DE102021114086A1 - Bi-material-permanentmagnete für elektrische maschinen - Google Patents

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Anil K. Sachdev
Jian Yao
Anthony M. Coppola
Thomas W. Nehl
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Abstract

Ein Bi-Material-Permanentmagnet für eine elektrische Maschine umfasst einen Kern mit einem ersten magnetischen Material und einen auf dem Kern befindlichen Hüllenteil aus einem zweiten magnetischen Material. Das erste magnetische Material umfasst ein Magnetmaterial mit einer Energie von weniger als 20 Mega-Gauß-Oersted (MGOe). Das zweite magnetische Material umfasst ein Magnetmaterial mit einer Energie von mehr als 30 MGOe.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Informationen, die dazu dienen, den Kontext der Offenbarung allgemein darzustellen. Arbeiten der vorliegend genannten Erfinder, soweit sie in dieser Einleitung beschrieben sind, sowie Aspekte der Beschreibung, die möglicherweise zum Zeitpunkt der Anmeldung anderweitig nicht als Stand der Technik gelten, werden weder ausdrücklich noch stillschweigend als Stand der Technik gegen diese Offenbarung zugelassen.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Permanentmagnete für elektrische Maschinen und insbesondere auf Bi-Material-Permanentmagnete für elektrische Maschinen.
  • Elektrische Maschinen mit Permanentmagneten, wie z. B. Motoren, werden typischerweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen für den Antrieb eingesetzt. Die Leistung kann durch die Verwendung von Permanentmagneten mit hoher magnetischer Koerzitivfeldstärke (hier als Hochenergiemagnete bezeichnet) verbessert werden. Hochenergiemagnete werden gegenwärtig aus Seltenerdelementen hergestellt. Die Verwendung von aus seltenen Erden bestehenden Permanentmagneten in elektrischen Maschinen mit hohen Stückzahlen ist teuer und wahrscheinlich nicht nachhaltig. Man bemüht sich, aus seltenen Erden bestehende Permanentmagnete durch Magnete mit niedrigerer Energie und geringerer magnetischer Koerzitivfeldstärke zu ersetzen. Bei Magneten mit geringerer Energie kann es jedoch im Betrieb zu einer irreversiblen Entmagnetisierung kommen. Magnete mit niedriger Energie erzeugen ein geringeres Drehmoment und sind möglicherweise nicht in der Lage, die zukünftigen Anforderungen an Elektromotoren für Fahrzeuge und andere Anwendungen von elektrischen Maschinen zu erfüllen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Bi-Material-Permanentmagnet für eine elektrische Maschine umfasst einen Kern mit einem ersten magnetischen Material und einen auf dem Kern befindlichen Hüllenteil aus einem zweiten magnetischen Material. Das erste magnetische Material umfasst ein Magnetmaterial mit einer Energie von weniger als 20 Mega-Gauß-Oersted (MGOe). Das zweite magnetische Material umfasst ein Magnetmaterial mit einer Energie von mehr als 30 MGOe.
  • Bei anderen Merkmalen bilden der Hüllenteil und der Kern einen einzigen Körper. Der Hüllenteil bedeckt eine Außenfläche des Kerns. Der Hüllenteil bedeckt teilweise wenigstens eine Oberfläche des Kerns. Der Hüllenteil weist eine gleichmäßige Dicke auf dem Kern auf. Der Hüllenteil weist eine variable Dicke auf dem Kern auf.
  • Bei anderen Merkmalen umfasst der Hüllenteil einen ersten Hüllenteil, der sich auf einer ersten, dem Umfang zugewandten Oberfläche des Kerns befindet. Der Hüllenteil umfasst einen zweiten Hüllenteil, der sich auf einer zweiten, dem Umfang zugewandten Fläche des Kerns befindet, die der ersten, dem Umfang zugewandten Fläche gegenüberliegt. Das zweite magnetische Material umfasst ein aus seltenen Erden bestehendes magnetisches Material, und das erste magnetische Material ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus einem hartmagnetischen Material und einer hartmagnetischen Verbindung besteht. In dem ersten magnetischen Material sind ein oder mehrere Kühlkanäle ausgebildet. Die Kühlkanäle erstrecken sich von einer Seite des Kerns zu einer gegenüberliegenden Seite des Kerns.
