit entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung. Dazu wird ein Verbundkörper vorgeschlagen, der aus einer dichten Packung sehr dünner weichmagnetischer faserähnlicher Strukturen besteht, wobei die Achsen der faserähnlichen Strukturen in Richtung der Hauptmagnetisierungsrichtung des Verbundkörpers orientiert sind. Die faserähnlichen Strukturen sind dabei gegeneinander soweit elektrisch isoliert, dass Wirbelströme in der Ebene senkrecht zu den Achsen der faserähnlichen Strukturen wirksam unterbunden werden, und Wirbelströme lediglich innerhalb der sehr dünnen faserähnlichen Strukturen angeregt werden können. Der Durchmesser der faserähnlichen Strukturen soll dabei im Bereich der typischen Korngrößen von weichmagnetischen Komposit-Materialien, und zwar im Bereich von wenigen µm liegen. Zur elektrischen Isolierung der elektrischen faserähnlichen Strukturen gegeneinander können ähnliche Verfahren angewendet werden, wie sie auch bei weichmagnetischen Komposit verwendet werden. Somit ergeben sich eine ähnlich effektive Wirbelstromunterdrückung und ein ähnlich gutes Hochfrequenzverhalten wie bei typischen weichmagnetischen Komposit-Materialien.
Dadurch, dass der erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbundkörper bzw. Komposit aus ausgedehnten faserähnlichen Strukturen in Richtung der Hauptmagnetisierungsrichtung besteht, ist die Magnetisierbarkeit entlang dieser Richtung nicht mehr durch Korngrenzen behindert. Durch die – von den Enden der faserähnlichen Strukturen – fehlenden Korngrenzen entlang dieser Richtung, ergibt sich ein sehr kleiner innerer Entmagnetisierungsfaktor und die Permeabilität entlang dieser Hauptmagnetisierungsrichtung wird nicht behindert. Dies wird dadurch unterstützt, dass das Material eine kleine intrinsische Koerzitivfeldstärke aufweist.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Materialaufbau eines Komposits, der eine geeignete Form an Isotropie aufweist, können die Eigenschaften einer hohen Permeabilität in Flussrichtung bzw. Hauptmagnetisierungsrichtung, bei gleichzeitig hoher Anisotropie senkrecht dazu, beispielsweise geringer Permeabilitätszahl von < 5, sowie eine hohe Sättigungsmagnetisierung bereitgestellt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Materialsystem kann als Folge des Permeabilitätsunterschiedes im Reluktanzmaschinen folgende Vorteile bewirkt werden. Durch die höhere Differenz der Induktivitäten in der Längsachse und der Querachse kann das Drehmoment erhöht werden. Durch eine höhere Drehzahlfestigkeit und ein geringes absolutes Induktivitätsniveau kann die Leistung bei hohen Drehzahlen wirksam erhöht werden. Da der magnetische Nutzfluss eine geringe Eindringtiefe in den Rotor hat, werden größere Hohlwellen möglich. In Folge der homogenen Feldverteilung werden eine geringere Drehmomentwelligkeit, eine geringere Schwinganregung und eine geringere Geräuschentwicklung im Vergleich zum Stand der Technik möglich. Es sind gegenüber Flusssperrenschnitten leicht Außenläufermotoren zu realisieren.
Zur Verkleinerung von in Form von Kreisen um die Magnetisierungslinien fließenden Wirbelströmen entlang der Kreise in Ebenen senkrecht zu der Hauptmagnetisierungsrichtung werden die zusammenhängenden leitfähigen Gebiete minimal ausgebildet und die Magnetisierbarkeit entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung zumindest aufrecht zu erhalten. Dies wird mittels Formanisotropie geschaffen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits vorgeschlagen aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabiliätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und kleiner Permeabilitätszahl relativ senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im µm-Bereich und insbesondere ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von ca. 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagnetischen faserähnlichen beziehungsweise faserartigen Strukturen erzeugt wird, deren Längsachsen in oder entlang oder parallel zu der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind und die Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen amorphe oder nanokristalline Fasern sein und aus eine große Permeabilitätszahl, insbesondere < 300 aufweisenden, insbesondere magnetostriktionsfreien, weichmagnetischen Legierungen bestehen.
