DE102020130671A1

DE102020130671A1 - Verbundmagnete und verfahren zur herstellung von verbundmagneten

Info

Publication number: DE102020130671A1
Application number: DE102020130671.7A
Authority: DE
Inventors: Chuanbing Rong; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2021-05-27
Also published as: CN112825279A; US20210158999A1

Abstract

Diese Offenbarung stellt Verbundmagnete und Verfahren zur Herstellung von Verbundmagneten bereit. Ein Verbunddauermagnet beinhaltet eine erste hartmagnetische Schicht, die aus einem verdichteten Pulvermaterial gebildet ist, und eine weichmagnetische Schicht, die aus einem Folienmaterial gebildet ist und über die erste hartmagnetische Schicht auftragen wird. Der Verbunddauermagnet beinhaltet auch eine zweite hartmagnetische Schicht, die über der weichmagnetischen Schicht gebildet ist. Die Kombination aus der ersten hartmagnetischen Schicht, der weichmagnetischen Schicht und der zweiten hartmagnetischen Schicht definiert eine anisotrope geschichtete Innenstruktur innerhalb des Verbunddauermagneten.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Verbunddauermagneten mit hartmagnetischen und weichmagnetischen Phasen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Dauermagneten weisen aufgrund ihres anhaltenden Dauerflusses eine breite Anwendung auf. Seltenerd-Dauermagneten, wie etwa Nd-Fe-B- oder Sm-Co-Dauermagneten, beinhalten Seltenerdelemente, die sich durch eine hervorragende hartmagnetische Leistung auszeichnen, erkennbar durch eine hohe Koerzivität, eine hohe Flussdichte und daher eine hohe Energiedichte. Herkömmliche Sm-Co- und Nd-Fe-B-Magnete sind aufgrund geringer natürlicher Vorkommen kostenintensiv und weisen begrenzte Möglichkeiten zur Verbesserung der magnetischen Leistung auf.
Ein Ansatz zur Verbesserung der magnetischen Leistung bei Sm-Co- und Nd-Fe-B-Dauermagneten besteht darin, eine weichmagnetische Phase, wie etwa Fe und/oder Fe-Co hinzuzufügen. Die weichmagnetische Phase weist eine hohe magnetische Flussdichte auf, welche die Remanenz des fertigen Magneten erhöht und somit die daraus resultierende Energieerzeugungsanwendung verbessert. Herkömmliche Verbundmagnete werden gebildet, indem NdFeB oder SmCo die weichmagnetische Phase zugefügt wird, wobei diese Magnete jedoch keine höhere magnetische Leistung als herkömmliche gesinterte Nd-Fe-B-Magnete erreichen, da zwar die Remanenz erhöht wird, aber die Koerzivität geopfert wird.
Ein anderer Ansatz zum Hinzufügen weichmagnetischer Phasen zu den hartmagnetischen Phasen beinhaltet die Verwendung von Nanoverbundtechnologie, wie etwa Schmelzschleudern, Kugelmahlen oder anderen ähnlichen Techniken. In nach diesen Verfahren hergestellten Magneten ist die Korngröße der weichmagnetischen Phase extrem klein (d. h. kleiner als 100 nm).
KURZDARSTELLUNG
Ein Verbunddauermagnet beinhaltet eine Vielzahl von ersten Schichten, die aus einem hartmagnetischen Material gebildet sind, und eine Vielzahl von zweiten Schichten, die aus einem weichmagnetischen monolithischen Folienmaterial gebildet sind. Jede der zweiten Schichten ist zwischen zwei unterschiedlichen ersten Schichten verwoben und jede der ersten Schichten ist aus einem verdichteten Pulver aus hartmagnetischen Partikeln gebildet.
Ein Verbunddauermagnet beinhaltet eine erste hartmagnetische Schicht, die aus einem verdichteten Pulvermaterial gebildet ist, und eine weichmagnetische Schicht, die aus einem Folienmaterial gebildet ist und über die erste hartmagnetische Schicht auftragen wird. Der Verbunddauermagnet beinhaltet auch eine zweite hartmagnetische Schicht, die über der weichmagnetischen Schicht gebildet ist. Die Kombination aus der ersten hartmagnetischen Schicht, der weichmagnetischen Schicht und der zweiten hartmagnetischen Schicht definiert eine anisotrope geschichtete Innenstruktur innerhalb des Verbunddauermagneten.
Ein Verfahren zum Bilden eines Verbunddauermagneten beinhaltet das Bereitstellen eines Pulvers aus hartmagnetischen Körnern, um eine erste Schicht zu bilden und das Auftragen eines Folienmaterials aus weichmagnetischen Material, um eine zweite Schicht zu bilden, die über der ersten Schicht aufgebracht ist. Das Verfahren beinhaltet auch das Bereitstellen eines Pulvers aus hartmagnetischen Körnern, um eine dritte Schicht zu bilden, die über der zweiten Schicht aufgebracht ist. Jede der ersten Schicht, der zweiten Schicht und der dritten Schicht ist derart kombiniert, dass das weichmagnetische Material zwischen zwei benachbarten Schichten aus hartmagnetischem Material verwoben ist.
Figurenliste

1 ist ein Verlauf, der magnetische Hysteresekurven von Verbundmagneten mit unterschiedlichen Korngrößen jeweiliger weichmagnetischer Phasen darstellt.
2 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verbunddauermagneten mit wechselnden Schichten von magnetischen Phasen.
3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Verbunddauermagneten mit wechselnden Schichten von magnetischen Phasen.
4A ist eine schematische Darstellung, die eine Montagestufe eines beispielhaften Verfahrens zum Bilden eines Verbunddauermagneten darstellt.
4B ist eine schematische Darstellung, die eine Heißverdichtungsstufe eines beispielhaften Verfahrens zum Bilden eines Verbunddauermagneten darstellt.
4C ist eine schematische Darstellung, die eine Heißverformungsstufe eines beispielhaften Verfahrens zum Bilden eines Verbunddauermagneten darstellt.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden eines Verbunddauermagneten zeigt.
6A ist eine schematische Darstellung, die ein beispielhaftes Verfahren additiver Fertigung zum Bilden eines Verbunddauermagneten darstellt.
7 ist eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Verbunddauermagneten mit wechselnden Schichten von magnetischen Phasen.
8 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verbunddauermagneten mit einer Netzstruktur von miteinander vermischten magnetischen Phasen.
9 ist ein Verlauf, der magnetische Hysteresekurven von Verbundmagneten sowohl mit als auch ohne nicht magnetische Beschichtung darstellt, die um jeweilige weichmagnetische Phasen angeordnet ist.
10 ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres beispielhaftes Verfahren zum Bilden eines Verbunddauermagneten zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden in dieser Schrift beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die in der vorliegenden Schrift offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Darüber hinaus sind alle numerischen Werte bei der Beschreibung des breiteren Umfangs dieser Offenbarung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen, es sei denn, es ist ausdrücklich etwas anderes angegeben. Eine Umsetzung innerhalb der genannten numerischen Grenzen ist allgemein vorzuziehen. Außerdem impliziert die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Material als geeignet oder bevorzugt für einen bestimmten Zweck in Verbindung mit der Offenbarung, dass Mischungen von zwei oder mehr beliebigen Elementen der Gruppe oder Klasse ebenso geeignet oder bevorzugt sein können, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist.
