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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Seltenerdmagneten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2014 219 893 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Magnets und ein solcher gesinterter Magnet bekannt. Der Magnet weist ein Konzentrationsprofil von schweren Seltenerdelementen (HRE - Heavy Rare-Earth) innerhalb eines kontinuierlich gesinterten Seltenerd-Magnetvolumens (RE-Rare Earth) auf. Das Konzentrationsprofil enthält ein lokales Maximum der HRE-Elementkonzentration innerhalb des Volumens, so dass ein Koerzitivkraftprofil des Magneten ein lokales Maximum innerhalb des Volumens besitzt. Der Magnet wird ausgebildet, indem abwechselnde Schichten eines HRE-haltigen Materials und ein magnetisches Pulver in eine Form eingelegt werden, die Schichten zu einem grünen Pressling gepresst werden und der grüne Pressling gesintert wird, um einen einzelnen unitären Magneten auszubilden.
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Weiterhin ist aus dem Stand der Technik allgemein ein Grain-Boundary-Diffusions-Prozess bekannt, mittels welchem schwere seltene Erden in ein insbesondere aus einem Neodym-Eisen-Bor-Werkstoff gebildetes Halbzeug eingebracht werden. Dabei erfolgt ein Einbringen der schweren seltenen Erden in der Art, dass deren Verteilung innerhalb des Halbzeugs möglichst homogen ist.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur Herstellung von Seltenerdmagneten bekannt, bei welchen in block- bzw. quaderförmige Halbzeuge mittels eines Grain-Boundary-Diffusions-Prozesses schwere seltene Erden eingebracht werden und anschließend mittels parallel zu Stirnseiten des Halbzeugs durchgeführten Schnitten Seltenerdmagneten geschnitten werden. Auch sind Verfahren bekannt, bei welchen die Seltenerdmagneten in einem so genannten Near-Netshape-Verfahren erzeugt das Schneiden der Halbzeuge vor der Durchführung des Grain-Boundary-Diffusions-Prozesses erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Seltenerdmagneten anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Herstellung eines Seltenerdmagneten aus einem quaderförmigen Halbzeug, umfassend zwei Flachseiten und vier die Flachseiten randseitig begrenzende Stirnseiten, wird jeweils ausgehend von den beiden Flachseiten zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Flachseiten in einer Grain-Boundary-Diffusion Dysprosium oder Terbium in das Halbzeug diffundiert.
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Erfindungsgemäß wird die Diffusion derart durchgeführt, dass eine Konzentration des Dysprosiums oder Terbiums ausgehend von den beiden Flachseiten, welche magnetische Pole ausbilden und orthogonal zur anisotropen magnetischen Ausrichtung verlaufen, zu einem mittig zwischen den Flachseiten befindlichen Bereich des Halbzeugs jeweils abnimmt. Anschließend wird das Halbzeug in einem Schnittprozess
- - parallel zu den Flachseiten in zwei gleich große Teile oder
- - parallel zu den Flachseiten in zwei unterschiedlich große Teile oder
- - in einem Winkel unterschiedlich von 0 ° zu den Flachseiten in zwei gleich große Teile, welche einen Querschnitt in Form eines rechtwinkligen Trapezes aufweisen, oder
- - in einem Winkel unterschiedlich von 0 ° zu den Flachseiten in zwei unterschiedlich große Teile, welche einen Querschnitt in Form eines rechtwinkligen Trapezes aufweisen, geteilt.
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Diese beiden durch den Schnitt entstandenen Teile weisen jeweils zwei eigene magnetische Pole auf.
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In permanenterregten Synchronmaschinen mit so genannten vergrabenen Magneten werden heute meist Neodym-Eisen-Bor-Werkstoffe eingesetzt. Um hohe Anforderungen an eine Betriebstemperatur zu erfüllen, werden so genannte schwere seltene Erden in Form von Dysprosium oder Terbium in den entsprechenden Neodym-Eisen-Bor-Werkstoff eingesetzt, welche hochpreisig im Vergleich zu leichten seltenen Erden in Form von Neodym und Praseodym sind.
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In einer genauen Analyse einer benötigten Temperaturstabilität der Seltenerdmagnete in einer Synchronmaschine konnte ermittelt werden, dass eine homogene Verteilung der seltenen Erden innerhalb des Magnets nicht erforderlich ist. Insbesondere ein Randbereich des Magnets, welcher durch die Diffusion trotz Anstrengung auf Homogenität durch eine erhöhte Konzentration an seltenen Erden am meisten gestärkt wird, ist besonders wichtig. Jedoch wird der Magnet im Betrieb lediglich von einer Seite belastet, d. h. ein Pol des Magneten. Der andere Pol kann signifikant schwächer sein.