Zusätzlich zu der Formanisotropie kann diese mit einer intrinsischen Anisotropie kombiniert werden. Mit dem vorgeschlagenen Materialaufbau eines Komposits, dass eine geeignete Kombination von Formanisotropie und intrinsischer Anisotropie aufweist (z.B. Parallelität von geometrisch langer und kristallographisch leichter Achse), können die Eigenschaften einer hohen Permeabilitätszahl μr > 1000 in der Flussrichtung bei gleichzeitig hoher Anisotropie senkrecht dazu, das heißt geringer Permeabilitätszahl von μr < 5, sowie hoher Sättigungsmagnetisierung erfüllt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können thermisch, magnetische oder mittels Verdichten zusätzliche Anisotropien in das Material eingebracht werden. Zusätzlich zu der Form-Anistropie und der intrinsischen Anisotropie können thermisch, mittels Magnetfeld oder Druck oder Temperatur weitere sogenannte induzierte Anisotropien in die faserähnlichen bzw. faserartigen Strukturen einbringen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen mittels Drähten, Bänder, Stäbchen oder Blättchen als daraus abgeleitete Netze, Wandstapel, Geflechte oder Pulver-Komposite erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Durchmesser der faserartigen Strukturen größer als ein Eindomänendurchmesser sein und die Bewegung von Domänen sollte durch Ausscheidungen im Material nicht behindert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können zur Erzeugung einer mittleren Kristallanisotropie Legierungen mit einem Fe-Anteil, insbesondere zwischen 50 und 90 wt% aufweisen, wobei mindestens ein additiv, insbesondere Bor oder Kohlenstoff, hinzugefügt sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen mittels Sintern, Heißpressen oder Polymerbinden in eine Matrix, insbesondere NdFeB-Matrix, eingearbeitet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die relativ große Permeabilitätszahl > 1000 und relativ kleine Permeabilitätszahl < 5 sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein paralleles Ausrichten der faserartigen Strukturen in einem Magnetfeld und anschließend ein Füllen von Hohlräumen mit einem Füllstoff, insbesondere Kunststoff, Epoxidharz oder Tränkharz ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Anteil der magnetischen Komponenten im Komposit mittels anschließenden Entfernens des Prüfstoffs oder mittels Verdichten, insbesondere mechanischen Arbeiten, vergrößert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Ausrichten mittels Strangpressen und das Verdichten mittels Walzen, Pressen oder Kalandrieren, oder mittels Wärmebehandeln ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Ausrichten ausgeführt werden, während die faserartigen Strukturen noch beweglich sind und sich nicht gegenseitig in der Rotation behindern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vor dem Ausrichten bereits eine Vororientierung der faserartigen Strukturen eingeprägt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Vororientierung mittels einer Zentrifuge oder mittels Rakeln ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen mittels Schmelzen Extrusion erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen, insbesondere Drähte mittels in situ aufgebrachten Schichten oder mittels nachträglichen Beschichtens gegeneinander elektrisch isoliert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen derart gegeneinander elektrisch isoliert werden, dass der Anteil der unmagnetischen Komponente im Komposit trotzdem minimal ausgebildet wurde.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine erste Darstellung zur erfindungsgemäßen Aufgabe;
2 eine zweite Darstellung zur erfindungsgemäßen Aufgabe;
3 eine Darstellung zu einem herkömmlichen Ausführungsbeispiel;
4 eine Darstellung zu einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits;
6 eine weitere Ansicht zum ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits;
7 eine weitere Darstellung zu einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits;
8 eine weitere Darstellung zu einem erfindungsgemäßen Komposit;
9 eine weitere Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Komposits;
10 eine weitere Darstellung zu einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits;
11 eine weitere Darstellung zu einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits;
12 eine weitere Darstellung zu einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits;
13 eine weitere Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Komposits gemäß 12;
14 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Komposits.
1 zeigt eine Darstellung hinsichtlich der erfindungsgemäßen Aufgabe. Dargestellt ist ein Blechschnitt eines herkömmlichen Reluktanzmotors. Die Pfeile zeigen jeweilige Hauptmagnetisierungsrichtungen, das Material W1 entlang dieser Hauptmagnetisierungsrichtungen einen d-Fluss ermöglichen soll. Dagegen sollen die Lücken W2 einen q-Fluss behindern. Eine jeweilige Hauptmagnetisierungsrichtung ist mit einem Pfeil HR gekennzeichnet. Die Richtung der Hauptmagnetisierung kann ebenso als leichte Richtung bezeichnet werden. Diese Richtung verläuft parallel zur Hauptmagnetisierungsrichtung HR. Die Richtung senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung HR kann als schwere Richtung bezeichnet werden.