Bestimmte ferromagnetische Materialien kehren nicht vollständig zur Nullmagnetisierung zurück, nachdem ein angelegtes Magnetfeld in einer einzelnen Richtung entfernt wurde. Das Ausmaß der Magnetisierung, die der Magnet bei einem einwirkenden Magnetfeld von null beibehält, wird hierin als Remanenz bezeichnet. Die Magnetisierung muss durch ein Feld in der entgegengesetzten Richtung wieder auf Null gebracht werden. Dieses Ausmaß an entgegenwirkendem Feld, das erforderlich ist, um den Magneten zu entmagnetisieren, wird als dessen Koerzitivität bezeichnet. Wenn ein wechselndes Magnetfeld an das Material angelegt wird, umreißt dessen Magnetisierung eine Schleife, die als Hystereseschleife bekannt ist. Fehlende Rückverfolgbarkeit der Magnetisierung verdeutlicht Hystereseeigenschaften in dem Magneten. Diese Eigenschaft kann als magnetischer „Speicher“ betrachtet werden. Wie nachstehend ausführlicher erörtert, behalten einige Zusammensetzungen von ferromagnetischen Materialien eine angelegte Magnetisierung auf unbestimmte Zeit und sind als „Dauermagnete“ nützlich.
Ein Material mit hoher Remanenz und hoher Koerzitivität, aus dem Dauermagnete hergestellt sind, kann als „hartmagnetisch“ bezeichnet werden. Derartige Materialien können im Gegensatz zu „weichmagnetischen“ Materialien stehen, aus denen nicht dauerhafte magnetische Komponenten gebildet werden (z. B. Transformatorkerne und Spulen für Elektronik). Sobald es magnetisiert ist, behält ein hartmagnetisches Material seine magnetischen Eigenschaften bei und es ist schwierig, es zu entmagnetisieren. Umgekehrt ist ein weichmagnetisches Material relativ leicht zu entmagnetisieren und viele weichmagnetische Materialien beginnen zu entmagnetisieren, sobald ein angelegtes Magnetfeld entfernt wird.
Die höhere Koerzitivität von hartmagnetischen Materialien macht sie zur Verwendung geeignet, wenn es für ein angelegtes Magnetfeld unerwünscht sein kann, sie zu entmagnetisieren. Hartmagnetische Materialien sind daher zur Verwendung als Dauermagnete (z. B. in einem Rotor einer elektrischen Maschine) geeignet, wo sie den besten Nutzen für magnetische Ausgestaltungen aufweisen. Um die magnetische Leistung, wie etwa die Remanenz und das Energieprodukt eines Verbunddauermagneten zu verbessern, ist mindestens eine hartmagnetische Phase (z. B. Nd-Fe-B oder Sm-Co) zwischen einer Vielzahl von ausgerichteten weichmagnetischen Phasen ( z. B. Fe und/ oder Fe-Co) verwoben. Abwechselnde Schichten zwischen der hartmagnetischen und der weichmagnetischen Phase reduzieren die Menge des erforderlichen hartmagnetischen Materials, wodurch die Gesamtkosten des Dauermagneten reduziert werden, ohne die elektromagnetische Leistung zu opfern.
Unter Bezugnahme auf 1 zeigt der Verlauf 100 magnetische Eigenschaften eines Verbunddauermagneten gemäß der vorliegenden Offenbarung. Konkreter stellt der Verlauf 100 eine Hystereseschleife dar, die in Form der Magnetisierung M in Abhängigkeit von der einwirkenden Magnetfeldstärke H aufgetragen ist. Die horizontale Achse 102 stellt die Stärke des einwirkenden Magnetfelds H dar (z. B. in kA/m oder Oe dargestellt). Die vertikale Achse 104 stellt die Magnetisierung des Dauermagneten J dar (z. B. in Tesla oder Gauß dargestellt). Die Kurve 106 stellt die Hysteresekurve für einen Dauermagneten dar, der große Weichphasenpartikel (z. B. größer als etwa 50 nm) aufweist, die eine entkoppelte Wechselwirkung zwischen der hartmagnetischen und der weichmagnetischen Phase aufweist. Die Kurve 108 ist eine idealisierte Kurve, welche die Leistung eines strukturierten magnetischen Materials darstellt, das mit großen Korngrößen schwer zu bilden sein kann. Wenn die streng geregelte Mikrostruktur mit der kleineren Korngröße erreicht wird, erzeugt sie eine gute Rechtwinkligkeit, wie schematisch durch die Kurve 108 gezeigt. Die Glätte der M-H-Kurven zeigt auch die Kopplung zwischen den hartmagnetischen Phasen und den weichmagnetischen Phasen, da die Ausrichtung die Leistung in herkömmlichen Dauermagneten stark beeinflusst.
Die Einbettung von weichmagnetischen Phasen in Dauermagneten verursacht die Verschlechterung der magnetischen Leistungsfähigkeit von Dauermagneten (das heißt, deutlich geringere Koerzitivität und Remanenz). Zusätzlich macht eine geknickte M-H-Kurve es für Motoranwendungen unmöglich. Wenn die mittlere Korngröße der weichen Phase zum Beispiel größer als 20 bis 50 nm ist, wie durch die Kurve 106 dargestellt, weist die Hysteresekurve eine Wellenform oder einen Knick auf, wie in der Kurve 106 von Verlauf 100 gezeigt, was ein Fehlen ausreichender Kopplung zwischen der hartmagnetischen und der weichmagnetischen Phase angibt. Eine Lösung zur Verwirklichung des Verbundmagneten mit annehmbaren magnetischen Eigenschaften besteht in dem Reduzieren der kristallinen Korngröße der weichmagnetischen Phase auf Nanoebene, d. h. dutzende Nanometer. Typische Prozesse sind Kugelmahlen, Schmelzschleudern.
Die Legierungen, aus denen Dauermagnete hergestellt werden, können metallurgisch schwierig zu handhaben sein. Daher kann der Prozess des Erzeugens von Körnern auf Nanoebene zum Herstellen von Hochleistungsmagneten äußerst unpraktisch sein. Das heißt, die Materialien können hartmagnetisch und spröde sein. Die Materialien können gegossen und dann in Form gemahlen werden oder anfänglich zu einem Pulver gemahlen und anschließend in eine gewünschte Form geformt werden. Während der Pulverstufe können die Materialien mit oder ohne Harzbindemittel vermischt, in Gegenwart eines starken Magnetfelds verdichtet und wärmebehandelt werden. Eine maximale Anisotropie des Materials ist wünschenswert, weshalb die Endmaterialien häufig wärmebehandelt werden. Dauermagnete, die für Elektromotoranwendungen konfiguriert sind, können gesinterte Festkörpermagnete oder stoffgebundene Magnete sein. Außerdem können Seltenerd-Dauermagneten für Motoranwendungen geeignet sein, bringen jedoch häufig höhere Kosten mit sich. Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann es wünschenswert sein, den Gehalt an Seltenerd-Magneten zu reduzieren, ohne die magnetische Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine zu beeinträchtigen.
Unter Bezugnahme auf 2 zeigt ein schematisches Diagramm eine beispielhafte Zusammensetzung des Dauermagneten 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Dauermagnet 200 beinhaltet eine Vielzahl von hartmagnetischen Schichten 202, die zwischen einer Vielzahl von weichmagnetischen Schichten 204 verwoben sind. Bei den hartmagnetischen Materialien der Schichten 202 kann es sich unter anderem um NdFeB, SmCo₅, MnBi, Sm-Fe-C oder andere geeignete Dauermagnetmaterialien oder -verbindungen oder Kombinationen davon handeln. Bei den Materialien der weichmagnetischen Schichten 204 kann es sich unter anderem um Fe, Co, FeCo, Ni oder Kombinationen davon handeln. In einigen Beispielen können weichmagnetischen Schichten auch eine halbhartmagnetische Phase, wie etwa unter anderem Al-Ni-Co, Fe-N, ein L10-Material, Mn-Al, Mn-Al-C, Mn-Bi oder andere ähnliche Materialien umfassen. In weiteren Beispielen kann die hartmagnetische Phase eine Kombination von Materialien umfassen, wie etwa unter anderem einen Verbundstoff aus Nd-Fe-B + a-Fe(Co), und kann einen einstellbaren Gehalt an Fe(Co), SmCo + Fe(Co), von der Eutektoide versetztem SmCo, NdFeB-Legierungen oder ähnlichen Materialien beinhalten. In weiteren Beispielen weisen hartmagnetische Schichten, die nahe einer Außenfläche des fertigen Verbunddauermagneten 200 positioniert sind, in Bezug auf hartmagnetische Schichten nahe einem Mittelabschnitt des fertigen Magneten unterschiedliche elektromagnetische Eigenschaften auf. Anders ausgedrückt ist eine erste hartmagnetische Schicht an einem ersten Abschnitt des Verbundmagneten angeordnet und ist eine zweite hartmagnetische Schicht mit einzigartigen elektromagnetischen Eigenschaften an einem zweiten Abschnitt des Verbundmagneten angeordnet. Im Kontext der Darstellung aus 2 kann die hartmagnetische Mittelschicht 208 in Bezug auf die hartmagnetischen Außenschichten 210, 212 unterschiedliche elektromagnetische Eigenschaften aufweisen.