  • Bei anderen Merkmalen besteht der Kern aus einem Laminat mit L Schichten aus dem ersten magnetischen Material, die miteinander verklebt sind, wobei L eine ganze Zahl größer oder gleich eins ist. Der Hüllenteil ist mit dem Kern verklebt und enthält M Schichten aus dem zweiten magnetischen Material, wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich eins ist. Der Hüllenteil ist in einer Ebene quer zu einer Magnetisierungsrichtung unterteilt.
  • Eine Axialflussmaschine umfasst einen Stator und einen ersten Rotor, der dazu ausgelegt ist, sich relativ zum Stator zu drehen und eine Vielzahl der Bi-Material-Permanentmagnete zu umfassen. Ein zweiter Rotor ist dazu ausgelegt, sich relativ zum Stator zu drehen und eine Vielzahl der Bi-Material-Permanentmagnete zu umfassen. Der erste Rotor und der zweite Rotor sind benachbart zu einer ersten Oberfläche bzw. einer zweiten Oberfläche des Stators angeordnet.
  • Eine Radialflussmaschine umfasst einen Stator und einen Rotor, der dazu ausgelegt ist, sich relativ zum Stator zu drehen und eine Vielzahl der Bi-Material-Permanentmagnete zu umfassen.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Bi-Material-Permanentmagneten für eine elektrische Maschine umfasst das Bereitstellen eines Kerns, der ein erstes magnetisches Material umfasst, und das Abscheiden eines aus einem zweiten magnetischen Material hergestellten Hüllenteils auf den Kern durch Zuführen eines das zweite magnetische Material umfassenden Pulvers auf den Kern und Erhitzen des Kerns und des Pulvers unter Verwendung eines Lasers. Das erste magnetische Material umfasst ein Magnetmaterial mit einer Energie von weniger als 20 Mega-Gauß-Oersted (MGOe) und das zweite magnetische Material umfasst ein Magnetmaterial mit einer Energie von mehr als 30 MGOe.
  • Bei anderen Merkmalen wird das Pulver mit dem zweiten magnetischen Material auf den Kern aufgesprüht. Die Hülle bedeckt eine Außenfläche des Kerns. Die Hülle bedeckt wenigstens eine Oberfläche des Kerns. Die Hülle weist eine gleichmäßige Dicke auf dem Kern auf. Die Hülle weist eine variable Dicke auf dem Kern auf. Das Abscheiden der Hülle umfasst das Abscheiden eines ersten Hüllenteils auf einer ersten, dem Umfang zugewandten Oberfläche des Kerns und das Abscheiden eines zweiten Hüllenteils auf einer zweiten, dem Umfang zugewandten Oberfläche des Kerns.
  • Bei anderen Merkmalen umfasst das zweite magnetische Material ein Material, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Neodym und Samarium-Cobalt besteht, und das erste magnetische Material ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus einem hartmagnetischen Material und einer hartmagnetischen Verbindung besteht.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Bi-Material-Permanentmagneten für eine elektrische Maschine umfasst das Auswählen eines ersten magnetischen Materials, das eine Energie von weniger als 20 Mega-Gauß-Oersted (MGOe) erzeugt, das Auswählen eines zweiten magnetischen Materials, das eine Energie von mehr als 30 MGOe erzeugt, das Erzeugen einer Hülle unter Verwendung des zweiten magnetischen Materials, wobei die Hülle einen Hohlraum definiert, und das Füllen des Hohlraums der Hülle mit dem ersten magnetischen Material.
  • Bei anderen Merkmalen umfasst das Füllen des Hohlraums der Hülle mit dem ersten magnetischen Material das Füllen des Hohlraums mit einem Pulver, das das erste magnetische Material und einen Klebstoff umfasst, und das Anwenden von wenigstens einem von Druck und Wärme. Das Füllen des Hohlraums der Hülle mit dem ersten magnetischen Material umfasst das Spritzgießen des ersten magnetischen Materials in den Hohlraum.