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Zusätzlich müssen die Magneten eine gewisse Dicke aufweisen, welche eine Temperaturstabilität derselben dient, jedoch nicht eine Leistungsfähigkeit der Synchronmaschinen erhöht.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere ein gegenüber dem Stand der Technik dickeres quaderförmiges Halbzeug, beispielsweise ein Neodym-Eisen-Bor-Halbzeug, verwendet und gezielt durch die zum Kernbereich hin abnehmende Konzentration des Dysprosiums oder Terbiums eine Inhomogenität in der Art erzeugt, dass das Halbzeug einen Randbereich mit hoher Konzentration und einen Kernbereich mit schwacher Konzentration an Dysprosium oder Terbium aufweist.
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Durch das anschließende Schneiden des Halbzeugs, beispielsweise parallel zu den Flachseiten, und Erzeugen der beiden Teile werden zwei Magneten mit jeweils zwei Polen erzeugt, wovon ein Pol durch die hohe Konzentration an Dysprosium oder Terbium gestärkt ist, und somit ein Anteil der schweren seltenen Erden Dysprosium oder Terbium im erzeugten Magneten signifikant verringert, insbesondere halbiert ist. Daraus ergibt sich eine signifikante Verringerung von Materialeinsatzkosten.
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Die Erzeugung von keilförmigen Magneten, das heißt den Teilen, deren Querschnitt die Form eines rechtwinkligen Trapezes aufweist, kann Magnetmasse eingespart werden, indem das dickere Ende des Magneten an einer Position im Rotor der Synchronmaschine angeordnet werden kann, an der eine Anforderung für die Temperaturstabilität höher ist. Dies ist beispielsweise bei einer V-förmigen Anordnung eines Pols möglich. Zusätzlich lassen sich durch diese Formen weitere Vorteile bei einer Magnetfixierung im Rotor durch formschließende Befestigungen realisieren.
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Die unsymmetrischen Schnitte, bei welchen die beiden aus dem Halbzeug durch Schnitt gewonnenen Teile eine unterschiedliche Größe und somit Magnetmasse aufweisen, ermöglichen beispielsweise bei einer so genannten Doppel-V-Anordnung der Pole eine aktive Nutzung, da ein oberer V-förmiger Abschnitt meist höhere Anforderungen an den Magneten als ein unterer V-förmiger Abschnitt stellt. Hierbei können sowohl keilförmige als auch quaderförmige Magneten genutzt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Halbzeugs zur Herstellung eines Seltenerdmagneten während einer Diffusion,
- 2 schematisch eine perspektivische Ansicht zweier Teile des Halbzeugs gemäß 1 nach der Diffusion und nach einem ersten Ausführungsbeispiel eines Schnittprozesses,
- 3 schematisch eine perspektivische Ansicht von mehreren aus den Teilen gemäß 2 in einem weiteren Schnittprozess erzeugten Seltenerdmagneten,
- 4 schematisch eine perspektivische Ansicht zweier Teile des Halbzeugs gemäß 1 nach der Diffusion und nach einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Schnittprozesses,
- 5 schematisch eine perspektivische Ansicht zweier Teile des Halbzeugs gemäß 1 nach der Diffusion und nach einem dritten Ausführungsbeispiel eines Schnittprozesses und
- 6 schematisch eine perspektivische Ansicht zweier Teile des Halbzeugs gemäß 1 nach der Diffusion und nach einem vierten Ausführungsbeispiel eines Schnittprozesses.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine perspektivische Ansicht eines quaderförmigen Halbzeugs 1 zur Herstellung von in 3 gezeigten Seltenerdmagneten 2.1 bis 2.n, 3.1 bis 3.n während einer Diffusion D dargestellt.
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Das Halbzeug 1 ist beispielsweise aus einem Neodym-Eisen-Bor-Werkstoff gebildet und umfasst zwei rechteckförmige Flachseiten A.1, A.2, und vier die Flachseiten A1, A.2 randseitig begrenzende Stirnseiten A.3 bis A.6, wobei die Stirnseiten A.3, A.4 im Folgenden auch als Längsstirnseiten A.3, A.4 bezeichnet werden. Dabei bilden die Flachseiten A.1, A.2 magnetische Pole aus und verlaufen orthogonal zur anisotropen magnetischen Ausrichtung M.
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Zur Herstellung der Seltenerdmagneten 2.1 bis 2.n, 3.1 bis 3.n wird während der Diffusion D zunächst jeweils ausgehend von den beiden Flachseiten A.1, A.2 zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Flachseiten A.1, A.2 in einer Grain-Boundary-Diffusion als schwere seltene Erde Dysprosium oder Terbium in das Halbzeug 1 diffundiert. Dabei wird die Diffusion derart durchgeführt, dass eine Konzentration des Dysprosiums oder Terbiums ausgehend von den beiden Flachseiten A.1, A.2 zu einem mittig zwischen den Flachseiten befindlichen Bereich des Halbzeugs 1 jeweils abnimmt.
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Anschließend wird das Halbzeug 1 in einem Schnittprozess parallel zu den Flachseiten A.1, A.2 in zwei gleich große Teile 2, 3 geteilt.