Die weichmagnetischen Schichten 204 sind in die hartmagnetischen Schichten 202 integriert, sodass die Schichten zwischen hartmagnetischen und weichmagnetischen Schichten wechseln. Die Schichten können durch eine beliebige Anzahl von Verfahren zusammengefügt werden, wie etwa zum Beispiel durch ein Klebemittel aneinander gebunden oder durch Sintern zusammengefügt werden. In Bezug auf diese Konfiguration kann die Dicke der weichmagnetischen Schichten dicker als auf Nanoebene sein und dennoch die gewünschte Dauermagnetleistung liefern. In einigen Beispielen können die weichmagnetischen Schichten eine Schichtdicke aufweisen, die im Vergleich zu den Teilchen auf Nanoebene, die herkömmlichen Verbundmagneten zugeordnet sind, erheblich größer ist. Insbesondere können die weichmagnetischen Schichten eine geeignete Leistung mit Dicken im Submikrometer-, Mikrometer- oder sogar Submillimeter-Bereich bereitstellen. Diese größere Größe reduziert die Fertigungskosten und ermöglicht alternative Herstellungsverfahren. Wenngleich beispielhafte Dicken beispielhaft bereitgestellt werden, ist jedoch anzumerken, dass die einzelnen Schichten eine beliebige geeignete Dicke und/oder Korngröße in der Größenordnung von Submikrometer bis hin zu Submillimeter aufweisen können.
Der Pfeil 206 stellt die kristallografische Struktur der hartmagnetischen Schichten schematisch dar (d. h., dass die c-Achse von jedem der Körner der hartmagnetischen Schichten ausgerichtet ist). Die durch den Pfeil 206 dargestellte Linie kann auch als die Vorzugsachse oder die magnetisierte Richtung der hartmagnetischen Phase bezeichnet werden. In einigen Beispielen weisen die weichmagnetischen Schichten 204 auch eine kristallografische Struktur auf. Aufgrund des hohen Flusses, der durch die weichmagnetische Phase bereitgestellt wird, wie durch die Hystereseschleife in 1 gezeigt, können die gesättigte Polarisation und Remanenz des resultierenden Dauermagneten verbessert werden. Ferner kann aufgrund der vergrößerten Abmessung der weichmagnetischen Schichten ein Verbundmagnet mit hartmagnetischen und weichmagnetischen Schichten mit einer verbesserten Struktur hergestellt werden, die mit herkömmlichen Nanoverbunddauermagneten nicht erreicht werden kann. Gemäß einigen Beispielen bildet die Kombination der hartmagnetischen Schichten und der weichmagnetischen Schichten eine anisotrope Innenstruktur für den insgesamt fertigen Verbundmagneten.
Wie hierin verwendet, wird die mittlere Korngröße austauschbar als „Korngröße“ bezeichnet und als eine minimale Abmessung der Kristalle (z. B. der mittlere Durchmesser einer Kugel usw.) definiert. Das Regulieren der Korngröße und -form auf eine gewünschte Konfiguration kann eine verbesserte magnetische Leistung in dem fertigen Dauermagneten bereitstellen. Gleichermaßen können die Formen der einzelnen Materialkörner der hartmagnetischen Schichten unter anderem ovale oder elliptische Formen und/oder Flockenformen beinhalten. Die hartmagnetischen Körner können ebenfalls eine Mischung der rechteckigen Formen und ovalen Formen beinhalten oder nur Körner einer einzelnen Art von Form beinhalten. In einigen Beispielen weist die hartmagnetische Phase Körner mit einer Kugelform auf, die einen Durchmesser aufweist, der kleiner als die Breite der länglichen Körner ist. Die Form der Körner kann die Leistung auf vielfältige Weise beeinflussen, unter anderem kann sie etwa die Korngrenzen verbessern, hochstrukturierte Bereiche bereitstellen, ein Zusammenspiel von Magnetismus und Ästhetik bereitstellen, was zu Kornstreckung führt.
Um die Kopplung zwischen der hartmagnetischen und der weichmagnetischen Phase zu verbessern sowie die Gleichmäßigkeit der Schichten zu verbessern, wird die Form der weichmagnetischen Phase als eine monolithische Schicht bereitgestellt. Die weichmagnetischen Schichten 204 sind in den Figuren so dargestellt, dass sie eine vollständig flache, gleichmäßige rechteckige Form aufweisen, können jedoch mit einer beliebigen geeigneten Form bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann das Folienmaterial eine wellenförmige Form und/oder andere geometrische Formmuster aufweisen, die in dem Folienmaterial vorgeformt sind.
Die Dicke der weichmagnetischen Schichten 204 muss nicht notwendigerweise im Nanobereich liegen. Das heißt, die weichmagnetischen Schichten können mit einer Dicke im Submikrometer-, Multimikrometer- oder sogar Submillimeter-Bereich bereitgestellt werden, ohne die magnetische Leistung zu beeinträchtigen. Die Prozesse zum Herstellen dieser Art von anisotropem Verbundmagneten können im Vergleich zum Stand der Technik unter Verwendung von einfacheren Fertigungstechniken erreicht werden. Wie nachstehend ausführlich erörtert, können Sinterprozesse, Heißverformungsprozesse und additive Fertigungsprozesse (d. h. „3D-Druck“) alle geeignete Alternativen zum Herstellen von Dauermagneten gemäß der vorliegenden Offenbarung sein. Gemäß einigen alternativen Beispielen werden die hartmagnetischen Schichten 202 verdichtet und vorgesintert, bevor sie mit den weichmagnetischen Schichten 204 (z. B. monolithisches Folienmaterial) zusammengesetzt werden (z. B. gesinterte Magnete). Gemäß anderen alternativen Beispielen können die weichmagnetischen Schichten 204 aus einem halbhartmagnetischen Material oder sogar einer anderen Art von hartmagnetischen Material mit gewünschten Eigenschaften gebildet sein.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Verbundmagnet 300 durch Sintern mehrerer Schichten nach dem Verdichten gebildet. Die hartmagnetischen Schichten 302 werden aus einem pulverförmigen Material 306 gebildet, das zwischen jeder der weichmagnetischen Schichten 304 aufgebracht ist. Das Sintern kann die einzelnen Schichten aneinander binden, ohne dass zusätzliche Bindemechanismen erforderlich sind. In einigen Alternativen kann ein Klebemittelmaterial, wie etwa Klebstoff, Epoxidharz oder ein anderes Bindemittel, auf jede Schicht aufgetragen werden, um das pulverförmige Material 306 an benachbarte Schichten zu kleben. Jede der Schichten kann durch Abwechseln zwischen Schichttypen bei jeder benachbarten Schicht aufgetragen werden. Die einzelnen Körner des pulverförmigen Materials 306 sind in 3 als kugelförmig dargestellt, aber die Formen können während des Verdichtens gebildet werden, um im fertigen Dauermagneten 300 flacher und länglicher zu werden. Darüber hinaus können während der Herstellung sowohl Druck als auch ein Magnetfeld entlang einer durch den Pfeil 308 dargestellten Richtung angelegt werden, um eine gewünschte kristallografische Struktur zu hervorzurufen. Um das pulverförmige Material 306 zu verfestigen, kann der Verbundmagnet 300 nach dem Verdichten bei Raumtemperatur gesintert werden, um das Binden zwischen den Schichten abzuschließen.