2 zeigt den Reluktanzmotor gemäß 1 nun lediglich als Draufsicht. Ebenso hier ist die Hauptmagnetisierungsrichtung bzw. leichte Richtung HR dargestellt. Erfindungsgemäß soll zwischen einer flussführenden Hauptmagnetisierungsrichtung HR und senkrecht dazu ein maximal möglicher Permeabilitätszahlunterschied geschaffen sein.
3 zeigt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Materialzusammensetzung. Herkömmlicherweise wurde mittels einer hohen intrinsischen Kristall-Anisotropie eine anisotrope Permeabilität erzeugt. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine uniaxiale Anisotropie bei einem NdFeW-weichmagnetischen Material. Hierzu ist die schwere Richtung als µ senkrecht dargestellt. Die leichte Richtung ist mit µ parallel dargestellt. Herkömmlicherweise kann beispielsweise in der schweren Richtung eine Permeabilitätszahl µr = 1,26 bereitgestellt werden. Die relative Permeabilitätszahl in der schweren Richtung weist mit dem hier verwendeten Material, das ein anisotrop-weichmagnetisches Material ist, von µr = 60 auf.
4 zeigt eine Darstellung hinsichtlich einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen anisotropen weichmagnetischen Komposits. Die innere und Form-Anisotropie gemäß dem Stand der Technik wird durch eine gezielte Verbesserung der Form-Anisotropie weiterentwickelt. Es werden faserähnliche Strukturen, wie es beispielsweise Drähte, Bänder oder Plättchen sind, verwendet, so dass mittels deren Form eine maximale Anisotropie erzeugt werden kann. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel auf der Grundlage weichmagnetischer Bänder. Die leichte Richtung ist mit µ parallel und die schwere Richtung ist mit µ senkrecht angegeben. Es gilt die Formel H_a = 1/µ₀·N·J_S. Bei Verwendung von Eisen ist H_amax ~ 1600 kA/m oder µr = 2. Weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beruhen auf der Verwendung von

a) eines NiFe Nanodraht-Feldes oder Arrays, wobei H_a = 530 kA/m und daraus µ_r = 4 resultiert,
b) mit einem Stapel von nanokristallinen Bändern, wobei ein H_a = 200 erhalten wird und daraus µ_r = 6 resultiert.

5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits. Der Komposit 1 weist eine Vielzahl von faserähnlichen oder faserartigen Strukturen auf, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel Drähte 5 sind. Diese Drähte 5 sind weichmagnetische Mikrodrähte, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel länglich ausgerichtet sind. Die Ausrichtung erfolgt im oder parallel zur Hauptmagnetisierungsrichtung HR. Erfindungsgemäß wird die geforderte Anisotropie mittels der Form der faserähnlichen bzw. faserartigen Strukturen geschaffen. Erfindungsgemäß kann zusätzlich eine Kombination mit einer intrinsischen Anisotropie erfolgen. Eine derartige Kombination erfolgt, wenn die gerichteten faserähnlichen Strukturen, in Form von Drähten, Bändern, Stäbchen oder Plättchen und daraus abgeleiteten Netzen, Bandstapeln oder Pulver-Komponenten aufgebaut sind, als hoch-Fe-haltige Verbindungen erzeugt sind. Die erfindungsgemäße Form-Anisotropie kann vorteilhaft mit der intrinsischen Anisotropie in hoch-Fe-haltigen Legierungen und intermetallischen Verbindungen nach dem Stand der Technik außerhalb der seltenerdhaltigen Verbindungen mit einem Seltenerd-Anteil > 25 wt% kombiniert werden. Eine weitere zusätzliche geringe bis mittlere Kristall-Anisotropie kann in Fe mittels Zugabe von Bor und/oder Kohlenstoff bewirkt werden. Als vierte zusätzliche eingeprägte Anisotropie kann eine sogenannte induzierte Anisotropie zusätzlich eingeprägt werden. Beispielsweise lassen sich für Drähte 5 oder Bänder induzierte Anisotropien thermisch, magnetisch, mittels Druck oder Temperatur einbringen.