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Diese beiden Teile 2, 3 sind in 2 dargestellt. Die beiden Teile 2, 3 bilden zwei Magneten mit jeweils zwei Polen, wovon ein Pol durch die hohe Konzentration an Dysprosium oder Terbium gestärkt ist, und an dem jeweils anderen Pol die Konzentration an Dysprosium oder Terbium aufgrund des Schnitts geringer ist.
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Anschließend an die Teilung des Halbzeugs 1 in die beiden Teile 2, 3 erfolgt ein weiterer Schnittprozess, in welchem die beiden Teile 2, 3 jeweils mehrfach senkrecht zu ihren den Flachseiten A.1, A.2 des Halbzeugs 1 entsprechenden Flachseiten und senkrecht zu ihren Längsstirnseiten geteilt werden. Somit entstehen mehrere, insbesondere gleich große Seltenerdmagnete 2.1 bis 2.n, 3.1 bis 3.n, welche jeweils nur einen mit Dysprosium oder Terbium gestärkten Pol aufweisen.
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Eine mögliche Ausführungsform der Seltenerdmagnete 2.1 bis 2.n, 3.1 bis 3.n ist in 3 dargestellt.
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Alternativ zu der in 2 dargestellten Erzeugung von zwei gleich großen quaderförmigen Teilen 2, 3 kann die Teilung auch in der Art erfolgen, dass das Halbzeug 1 in einem Winkel unterschiedlich von 0 ° zu den Flachseiten A.1, A.2 in zwei gleich große Teile 2, 3, welche einen Querschnitt in Form eines rechtwinkligen Trapezes aufweisen, geschnitten werden. Eine dabei entstehenden Ausführung der Teile 2, 3 ist in 4 dargestellt. Dabei verringert sich eine Dicke der Teile 2, 3 ausgehend von einer Längsstirnseite zu einer gegenüberliegenden Längsstirnseite des entsprechenden Teils 2, 3.
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Zur Erzeugung der Seltenerdmagneten 2.1 bis 2.n, 3.1 bis 3.n erfolgt anschließend wiederum der weitere Schnittprozess, in welchem die beiden Teile 2, 3 jeweils mehrfach senkrecht zu ihren den Flachseiten A.1, A.2 des Halbzeugs 1 entsprechenden Flachseiten und senkrecht zu ihren Längsstirnseiten geteilt werden. Somit entstehen mehrere, insbesondere gleich große Seltenerdmagnete 2.1 bis 2.n, 3.1 bis 3.n mit einem Querschnitt in Form eines rechtwinkligen Trapezes, welche jeweils nur einen mit Dysprosium oder Terbium gestärkten Pol aufweisen.
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Weiterhin alternativ zu der in 2 dargestellten Erzeugung von zwei gleich großen quaderförmigen Teilen 2, 3 kann die Teilung auch in der Art erfolgen, dass das Halbzeug 1 parallel zu den Flachseiten A.1, A.2 in zwei unterschiedlich große quaderförmige Teile 2, 3 geschnitten wird. Eine dabei entstehende Ausführung der Teile 2, 3 ist in 5 dargestellt.
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Zur Erzeugung der Seltenerdmagneten 2.1 bis 2.n, 3.1 bis 3.n erfolgt anschließend wiederum der weitere Schnittprozess, in welchem die beiden Teile 2, 3 jeweils mehrfach senkrecht zu ihren den Flachseiten A.1, A.2 des Halbzeugs 1 entsprechenden Flachseiten und senkrecht zu ihren Längsstirnseiten geteilt werden.
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Weiterhin alternativ zu der in 2 dargestellten Erzeugung von zwei gleich großen quaderförmigen Teilen 2, 3 kann die Teilung auch in der Art erfolgen, dass das Halbzeug 1 in einem Winkel unterschiedlich von 0 ° zu den Flachseiten A.1, A.2 in zwei unterschiedlich große Teile 2, 3, welche einen Querschnitt in Form eines rechtwinkligen Trapezes aufweisen, geschnitten werden. Eine dabei entstehende Ausführung der Teile 2, 3 ist in 6 dargestellt. Dabei verringert sich eine Dicke der Teile 2, 3 ausgehend von einer Längsstirnseite zu einer gegenüberliegenden Längsstirnseite des entsprechenden Teils 2, 3.
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Zur Erzeugung der Seltenerdmagneten 2.1 bis 2.n, 3.1 bis 3.n erfolgt anschließend wiederum der weitere Schnittprozess, in welchem die beiden Teile 2, 3 jeweils mehrfach senkrecht zu ihren den Flachseiten A.1, A.2 des Halbzeugs 1 entsprechenden Flachseiten und senkrecht zu ihren Längsstirnseiten geteilt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbzeug
- 2
- Teil
- 2.1 bis 2.n
- Seltenerdmagnet
- 3
- Teil
- 3.1 bis 3.n
- Seltenerdmagnet
- A.1
- Flachseite
- A.2
- Flachseite
- A.3
- Stirnseite (Längsstirnseite)
- A.4
- Stirnseite (Längsstirnseite)
- A.5, A.6
- Stirnseite
- D
- Diffusion
- M
- Magnetische Ausrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014219893 A1 [0002]