Unter gemeinsamer Bezugnahme auf 4A bis 4C wird ein Verbundmagnet 400 durch Heißverformung gebildet. Die hartmagnetischen Flocken 402 werden abwechselnd zwischen den weichmagnetischen Schichten 404 aufgebracht. Sobald sie verarbeitet sind, bilden die Bereiche, welche die hartmagnetischen Flocken 402 umfassen, hartmagnetische Schichten 406. Außerdem kann die Kornform der hartmagnetischen Flocken 402 eine längliche Form sein, wie etwa unter anderem eine elliptische Form, eine rechteckige Form oder eine geschichtete Form. Ähnlich den vorstehend erörterten Beispielen können die Körner der hartmagnetischen Schicht zunächst so bereitgestellt werden, dass sie, während sie unverarbeitet sind, eine andere Kornform (z. B. kugelförmig) aufweisen und dann während der Verformung abgeflacht werden.
Unter besonderer Bezugnahme auf 4B werden die Schichten 404 und 406 durch Heißverdichten kombiniert, um die pulverförmigen Abschnitte des Verbundmagneten 400 zu verfestigen. Gemäß einigen Beispielen wird in einer geschlossenen Matrize 408 Druck auf eine Säule aus geschichteten Materialien ausgeübt, wie etwa die vorstehend in Bezug auf 4A beschriebenen, einschließlich der losen Metallpartikel von hartmagnetischen Flocken 402. Der Druck wird durch einen Kolben 410 ausgeübt, der angeordnet ist, um sich entlang der Richtung des Pfeils 412 vorwärtszubewegen. Wenn die Metallpulver innerhalb der geschlossene Matrize 408 gepresst werden, können sie im Allgemeinen in die Richtung des ausgeübten Drucks fließen. Die geschlossene Matrize 408 beinhaltet zudem Seitenwände 414, welche die seitlichen Abschnitte des Verbundmagneten 400 während des Verdichtens halten.
Während des Verdichtungsprozesses aus 4B wird auch Wärme angewandt, um die Verformbarkeit der Materialien zum Formgebung zu verbessern. Während sie sich in der Matrize 408 befinden und während des Verdichtens werden die hartmagnetischen Schichten 406 und die weichmagnetischen Schichten 404 auf eine Temperatur erhitzt, oberhalb welcher die Materialien nicht länger kaltverfestigt bleiben (z. B. 600 bis 850 °C). Zudem stellt das Heißpressen unter kontrollierten Bedingungen dadurch einen Vorteil bereit, dass die Wärme im Allgemeinen die Drücke senkt, die erforderlich sind, um das Pulvermaterial vollständig zu verfestigen und die Porosität aufgrund von Lücken im Pulver zu reduzieren. Die weichmagnetischen Schichten können auch dazu angepasst sein sämtliche Lücken zu füllen oder sich Formunregelmäßigkeiten in benachbarten Schichten anzupassen.
Unter Bezugnahme auf 4C wird eine Heißverformung angewandt, um die Struktur des Verbundmagneten 400 weiter zu entwickeln und seine anisotropen Eigenschaften zu verbessern. Die heiße Verformung entwickelt Struktur zu einer gewünschten Mikrostruktur. Die einzelnen Körner der hartmagnetischen Abschnitte und/oder weichmagnetischen Abschnitte können senkrecht zur Richtung des Verformungspressens ausgerichtet werden. Das Werkstück des Verbundmagneten 400 kann an eine zweite Verformungsmatrize 416 übertragen werden, die dazu konfiguriert ist, einen Kornverformungsprozess zu bewirken. Ein Kolben 418 wird entlang der Richtung 412 vorgeschoben, um den Verbundmagneten 400 zu verformen. Die Heißverformungsmatrize 416 ist ohne Seitenwände bereitgestellt, um zu ermöglichen, dass sich der Verbundmagnet 400 seitlich ausdehnt, wenn er entlang der Richtung des Pfeils 412 komprimiert wird. Anhand der Darstellungen aus 4B und 4C ist der Verbundmagnet von einer Höhe von h1 in 4B zu einer reduzierten Höhe von h2 in 4C plastisch verformt. In bestimmten alternativen Beispielen kann ein Rückwärtsextrusionsprozess angewandt werden, um einen Ringverbundmagneten herzustellen.
Unter Bezugnahme auf 5 stellt das Ablaufdiagramm 500 ein Verfahren zum Bilden eines Dauermagneten mit hartmagnetischen und weichmagnetischen Phasen dar. Bei Schritt 502 wird ein vorbestimmtes Volumen von Flocken oder Pulvern einer hartmagnetischen Phase bereitgestellt. Die Flocken oder Pulver der hartmagnetischen Phase können durch eine beliebige geeignete Technik hergestellt werden, die zunächst hartmagnetische Phasen mit geringer Korngröße erzeugt, wie etwa unter anderem Schmelzschleudern. Durch Verwendung einer kleinen Korngröße in der hartmagnetischen Phase kann das gewünschte Kornwachstum während nachfolgender Verarbeitungsschritte besser gesteuert werden. Gemäß einigen Beispielen, in denen die hartmagnetische Phase in Pulverform vorliegt, kann das Pulver ein HDDR-Pulver sein, das eine Korngröße auf Nanoebene aufweist. Bei der hartmagnetischen Phase kann es sich unter anderem um Nd-Fe-B und Sm-Co handeln. In anderen Beispielen können die hartmagnetischen Partikel einen vorbestimmten Anteil an Partikeln beinhalten, die reich an seltenen Erden sind.
Bei Schritt 504 wird die weichmagnetische Phase bereitgestellt. Die weichmagnetische Phase kann als eine monolithische Schicht mit einer gewünschten Dicke aufgetragen werden. Die Phasen können aus einem festen Schichtmaterial oder alternativ einer Pulverschicht bestehen. Im Fall einer Pulverschicht bildet das Pulver infolge von Heißverdichtung und/oder Heißverformung eine feste Schicht. Gemäß einigen Beispielen wird die Dicke auf Grundlage der gewünschten endgültigen Eigenschaften des fertigen Verbundmagneten ausgelegt. Aufgrund der abwechselnden Konstruktion des Magneten kann die Dicke der weichmagnetischen Schichten dicker sein, zum Beispiel vom Submikrometerbereich bis zum Millimeterbereich. Insbesondere kann die Dicke der weichmagnetischen Schichten 0,1 Mikrometer, 1 Mikrometer, 0,1 mm, 0,5 mm, 1,0 mm oder mehr betragen. Außerdem kann die weichmagnetische Schicht unter anderem aus Fe, Co oder Fe-Co bestehen. In einigen alternativen Beispielen können die weichmagnetischen Schichten stattdessen aus einem halbhartmagnetischen Material oder sogar einer anderen Art von hartmagnetischen Material mit gewünschten Eigenschaften gebildet sein.
Bei Schritt 506 werden Pulver oder Flocken der hartmagnetischen Phase aus Schritt 502 abwechselnd auf die monolithischen Schichten der weichmagnetischen Phase aus Schritt 504 aufgetragen. Das heißt, das hartmagnetische Pulver oder die hartmagnetischen Flocken sind zwischen den weichmagnetischen Schichten verwoben.