Besonders vorteilhaft weist das Material der faserähnlichen Strukturen eine kleine intrinsische Koerzitivfeldstärke auf. Dies wird dadurch bewirkt, dass der Durchmesser der faserähnlichen Strukturen 3, die Drähte 5 sein können, deutlich größer als der Eindomänendurchmesser ist. Zusätzlich sollte die Bewegung von Domänen nicht durch Ausscheidungen, sogenannter Pinning Zentren, im Material behindert werden. Die intrinsischen Anisotropien in dem Material sollten möglichst klein sein. Diese Eigenschaften sollten optimalerweise von amorphen bzw. nanokristallinen faserähnlichen Strukturen 3 aus hochpermeablen, beispielsweise magnetostriktionsfreien, weichmagnetischen Legierungen mit mehreren Mikrometern Durchmesser und einem Länge/Breite-Verhältnis von ca. 1000 sehr gut erfüllt sein.
Bei einem erfindungsgemäßen Komposit 1 ergibt sich ein unteres Permeabilitätsniveau von ca. 5. Die zusätzliche Ausbildung einer makroskopischen oder teilweise intrinsischen Form-Anisotropie mittels beispielsweise Stäben oder Plättchen, kann nun so gewählt werden, dass ein unteres Permeabilitätsniveau in der schweren Richtung von µr < 5 eingestellt werden kann. Da die Koerzitivfelder in der Hauptmagnetisierungsrichtung HR bzw. Flussrichtung vergleichsweise niedrig eingestellt werden können, ist eine obere Permeabilität in leichter Richtung > 1000 erzielbar, die jenseits eines für die Anwendung einschränkenden Bereichs ist. Infolge der hohen Sättigungsmagnetisierung Fe-reicher Verbindungen ist auch die Kombination mit Materialsystemen niedrigerer Sättigungsmagnetisierung, aber hoher mittlerer Anisotropie möglich.
6 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 5 nun als einen Querschnitt senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung HR. In dem anisotropen weichmagnetischen Komposit 1 sind die Mikrodrähte als Ausführungsbeispiel von faserähnlichen oder faserartigen Strukturen 3 dargestellt. 6 zeigt auf der rechten Seite einen Querschnitt durch einen Draht 5 bzw. Mikrodraht, wobei eine elektrisch isolierende Schicht bzw. eine Umhüllung 7 einen weichmagnetischen Kern 9 beziehungsweise Mikro-Kern aufweist.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen anisotropen weichmagnetischen Komposits 1. Dabei sind die Drähte 5, bzw. Mikrodrähte, in einer Umfangsrichtung ausgerichtet. 7 zeigt, dass das magnetische Material einen ringförmigen oder toroiden Körper ausbildet und die Hauptmagnetisierungsrichtung HR tangential parallel zum Umfang verläuft.
8 zeigt eine Darstellung hinsichtlich eines erfindungsgemäßen Komposits 1, wobei zusätzlich zur Form-Anisotropie eine innere bzw. induzierte magnetische Anisotropie von Fe-Systemen genutzt wird. Mit der Rechtswertachse ist ein einprägendes Feld in kA/m dargestellt. Die Hochwertachse beschreibt eine Flussdichte. 8 zeigt die Hystereseschleifen, die bei 1 kHz gemessen worden sind und zwar für

a) Cu₈₉Zr₇B₄; und
b) (Cu_0,975Fe_0,025)₈₉Zr₇B₄.