  • Bei anderen Merkmalen umfasst das Verfahren das Hinzufügen von Opfermaterial an gewünschten Stellen für einen oder mehrere Kühlkanäle vor dem Füllen des Hohlraums mit dem ersten magnetischen Material und nach dem Füllen des Hohlraums mit dem ersten magnetischen Material das Entfernen des Opfermaterials, um den einen oder die mehreren Kühlkanäle zu bilden. Der eine oder die mehreren Kühlkanäle erstrecken sich durch den Kern.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Bi-Material-Permanentmagneten für eine elektrische Maschine umfasst das Auswählen eines ersten magnetischen Materials, das eine Energie von weniger als 20 Mega-Gauß-Oersted (MGOe) erzeugt, das Auswählen eines zweiten magnetischen Materials, das eine Energie von mehr als 30 MGOe erzeugt, das Erzeugen eines Kerns unter Verwendung des ersten magnetischen Materials und das Bilden einer Hülle um den Kern unter Verwendung des zweiten magnetischen Materials.
  • Bei anderen Merkmalen umfasst das Verfahren das Bilden der Hülle um den Kern unter Verwendung des zweiten magnetischen Materials, das Anordnen des Kerns in einem Formwerkzeug, das Zuführen eines das zweite magnetische Material umfassenden Pulvers in das Formwerkzeug um den Kern herum und das Verwenden einer isostatischen Presse und einer Wärmequelle zum Sintern des Pulvers. Das Pulver wird vor dem Verwenden der isostatischen Presse mit einem Klebstoff gemischt.
  • Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt sind, den Umfang der Offenbarung einzuschränken.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung wird anhand der detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
    • 1 ein Beispiel für einen Rotor mit Bi-Material-Permanentmagneten gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht,
    • 2 ein weiteres Beispiel für einen Rotor mit Bi-Material-Permanentmagneten gemäß der vorliegenden Offenbarung, veranschaulicht,
    • 3A ein Funktionsblockdiagramm eines Beispiels eines Laserabscheidungssystems zum Abscheiden einer Hülle aus einem zweiten magnetischen Material auf einen Kern aus einem ersten magnetischen Material gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 3B ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung eines Bi-Material-Permanentmagneten von 3A gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 4A eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels für einen Bi-Material-Permanentmagneten mit einer Hülle aus dem zweiten magnetischen Material, die mit dem ersten magnetischen Material gefüllt ist, um einen Kern gemäß der vorliegenden Offenbarung zu bilden, zeigt,
    • 4B ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung von Bi-Material-Permanentmagneten von 4A gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 4C ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung von Bi-Material-Permanentmagneten gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 5A eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels für einen Bi-Material-Permanentmagneten mit einer Hülle aus dem zweiten magnetischen Material, die unter Verwendung von Spritzgießen mit dem ersten magnetischen Material gefüllt ist, um einen Kern gemäß der vorliegenden Offenbarung zu bilden, zeigt,
    • 5B ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung von Bi-Material-Permanentmagneten von 5A gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 6A eine seitliche Querschnittsansicht eines Beispiels für einen Bi-Material-Permanentmagneten mit im Kern ausgebildeten Kühlkanälen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 6B ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung von Bi-Material-Permanentmagneten von 6A gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 7A eine seitliche Querschnittsansicht eines Beispiels für einen Bi-Material-Permanentmagneten mit einem laminierten Kern und einer Hülle gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 7B eine seitliche Querschnittsansicht eines Beispiels für einen Bi-Material-Permanentmagneten mit einem laminierten Kern und einer laminierten Hülle gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 7C eine seitliche Querschnittsansicht eines Beispiels für einen Teil eines Rotors, der einen Bi-Material-Permanentmagneten gemäß 7A und 7B umfasst, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 7D ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung der Bi-Material-Permanentmagnete gemäß 7A und 7B zeigt,
    • 7E eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels für einen Bi-Material-Permanentmagneten mit einem laminierten Kern und einer laminierten Hülle gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 8 ein Beispiel für eine Axialflussmaschine in Speichenbauweise mit Bi-Material-Permanentmagneten gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • In den Zeichnungen können Bezugszeichen wiederverwendet werden, um ähnliche und/oder identische Elemente zu kennzeichnen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Während sich die vorangehende Offenbarung auf Permanentmagnete für Elektromotoren zum Antrieb von Fahrzeugen bezieht, können die Bi-Material-Permanentmagnete auch in anderen Arten von elektrischen Maschinen verwendet werden.