Bei Schritt 508 wird der in Vorstufe zusammengesetzte Verbundmagnet in einer Matrize platziert und heißverdichtet, um die pulverförmigen Abschnitte und die verwobenen weichmagnetischen Schichten zu verfestigen sowie die gewünschte Gesamtform des Magneten zu erreichen. Das Heißverdichten bei Schritt 508 kann durch Temperatur, Pressdauer und Pressdruck gesteuert werden, wobei jeder Parameter von den anderen Parametern abhängig sein kann. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen, in denen die Temperatur 550 bis 800 °C betragen könnte, die Pressdauer 5 bis 30 Minuten betragen und der Druck 100 MPa bis 2 GPa betragen.
Bei Schritt 510 wird der verdichtete Magnet heißverformt, um die gewünschte Mikrostruktur zu hervorzurufen. Wie vorstehend beschrieben, können die einzelnen Körner der Pulverschichten in eine gewünschte Form und Ausrichtung ausgebildet werden. Der Heißverformungsschritt 510 kann durch Temperatur, Dauer, Druck und Verformungsgeschwindigkeit gesteuert werden. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen die Temperatur 600 bis 850 °C betragen, das Pressen 5 bis 60 Minuten andauern und der Druck 100 MPa bis 1 GPa betragen. Die Verformungsgeschwindigkeit wird somit durch die Geschwindigkeit der Druckerhöhung oder die Geschwindigkeit der Verschiebung des Pressstempels oder -kolbens gesteuert. Mithilfe des Heißverdichtungs- und Heißverformungsprozesses kann bei Schritt 512 eine kristallografische Mikrostrukturtextur der hartmagnetischen Phase entwickelt werden.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein zusätzlicher beispielhafter Verbundmagnet 600 schematisch dargestellt. Der Verbundmagnet ist teilweise ausgeschnitten gezeigt, um die Konstruktion zu zeigen, die zum Bilden der verwobenen Schichten verwendet wird. Im Fall von 6 wird der Verbundmagnet unter Verwendung von additiver Fertigung gebildet. In einigen Beispielen kann die Pulverbettfusiontechnologie (PBF-Technologie) (powder bed fusion - PBF) zum Sintern des pulverförmigen Materials verwendet werden. In spezifischen Beispielen kann PBF in verschiedenen additiven Fertigungsprozessen verwendet werden, einschließlich zum Beispiel direktes Metalllasersintern (direct metal laser sintering - DMLS), selektives Lasersintern (SLS), selektives Wärmesintern (SHS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und direktes Metalllaserschmelzen (direct metal laser melting - DMLM). Zusätzlich kann in Verbindung mit additiven Fertigungsprozessen Folienbeschichtung aufgetragen werden. Diese Systeme verwenden Laser, Elektronenstrahlen, Thermodruckköpfe oder andere Heizmedien, um ultrafeine Materialschichten in einem dreidimensionalen Raum zu schmelzen oder teilweise zu schmelzen. Sobald jeder Prozess abgeschlossen ist, kann überschüssiges Pulver von dem Objekt gereinigt werden. Ein Vorteil der Verwendung von additiven Fertigungsprozessen besteht in der Fähigkeit, komplexe Konstruktionen zu erzeugen, die komplizierte Merkmale beinhalten, die unter Verwendung herkömmlicher Matrizen, Formen, Fräsen und Bearbeiten teuer, schwierig oder sogar unmöglich zu konstruieren sind.
Ähnlich vorherigen Ausführungsformen wird eine erste hartmagnetische Schicht 602 aus einem vorbestimmten Volumen von Partikeln gebildet. In dem Beispiel aus 6 verfestigen sich die Partikel jedoch durch Platzieren von pulverförmigem Verbundmaterial auf einem additiven Fertigungsbett 606. Ein Laser 608 wird aktiviert, um das pulverförmige Verbundmaterial teilweise zu schmelzen, um die Erzeugung einer festen Komponente zu bewirken. Dann wird eine dreidimensionale Struktur aufgebaut, indem nacheinander Schichten auf vorherige Schichten hinzugefügt werden. Jede nachfolgende Schicht bindet die vorherige Schicht aus geschmolzenem oder teilweise geschmolzenem Material.
Sobald die erste hartmagnetische Schicht 602 bis zur gewünschten Dicke aufgebaut wurde, wird eine weichmagnetische Schicht 604 auftragen. Die weichmagnetische Schicht 604 kann ein monolithisches folienähnliches Material sein, das den vorhergehenden Beispielen ähnlich ist. Ein geeignetes Folienmaterial kann kontinuierlich bereitgestellt werden, wie etwa von einer Massenrolle von Folienmaterial abgegeben werden, die sich an der Arbeitsstation für die additive Fertigung befindet. Die Folie kann abgegeben, platziert, geschnitten und an die vorherige Schicht sowie an andere Vorbereitungsschritte geklebt werden, bevor der Laser aktiviert wird, um die weichmagnetische Schicht 604 zumindest teilweise zu schmelzen. Dann wird der Laser aktiviert, um die weichmagnetische Schicht 604 zu sintern und sie an die zuvor gebildete erste hartmagnetische Schicht 602 zu binden. In alternativen Beispielen können eine oder mehrere der weichmagnetischen Schichten als Pulver oder andere Partikel mit gewünschten weichmagnetischen Eigenschaften aufgetragen werden, wobei der Laser jede weichmagnetische Schicht auf der vorherigen hartmagnetischen Schicht verfestigt.
Sobald die weichmagnetische Schicht 604 vollständig aufgebracht ist, kann eine zweite hartmagnetische Schicht 610 aufgebracht werden, indem ein pulverförmiges Verbundmaterial auf der obersten Schicht angeordnet wird und der Laser 608 erneut aktiviert wird, um das Pulver zu sintern und es an die verwobene weichmagnetische Schicht 604 zu binden. Dieser Prozess kann wiederholt werden, wobei zwischen hartmagnetischen und weichmagnetischen Materialien gewechselt wird, um eine Mikrostruktur mit gewünschten magnetischen Eigenschaften bereitzustellen. Sobald ein Verbundmagnet 600 ein gewünschtes Gesamtvolumen erreicht, kann das Werkstück in einigen Beispielen zum Beispiel unter Verwendung von Heißverformung mit oder ohne Anlegen eines externen Magnetfelds nachbearbeitet werden, um die Ausrichtung der Polarität des Verbundmagneten 600 zu beeinflussen.
Unter Bezugnahme auf 7 ist ein zusätzlicher beispielhafter Verbundmagnet 700 schematisch dargestellt. Ähnlich den vorhergehenden Beispielen beinhaltet der Verbundmagnet 700 eine Zusammensetzung, die zwischen hartmagnetischen Schichten 706 und weichmagnetischen Schichten 704 wechselt. Jede der hartmagnetischen Schichten 706 kann aus einem vorbestimmten Volumen von Pulver, Flocken oder anderen Partikeln hartmagnetischer Materialien gebildet sein. Die hartmagnetischen Schichten 706 können aus Magnetpulvern gesintert oder durch Heißverdichtung verfestigt werden und die innere Struktur der Schichten 706 kann durch Heißverformung zu einer gewünschten Struktur ausgebildet werden. Ebenfalls ähnlich den vorhergehenden Beispielen kann die anisotrope Richtung der hartmagnetischen Phasen durch die Verarbeitungstechniken beeinflusst werden, einschließlich beispielsweise des Heißverformungsprozesses und/oder des Anlegens eines Magnetfelds während der Herstellung des Verbundmagneten. Gemäß dem Beispiel aus 7 ist die Vorzugsachse des Verbundmagneten 700 durch die Richtung der Pfeile 708 angegeben.