H_a hatte hierzu einen Wert von ~40 kA/m. Mittels Druck, Temperatur und Magnetfeldstärke wurde eine magnetische Anisotropie induziert. Die innere Anisotropie wird mittels der Fe-Systeme erzeugt.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits 1, wobei Fe3B verwendet wird und mittels der Kombination mit der Form-Anisotropie zu einem mittleren intrinsischen Anisotropie-System führt. Gemäß diesem System ist H_a ~ 630 kA/m.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits 1. Ebenso entsprechend 9 wird die erfindungsgemäße Form-Anisotropie kombiniert und entsprechende mittlere intrinsische Anisotropie-Systeme erzeugt. 10 zeigt die Verwendung von Sm2FeC. 10 zeigt die Magnetisierungskurven von gerichteten Sm₂Fe₁₇C_x Pulverproben, die parallel und senkrecht zur Ausrichtung des Magnetfeldes bei Zimmertemperatur erhalten wurden. H_a ~ 1300 kA/m, und zwar für C 0,25.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits 1. Hierzu wird die Form-Anisotropie beispielsweise mittels eines gewickelten Drahtes 5 erzeugt. Die intrinsische Anisotropie wird beispielsweise mittels Fe-B oder Fe-C bereitgestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Drahtgitter verwendet, das in einer Richtung ausgeführt ist und Fe-basiert ist. Es ergeben sich entsprechende Berechnungen. Bei einer Annahme einer realen Form-Anisotropie Ha = 530 kA/m und einer inneren Anisotropie Fe-B von Ha = 630 kA/m ergibt sich ein Ha(gesamt) = 1160 kA/m. Mit Bs = 1,62 T ergibt sich ein µr = 2,1 in der schweren Richtung und da Hc < 4,2 kA/m ergibt sich in der leichten Richtung ein µr > 300. Ein weiteres interessantes Materialsystem ist α‘-Fe-C, wobei Bs = 2,1 T und da Hc < 1 kA/m ist, ergibt sich daraus für die leichte Richtung ein µr > 2000.
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits 1. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden Kompositmaterialien aus gerichteten Fe-Stäben 11 in einer Matrix 13 verwendet. Dabei ergeben sich folgende Berechnungen für Fe-Stäbe 11 im µ-Bereich in einer gerichteten NdFeB-Matrix 13. Dabei wird ein Volumenverhältnis von 1:1 angenommen. Eine weitere Annahme ist die Form-Anisotropie der Fe-Stäbe von Ha = 400 kA/m und die Anisotropie der Matrix NdFeB, die exponentiell ist, von Ha > 4900 kA/m, so dass sich eine Gesamt-Anisotropie aus dem Volumenbeitrag von Ha = 2650 kA/m ergibt. Weiterhin ist Bs = 1,85 T (Komposit). Ha = 2650 kA/m, so dass sich in der schweren Richtung ein µr = 1,6 ergibt. Bei Hc < 25 kA/m ergibt sich in der leichten Richtung ein µr > 100. Die Einarbeitung von Fe-Stäbchen 11, Plättchen oder Drähten 5 beispielsweise in eine NdFeB-Matrix 13 mittels Sintern/Heißpressen oder Polymerbindung kann zu erhöhten Werten für die Sättigungsmagnetisierung und ein noch günstigeres unteres Permeabilitätsniveau von < 2 herangezogen werden. Dabei wird hier nicht eine Addition der Anisotropien sondern eine Mittelwertbildung durch die Streufeldkopplung der magnetischen Substrukturen, die die faserähnlichen Strukturen 3 sind, erzielt.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits 1. Dieser anisotrope weichmagnetische Komposit 1 ist in einem Reluktanzmotor eingearbeitet. Gemäß dieser vorteilhaften Erweiterung sind die Stäbe 11 gemäß der 12 entlang einer optimalen Flussführung angeordnet.
Die nachteiligen Merkmale der herkömmlichen Verbindung NdFeB-weich werden durch die hier beschriebenen Fe-basierten Systeme gemäß den 5, 6, 7, 11, 12 und 13 mit der Kombination hoher Sättigungsmagnetisierung, mittlerer Kristall-Anisotropie oder induzierter Anisotropie sowie Kombination mit Form-Anisotropie behoben. Neben den geringen Rohstoffkosten der Ausgangslegierung und der hohen Sättigungsmagnetisierung Fe-basierter Systeme von > 1,8 T kann das Anisotropie-Feld in der schweren Richtung durch Addition von Form-Anisotropie gezielt eingestellt werden. Mittels Ausrichtung der magnetischen Substrukturen bzw. der faserähnlichen Strukturen entlang der optimalen Flussführung bzw. der Hauptmagnetisierungsrichtung HR, wird eine besonders wirksame Unterdrückung des Querflusses erreicht. Der Aufbau aus dünnen Drähten 5, Stäben 11, Netzen bzw. Drahtgeflechten oder Bandstapeln führt zudem zur Unterdrückung von Wirbelströmen und ermöglicht in der Regel eine einfache, mechanisch stabile Formgebung, beispielsweise mittels Heißpressen oder Kunststoffvergießen.