Jede der weichmagnetischen Schichten 704 beinhaltet eine Außenbeschichtung 710, die auf eine Außenfläche aufgebracht ist. Durch Hinzufügen einer dünnen Beschichtungsschicht, welche die weichmagnetischen Schichten 704 umgibt, kann der Entmagnetisierungsprozess der hartmagnetischen Phasen 706 verhindert oder verzögert werden. Infolgedessen kann die Koerzitivität des fertigen Verbundmagneten verbessert werden. Der Außenbeschichtungsabschnitt 710 ist aus einem nicht magnetischen Material, wie etwa Kohlenstoff (C), oder Metallen, wie etwa Cu, Al oder dergleichen, gebildet. In einigen Beispielen ist die Dicke der Außenbeschichtung 710 sehr dünn, wie etwa einige Nanometer.
Unter Bezugnahme auf 8 ist ein weiterer beispielhafter Verbundmagnet 800 schematisch dargestellt. In dem Beispiel aus 8 ist der Verbundmagnet 800 im Gegensatz zu streng abwechselnden Schichten aus einer Netzstruktur gebildet. Der Verbundmagnet 800 beinhaltet eine weichmagnetische Phase 804 und eine hartmagnetische Phase 806. Bei der hartmagnetischen Phase 806 kann es sich unter anderem um NdFeB, SmCo₅, MnBi, Sm-Fe-C oder andere geeignete Dauermagnetmaterialien oder -verbindungen oder Kombinationen davon handeln. Bei der weichmagnetischen Phase 804 kann es sich unter anderem um Fe, Co, FeCo, Ni oder Kombinationen davon handeln. Bei der weichmagnetischen Phase kann es sich in einigen Ausführungsformen um eine halbhartmagnetische Phase, wie etwa unter anderem Al-Ni-Co, Fe-N, ein LlO-Material, Mn-Al, Mn-Al-C, Mn-Bi oder andere ähnliche Materialien, handeln. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen die harte Phase eine Kombination von Materialien umfassen, wie etwa unter anderem einen Verbundstoff aus Nd-Fe-B + a-Fe(Co), und kann einen einstellbaren Gehalt an Fe(Co), SmCo + Fe(Co), von der Eutektoide versetztem SmCo, NdFeB-Legierungen oder ähnlichen Materialien beinhalten. Die weichmagnetische Phase 804 ist so in die hartmagnetische Phase 806 integriert, dass die mittlere Korngröße der weichmagnetischen Phase 804 größer als bei herkömmlichen Dauermagneten ist. Die Pfeile 808 in der harten Phase in 8 zeigen schematisch die kristallografische Struktur der hartmagnetischen Phase (d. h., dass die c-Achse der Körner der hartmagnetischen Phase ausgerichtet ist).
Gemäß einigen Beispielen kann die hartmagnetische Phase 806 eine Korngröße von 10 nm bis 100 µm, in einigen Ausführungsformen 50 nm bis 50 µm und in anderen Ausführungsformen 75 nm bis 25 µm aufweisen. Wenngleich beispielhafte Bereiche bereitgestellt sind, ist jedoch anzumerken, dass die hartmagnetische Phase eine beliebige geeignete Korngröße in der Größenordnung von dutzenden Nanometern bis dutzenden Mikrometern aufweisen kann. Die Korngröße und -form der weichmagnetischen Phase 804 stellt eine verbesserte magnetische Leistung in den fertigen Dauermagneten bereit. Um eine gute Kopplung zwischen den hartmagnetischen und weichmagnetischen Phasen zu erreichen, kann die Form der weichmagnetischen Phasen 804 eine längliche Form, wie etwa unter anderem eine elliptische Form, eine irreguläre Flockenform, eine rechteckige Form oder eine geschichtete Form, sein. In bestimmten Beispielen weisen die Körner der weichmagnetischen Phase eine Korngröße von mindestens 50 nm, in anderen Ausführungsformen von 50 bis 1000 nm und in noch anderen Ausführungsformen von mindestens 75 nm auf. In bestimmten Ausführungsformen weist die weichmagnetische Phase 804 eine mittlere Kornhöhe Hi von etwa 20 bis 500 nm, in einigen Ausführungsformen von etwa 30 bis 200 nm und in anderen Ausführungsformen von etwa 50 bis 500 nm auf. Zusätzlich weist die weichmagnetische Phase eine mittlere Kornbreite Wi von mindestens 50 nm, in einigen Ausführungsformen von mindestens 100 nm und in anderen Ausführungsformen von 100 bis 1000 nm auf.
Die Form der einzelnen Körner kann die Leistung auf vielfältige Weise beeinflussen, unter anderem kann sie etwa die Korngrenzen verbessern, hochstrukturierte Bereiche bereitstellen, ein Zusammenspiel von Magnetismus und Ästhetik bereitstellen, was zu Kornstreckung führt. Die weichmagnetische Phase 804 ist zwar als rechteckige Form gezeigt, kann jedoch eine beliebige geeignete Form aufweisen, wie etwa unter anderem eine ovale oder elliptische Form 810, eine geschichtete Form (vorstehend diskutiert) oder eine Flockenform (nicht gezeigt). Die weichmagnetischen Körner können eine Mischung aus rechteckigen Formen, wie etwa jenen, die für die weichmagnetische Phase 804 gezeigt sind, den ovalen und elliptischen Formen 810 beinhalten oder nur Körner einer Form beinhalten. In einigen Beispielen weist die weichmagnetische Phase 804 anfänglich Körner mit einer Kugelform auf, die einen Durchmesser aufweist, der kleiner als die Breite der länglichen Körner ist. Wie ebenfalls vorstehend erörtert, kann die kugelförmige Form so ausgebildet sein, dass sie sich während der Heißverformung langstreckt. Beispielsweise kann der Durchmesser kleiner als 500 nm sein und in anderen Beispielen kann der Durchmesser kleiner als 250 nm sein. In einigen Beispielen kann die längliche Form der weichmagnetischen Körner durch ein Aspektverhältnis der Körner als ein Verhältnis der Kornbreite (W) (oder Länge) zur Kornhöhe (H) charakterisiert sein. In einem konkreten Beispiel definiert die weichmagnetische Phase ein Komaspektverhältnis von mehr als 2:1 und in weiteren Beispielen kann das Kornseitenverhältnis mehr als 10:1 betragen.
Die weichmagnetische Phase 804 beinhaltet auch eine nicht magnetische Außenbeschichtung 812, die um jedes der einzelnen Körner gebildet ist. Die nicht magnetische Beschichtung kann zum Beispiel aus einem nicht metallischen Material gebildet sein. Gemäß dem Beispiel aus 8 umgibt eine Außenbeschichtung 812 jedes Korn der weichmagnetischen Phase 804. Wie vorstehend erörtert, kann das Hinzufügen einer dünnen Beschichtungsschicht auf die weichmagnetischen Schichten 804 dazu beitragen, den Entmagnetisierungsprozess der hartmagnetischen Phase 806 zu verzögern. Die nicht magnetische Beschichtung kann auch dazu beitragen, Wirbelstromverluste während eines Hochfrequenzmotorbetriebs zu reduzieren.
Unter Bezugnahme auf 9 zeigt ein Verlauf 900 magnetischer Eigenschaften eines Verbunddauermagneten gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Verlauf 900 stellt eine Hystereseschleife dar, die in Form der Magnetisierung M in Abhängigkeit von der einwirkenden Magnetfeldstärke H aufgetragen ist. Die horizontale Achse 902 stellt die Stärke des einwirkenden Magnetfelds H dar (z. B. in kA/m oder Oe dargestellt). Die vertikale Achse 904 stellt die Magnetisierung des Dauermagneten J dar (z. B. in Tesla oder Gauß dargestellt). Die Kurve 906 stellt die Hysteresekurve für einen Dauermagneten mit unbeschichteten Partikeln der weichmagnetischen Phase dar. Die Kurve 908 ist eine idealisierte Kurve, welche die Leistung eines Verbundmagneten mit beschichteten weichmagnetischen Phasen darstellt. Die Probe, die der Kurve 908 entspricht, zeigt eine um etwa 20 % verbesserte Koerzitivität im Vergleich zu einer Probe, die unbeschichtete weichmagnetische Phasen aufweist, die der Kurve 906 entsprechen.
Unter Bezugnahme auf 10 stellt das Ablaufdiagramm 1000 ein Verfahren zum Bilden eines Dauermagneten mit hartmagnetischen und weichmagnetischen Phasen dar. Bei Schritt 1002 wird ein vorbestimmtes Volumen von Flocken oder Pulvern einer hartmagnetischen Phase bereitgestellt. Die Flocken oder Pulver der hartmagnetischen Phase können durch eine beliebige geeignete Technik hergestellt werden, die zunächst hartmagnetische Phasen mit geringer Korngröße erzeugt, wie etwa unter anderem Schmelzschleudern. Durch Verwendung einer kleinen Korngröße in der hartmagnetischen Phase kann das gewünschte Kornwachstum während nachfolgender Verarbeitungsschritte besser gesteuert werden. Gemäß einigen Beispielen, in denen die hartmagnetische Phase in Pulverform vorliegt, kann das Pulver ein HDDR-Pulver sein, das eine Korngröße im Nanobereich aufweist. Bei der hartmagnetischen Phase kann es sich unter anderem um Nd-Fe-B und Sm-Co handeln. In anderen Beispielen können die hartmagnetischen Partikel einen vorbestimmten Anteil an Partikeln beinhalten, die reich an seltenen Erden sind.
Bei Schritt 1004 wird die weichmagnetische Phase bereitgestellt. Die weichmagnetische Phase kann als monolithische Schicht mit einer gewünschten Dicke aufgebracht werden, oder die weichmagnetische Phase kann alternativ als Partikel bereitgestellt sein. In weiteren Beispielen können die weichmagnetischen Schichten stattdessen aus einem halbhartmagnetischen Material oder sogar einer anderen Art von hartmagnetischen Material mit gewünschten Eigenschaften gebildet sein.
Bei Schritt 1006 werden die Materialien der weichmagnetischen Phase, ob als Partikel oder Folienmaterial bereitgestellt, vor der Kombinierung mit den hartmagnetischen Materialien beschichtet. Wie vorstehend erörtert, kann die Beschichtung ein beliebiges geeignetes nicht magnetisches Material sein, wie etwa Kohlenstoff, oder Metalle, wie etwa Cu, Al oder dergleichen.
Bei Schritt 1008 wird das weichmagnetische Material mit dem hartmagnetischen Material kombiniert. Wie vorstehend beschrieben, kann die weichmagnetische Phase als monolithische Schichten bereitgestellt sein, die zwischen Schichten von hartmagnetischen Phasen verwoben sind. In anderen Beispielen werden sowohl das weichmagnetische Material als auch das hartmagnetische Material als Pulver oder Flocken bereitgestellt. In diesem Beispiel werden Materialien mit einem vorbestimmten Verhältnis im Pulverzustand vermischt.
Bei Schritt 1010 wird der in Vorstufe zusammengesetzte Verbundmagnet in einer Matrize platziert und heißverdichtet, um die pulverförmigen Abschnitte und die verwobenen weichmagnetischen Schichten zu verfestigen sowie die gewünschte Gesamtform des Magneten zu erreichen. Wie vorstehend erörtert, kann das Heißverdichten bei Schritt 1010 durch Temperatur, Pressdauer und Pressdruck gesteuert werden, wobei jeder Parameter von den anderen Parametern abhängig sein kann.
Bei Schritt 1012 wird der verdichtete Magnet heißverformt, um die gewünschte Mikrostruktur zu hervorzurufen. Wie vorstehend beschrieben, können die einzelnen Körner der Pulverschichten in eine gewünschte Form und Ausrichtung ausgebildet werden. Gleichermaßen kann der Heißverformungsschritt 1012 durch Temperatur, Dauer, Druck und Verformungsgeschwindigkeit gesteuert werden. Mithilfe des Heißverdichtungs- und Heißverformungsprozesses kann bei Schritt 1014 eine kristallografische Mikrostrukturtextur der hartmagnetischen Phase entwickelt werden.
Gemäß einigen Beispielen beinhaltet ein Verbunddauermagnet hartmagnetische Phasen, die zwischen weichmagnetischen Phasen verwoben sind, wobei in einigen Ausführungsformen die Korngröße der weichmagnetischen Phase über 50 nm liegen kann. Zusätzlich kann die Kornform der hartmagnetischen Phasen eine längliche Form sein, wie etwa unter anderem eine ovale Form, eine elliptische Form, eine geschichtete Form, eine Flockenform oder eine Kugelform (mit einem regulierten Durchmesser). Ferner ist der Verbunddauermagnet so gebildet, dass er eine anisotrope Struktur mit einer vorbestimmten Ausrichtung der Vorzugsachse beinhaltet. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ergibt sich aus dem Größen- und Formunterschied zwischen den Körnern der hart- und der weichmagnetischen Phase. Darüber hinaus stellt die Mikrostruktur der hartmagnetischen und der weichmagnetischen Phase eine gute Kopplung bereit, was die Leistung, wie etwa die Remanenz und das Energieprodukt, des Verbunddauermagneten verbessert.
In weiteren Beispielen beinhaltet ein Verbunddauermagnet eine weichmagnetische Phase, die vor der Kombinierung mit der hartmagnetischen Phase mit einer nicht metallischen Beschichtung versehen wird. In einigen konkreten Beispielen wird die nicht metallische Phase als Pulver oder Flocken bereitgestellt. In anderen Beispielen wird die weichmagnetische Phase als monolithisches Folienmaterial bereitgestellt. Sobald sie kombiniert ist, ist die weichmagnetische Phase von der hartmagnetischen Phase über die Außenbeschichtung, die auf Abschnitten der weichmagnetischen Phase aufgebracht ist, isoliert.
Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen werden. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben worden sein könnten, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass bei einem bzw. einer oder mehreren Merkmalen oder Eigenschaften Kompromisse eingegangen werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Diese Attribute können unter anderem Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verbauung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage usw. beinhalten. Demnach liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verbunddauermagnet bereitgestellt, der Folgendes aufweist: eine Vielzahl von ersten Schichten, die aus einem hartmagnetischen Material gebildet sind; und eine Vielzahl von zweiten Schichten, die aus einem weichmagnetischen Material gebildet sind, wobei jede der zweiten Schichten zwischen zwei unterschiedlichen ersten Schichten verwoben ist und jede der ersten Schichten aus einem verdichteten Pulver aus hartmagnetischen Partikeln gebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform weisen sowohl die Vielzahl von ersten Schichten als auch die Vielzahl von zweiten Schichten eine kristallografische Struktur auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vielzahl von ersten Schichten aus mindestens einem von NdFeB, SmCo5, MnBi, Sm-Fe-C oder Kombinationen davon gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Vielzahl von zweiten Schichten aus mindestens einem von Fe, Co, FeCo, Ni oder Kombinationen davon gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Vielzahl von ersten Schichten eine erste hartmagnetische Schicht, die an einem ersten Abschnitt des Verbunddauermagneten angeordnet ist, und eine zweite hartmagnetische Schicht, die an einem zweiten Abschnitt des Verbunddauermagneten angeordnet ist, wobei die erste hartmagnetische Schicht in Bezug auf die zweite hartmagnetische Schicht einzigartige elektromagnetische Eigenschaften bereitstellt.