14 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits 1. Mittels eines ersten Schrittes S1 erfolgt ein Erzeugen der faserartigen Strukturen als Fasern, Drähte, Bänder, Stäbchen oder Plättchen. Diese können Netze, Bandstapel, Geflechte oder Pulverkomposite ausbilden. Mit einem weiteren Schritt S1.2 werden die faserartigen Strukturen mittels Schmelzextrusion erzeugt. Mit einem weiteren Schritt S2 erfolgt ein paralleles Ausrichten der faserartigen Strukturen in einem Magnetfeld und anschließend ein Füllen von Hohlräumen mittels einem Füllstoff, insbesondere Kunststoff, Epoxidharz oder Tränkharz. Mit einem weiteren Schritt S3 wird der Anteil der magnetischen Komponente im Komposit mittels anschließendem Entfernen des Füllstoffs oder mittels Verdichten, insbesondere mechanischem Drücken, vergrößert.
Zusätzlich können ein Anordnen in möglichst dichten Packungen zur Erreichung einer möglichst hohen Magnetisierung entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung erreicht werden. Dies kann beispielsweise durch paralleles Ausrichten der Fasern in einem Magnetfeld und anschließendem Tränken der Hohlräume mit Kunststoff/Epoxidharz und dergl. erreicht werden. Die Ausrichtung und Verdichtung kann zusätzlich durch gängige Verfahren, beispielsweise mechanisches Bearbeiten, wie Walzen, gerichtetes Pressen, Kalandrieren oder ähnliches und durch den Einfluss von Wärme verbessert werden. Als weichmagnetische Drähte/Fasern bzw. faserähnlichen Strukturen werden vorzugsweise mittels „melt extrusion“ bzw. Schmelzextrusion hergestellte Fasern verwendet. Die elektrische Isolierung kann mittels in situ aufgebrachten, beispielsweise Glasschichten, oder durch nachträgliche Beschichtung beispielsweise mittels SAMs? erreicht werden. Idealerweise wird die Isolationsbeschichtung lediglich so dick ausgeführt, dass zwar eine wirkungsvolle Unterbindung der Wirbelströme erreicht wird, aber andererseits der Anteil der unmagnetischen Komponente im Kompositmaterial bzw. Verbundmaterial so gering wie möglich ist. Die Herstellung des Verbundkörpers 1 kann beispielsweise mittels Kompoundierung der faserähnlichen Struktur bzw. Fasern mit geeigneten Füllstoffen, beispielsweise Polymeren oder Tränkharzen, in Kombination mit Verfahren zur Ausrichtung der faserähnlichen Strukturen erfolgen, beispielsweise mittels Strangpressen. Die Magnetisierung des Materials kann mittels anschließender geeigneter Entfernung der Füllstoffe, die eine Entbinderung analog zur MiM/Catamold ist, unterstützt durch mechanische Bearbeitung, beispielsweise Pressen, soweit erhöht werden, dass der unmagnetische Anteil gerade noch so groß ist, um eine elektrische Isolierung der faserähnlichen Strukturen bzw. Fasern sicher zu gewährleisten. Die Ausrichtung der faserähnlichen Strukturen bzw. Fasern kann durch Magnetfelder verbessert werden, solange die Fasern noch beweglich sind und diese sich nicht gegenseitig in einer Rotation behindern. Infolge des Magnetfeldes werden die faserähnlichen Strukturen sich bevorzugt entlang der Feldlinien orientieren. Durch einen geeigneten Herstellungsprozess kann schon eine gewisse Vorausrichtung eingebracht werden, so dass die Ausrichtung im Magnetfeld durch relativ geringe Drehbewegungen/Umorientierungen möglich ist. Bei toroidalen weichmagnetischen Kernen bzw. Ringen/Kernen könnte die Vororientierung beispielsweise mittels einer Zentrifuge ausgeführt werden. Bei flächigen Verbundkörpern durch lagenweises Aufbringen der Faser/Füllstoffmixturen, beispielsweise mittels Rakeln.
Die Erfindung betrifft einen anisotropen weichmagnetischen Komposit (1) aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung (HR) aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabilitätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und relativ kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im Mikrometerbereich und insbesondere ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von circa 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagnetischen faserähnlichen Strukturen (3) ausgebildet ist, deren Längsachsen in Richtung der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind, und die faserähnlichen Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Kombination mit einer intrinsischen (kristallographischen) Anisotropie kann für die Ausbildung einer genügend kleinen Permeabilität in senkrechter Richtung notwendig bzw. nützlich sein.

Claims

Anisotroper weichmagnetischer Komposit (1) aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung (HR) aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabilitätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und relativ kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im Mikrometerbereich und insbesondere ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von circa 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagnetischen faserartigen Strukturen (3) ausgebildet ist, deren Längsachsen in der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind, und die faserartigen Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen amorph oder nanokristallin sind und aus eine große Permeabilitätszahl, insbesondere größer 300, aufweisenden, insbesondere magnetostriktionsfreien, weichmagnetischen Legierungen bestehen.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass thermisch, magnetisch oder mittels Verdichten zusätzliche Anisotropien in das Material eingebracht wurden.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen mittels Fasern, Drähten (5), Bänder, Stäben (11) oder Plättchen als daraus abgeleitete Netze, Bandstapel, Geflechte oder Pulver-Komposite erzeugt sind.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der faserartigen Strukturen größer als ein Eindomänendurchmesser ist und die Bewegung von Domänen nicht durch Ausscheidungen im Material behindert ist.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen Legierungen mit einem Fe-Anteil, insbesondere größer 50 Gewichts-% und kleiner 90 Gewichts-%, aufweisen und mindestens ein Additiv, insbesondere Bor oder Kohlenstoff, aufweisen.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen mittels Sintern, Heißpressen oder Polymerbindung in eine Matrix (13), insbesondere NdFeB-Matrix, eingearbeitet sind.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relativ große Permeabilitätszahl größer 1000 und die relativ kleine Permeabilitätszahl kleiner 5 ist.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabilitätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und relativ kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im Mikrometerbereich und insbesondere ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von circa 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagnetischen faserartigen Strukturen erzeugt wird, deren Längsachsen in der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind, und die faserartigen Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen amorph oder nanokristallin sind und aus eine große Permeabilitätszahl, insbesondere größer 300, aufweisenden, insbesondere magnetostriktionsfreien, weichmagnetischen Legierungen bestehen.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass thermisch, magnetisch oder mittels Verdichten zusätzliche Anisotropien in das Material eingebracht werden.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen mittels Fasern, Drähten, Bänder, Stäbchen oder Plättchen als daraus abgeleitete Netze, Bandstapel, Geflechte oder Pulver-Komposite erzeugt werden (S1).
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der faserartigen Strukturen größer als ein Eindomänendurchmesser gewählt wird und die Bewegung von Domänen nicht durch Ausscheidungen im Material behindert ist.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen Legierungen mit einem Fe-Anteil, insbesondere größer 50 Gewichts-% und kleiner 90 Gewichts-%, aufweisen und mindestens ein Additiv, insbesondere Bor oder Kohlenstoff, aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen mittels Sintern, Heißpressen oder Polymerbindung in eine Matrix, insbesondere NdFeB-Matrix, eingearbeitet werden (S2).
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die relativ große Permeabilitätszahl größer 1000 und die relativ kleine Permeabilitätszahl kleiner 5 ist.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein paralleles Ausrichten der faserartigen Strukturen in einem Magnetfeld und anschließend ein Füllen von Hohlräumen mit einem Füllstoff, insbesondere Kunststoff, Epoxidharz oder Tränkharz, ausgeführt werden (S2).
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der magnetischen Komponente im Komposit mittels anschließendem Entfernen des Füllstoffs oder mittels Verdichten, insbesondere mechanischem Bearbeiten, vergrößert wird (S3).
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichten mittels Strangpressen und das Verdichten mittels Walzen, Pressen oder Kalandrieren, oder mittels Wärmebehandeln ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichten ausgeführt wird, während die faserartigen Strukturen noch beweglich sind und sich nicht gegenseitig in der Rotation behindern.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 17, 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausrichten bereits eine intrinsische kristallographische Vororientierung der faserartigen Strukturen eingeprägt wird.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vororientierung mittels einer Zentrifuge oder mittels Rakeln ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen mittels Schmelzextrusion erzeugt werden (S1.2).
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen, insbesondere Drähte (5), mittels in situ aufgebrachten Schichten (7) oder mittels nachträglichem Beschichten gegeneinander elektrisch isoliert werden (S1.2).
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der Ansprüche 9 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen derart gegeneinander elektrisch isoliert wurden, dass der Anteil der unmagnetischen Komponente im Komposit trotzdem minimal ausgebildet wurde.