Gemäß einer Ausführungsform sind die zweiten Schichten aus einem monolithischen Folienmaterial gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform bildet eine Kombination der ersten Schichten und der zweiten Schichten eine anisotrope Innenstruktur.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verbunddauermagnet bereitgestellt, der Folgendes aufweist: eine erste hartmagnetische Schicht, die aus einem verdichteten Pulvermaterial gebildet ist; eine weichmagnetische Schicht, die über der ersten hartmagnetischen Schicht aufgebracht ist; und eine zweite hartmagnetische Schicht, die über der weichmagnetischen Schicht gebildet ist, wobei eine Kombination aus der hartmagnetischen Schicht, der weichmagnetischen Schicht und der zweiten hartmagnetischen Schicht eine anisotrope geschichtete Innenstruktur innerhalb des Verbunddauermagneten definiert.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste hartmagnetische Schicht und die zweite hartmagnetische Schicht zumindest teilweise aus einem von NdFeB, SmCo5, MnBi, Sm-Fe-C oder Kombinationen davon gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die weichmagnetische Schicht zumindest teilweise aus einem aus Fe, Co, FeCo, Ni oder Kombinationen davon gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste hartmagnetische Schicht und die zweite hartmagnetische Schicht jeweils aus unterschiedlichen Materialien gebildet, sodass die Schichten in Bezug aufeinander unterschiedliche elektromagnetische Eigenschaften bereitstellen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhalten die erste hartmagnetische Schicht und die zweite hartmagnetische Schicht jeweils längliche Partikel, die zumindest teilweise während der Heißverformung gebildet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Bilden eines Verbunddauermagneten Folgendes: Bereitstellen eines Pulvers aus hartmagnetischen Körnern, um eine erste Schicht zu bilden; Auftragen eines Folienmaterials aus einem weichmagnetischen Material, um eine zweite Schicht zu bilden, die über der ersten Schicht aufgebracht ist; und Bereitstellen eines Pulvers aus hartmagnetischen Körnern, um eine dritte Schicht zu bilden, die über der zweiten Schicht aufgebracht ist, wobei das weichmagnetische Material zwischen zwei benachbarten Schichten aus hartmagnetische Material verwoben ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch Folgendes gekennzeichnet: Heißverdichten der ersten Schicht, der zweiten Schicht und der dritten Schicht, um einen Pressling zu bilden; und Heißverformen des Presslings, um einen Verbunddauermagneten mit länglichen hartmagnetischen Körnern zu bilden, die innerhalb einer Innenstruktur des Verbunddauermagneten eingebettet sind.
Gemäß eine Aspekt der Erfindung wird das Heißverdichten bei einer Temperatur von 550-800 °C über eine Pressdauer von 5 bis 30 Minuten unter einem Druck von 100 MPa bis 2 GPa durchgeführt.
Gemäß eine Aspekt der Erfindung wird das Heißpressen bei einer Temperatur von 600-850 °C über eine Pressdauer von 5 bis 60 Minuten unter einem Druck von 100 MPa bis 1 GPa durchgeführt.
In einem Aspekt der Erfindung sind die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht durch ein Klebemittel aneinander gebunden.
In einem Aspekt der Erfindung werden die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht durch Sintern zusammengefügt.
In einem Aspekt der Erfindung wird die erste Schicht vor dem Auftragen der zweiten Schicht lasergesintert und wird die zweite Schicht vor dem Bereitstellen der dritten Schicht lasergesintert.
In einem Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren das Anlegen eines Magnetfelds an die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht während der Fertigung, um eine anisotrope Innenstruktur des Verbunddauermagneten zu fördern.

Claims

Verbunddauermagnet, der Folgendes umfasst: eine Vielzahl von ersten Schichten, die aus einem hartmagnetischen Material gebildet sind; und eine Vielzahl von zweiten Schichten, die aus einem weichmagnetischen Material gebildet sind, wobei jede der zweiten Schichten zwischen zwei unterschiedlichen ersten Schichten verwoben ist und jede der ersten Schichten aus einem verdichteten Pulver aus hartmagnetischen Partikeln gebildet ist.
Verbunddauermagnet nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von ersten Schichten aus mindestens einem von NdFeB, SmCo₅, MnBi, Sm-Fe-C oder Kombinationen davon gebildet sind.
Verbunddauermagnet nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von zweiten Schichten aus mindestens einem von Fe, Co, FeCo, Ni oder Kombinationen davon gebildet sind.
Verbunddauermagnet nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von ersten Schichten eine erste hartmagnetische Schicht, die an einem ersten Abschnitt des Verbunddauermagneten angeordnet ist, und eine zweite hartmagnetische Schicht, die an einem zweiten Abschnitt des Verbunddauermagneten angeordnet ist, beinhaltet, wobei die erste hartmagnetische Schicht in Bezug auf die zweite hartmagnetische Schicht einzigartige elektromagnetische Eigenschaften bereitstellt.
Verbunddauermagnet nach Anspruch 1, wobei die zweiten Schichten aus einem monolithischen Folienmaterial gebildet sind.
Verbunddauermagnet, der Folgendes umfasst: eine erste hartmagnetische Schicht, die aus einem verdichteten Pulvermaterial gebildet ist; eine weichmagnetische Schicht, die über der ersten hartmagnetischen Schicht aufgebracht ist; und eine zweite hartmagnetische Schicht, die über der weichmagnetischen Schicht gebildet ist, wobei eine Kombination aus der hartmagnetischen Schicht, der weichmagnetischen Schicht und der zweiten hartmagnetischen Schicht eine anisotrope geschichtete Innenstruktur innerhalb des Verbunddauermagneten definiert.
Verbunddauermagnet nach Anspruch 6, wobei die erste hartmagnetische Schicht und die zweite hartmagnetische Schicht zumindest teilweise aus NdFeB, SmCo5, MnBi, Sm-Fe-C oder Kombinationen davon gebildet sind und die weichmagnetische Schicht zumindest teilweise aus Fe, Co, FeCo, Ni oder Kombinationen davon gebildet ist.
Verbunddauermagnet nach Anspruch 6, wobei die erste hartmagnetische Schicht und die zweite hartmagnetische Schicht jeweils aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, sodass die Schichten in Bezug aufeinander unterschiedliche elektromagnetische Eigenschaften bereitstellen.
Verfahren zum Bilden eines Verbunddauermagneten, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Pulvers aus hartmagnetischen Körnern, um eine erste Schicht zu bilden; Auftragen eines Folienmaterials aus einem weichmagnetischen Material, um eine zweite Schicht zu bilden, die über der ersten Schicht aufgebracht ist; und Bereitstellen eines Pulvers aus hartmagnetischen Körnern, um eine dritte Schicht zu bilden, die über der zweiten Schicht aufgebracht ist, wobei das weichmagnetische Material zwischen zwei benachbarten Schichten aus hartmagnetischem Material verwoben ist.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner Folgendes umfasst: Heißverdichten der ersten Schicht, der zweiten Schicht und der dritten Schicht, um einen Pressling zu bilden; und Heißverformen des Presslings, um einen Verbunddauermagneten mit länglichen hartmagnetischen Körnern zu bilden, die innerhalb einer inneren Struktur des Verbunddauermagneten eingebettet sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Heißverdichten bei einer Temperatur von 550-800 °C über eine Pressdauer von 5 bis 30 Minuten unter einem Druck von 100 MPa bis 2 GPa durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Heißpressen bei einer Temperatur von 600-850 °C über eine Pressdauer von 5 bis 60 Minuten unter einem Druck von 100 MPa bis 1 GPa durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht durch ein Klebemittel aneinander gebunden sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht durch Sintern zusammengefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 wobei die erste Schicht vor dem Auftragen der zweiten Schicht lasergesintert wird und die zweite Schicht vor dem Bereitstellen der dritten Schicht lasergesintert wird.