  • Bi-Material-Permanentmagnete für elektrische Maschinen gemäß der vorliegenden Offenbarung werden mit zwei verschiedenen Magnetmaterialien hergestellt. Es werden mehrere Verfahren zur Herstellung der Permanentmagnete gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgestellt. Bi-Material-Permanentmagnete gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen einen Kern und eine äußere Schicht oder Hülle. Der Kern ist aus einem ersten magnetischen Material hergestellt und die äußere Schicht oder Hülle ist aus einem zweiten magnetischen Material hergestellt, das sich von dem ersten magnetischen Material unterscheidet. Bei einigen Beispielen werden die beiden Materialien an einer Grenzfläche zwischen denselben miteinander verschmolzen oder verklebt und bilden einen einzigen Körper. Bei anderen Beispielen werden der Kern und/oder die Hülle aus einem Laminat hergestellt und miteinander verklebt.
  • Bei einigen Beispielen umfasst das erste magnetische Material ein magnetisches Material mit niedriger Energie und niedriger Koerzitivfeldstärke. Bei einigen Beispielen umfasst das zweite magnetische Material ein Material mit hoher Energie und hoher Koerzitivfeldstärke. Bei einigen Beispielen umfasst das erste magnetische Material ein Magnetmaterial, das eine Energie von weniger als 20 Mega-Gauß-Oersted (MGOe) erzeugt, und das zweite magnetische Material umfasst ein Magnetmaterial, das eine Energie von mehr als 30 MGOe erzeugt. Bei einigen Beispielen umfasst das zweite magnetische Material ein oder mehrere aus seltenen Erden bestehende Magnetmaterialien.
  • Bi-Material-Permanentmagnete gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglichen die Verwendung von Magnetmaterial mit niedriger Energie in anspruchsvollen Elektromaschinenanwendungen, die normalerweise Magnetmaterial mit hoher Energie erfordern würden, und verbessern die Leistung von Elektromaschinen mit Magneten niedriger Energie.
  • Das Ersetzen eines Teils des Magnetmaterials mit niedriger Energie kann auch mehr Flexibilität bei der Ausführung bereitstellen. Zum Beispiel kann eine elektrische Maschine, die für die Magnete Magnetmaterial mit niedriger Energie verwendet, optimiert werden, indem ein Teil des Magnetmaterials mit niedriger Energie durch magnetisches Material mit hoher Energie ersetzt wird. Zum Beispiel kann das Hinzufügen einer 1 mm dicken Nd-Schicht und das Entfernen von 3 mm eines Fe-Kerns das Drehmoment verbessern, indem die Brücken um ~20 % gesättigt werden.
  • Bei einigen Beispielen werden die Bi-Material-Permanentmagnete gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung eines kostengünstigen Ferrit-Magnetkerns hergestellt. Auf den kostengünstigen Ferrit-Magnetkern wird mit Hilfe eines Laserdepositionsverfahrens eine Hülle bzw. ein Hüllenteil abgeschieden, die bzw. der aus einem aus seltenen Erden bestehenden Magnetmaterial hergestellt ist. Bei einem anderen Beispiel wird ein aus seltenen Erden bestehendes magnetisches Material zu einer Hülle geformt, die einen Hohlraum umfasst, und dann wird die Hülle mit dem kostengünstigen Ferrit-Magnetmaterial gefüllt. Bei einem anderen Beispiel umfasst der Kern einen Block aus einem kostengünstigen Ferrit-Magnetkernmaterial. Eine oder mehrere Schichten aus einem aus seltenen Erden bestehenden magnetischen Material werden mit Klebstoff an einer oder mehreren Seiten des Kerns befestigt oder auf diese geklebt. Weitere Beispiele werden weiter unten beschrieben.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 1 und 2 sind Beispiele für Rotoren mit Bi-Material-Permanentmagneten gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. In 1 umfasst ein Rotor 100 einen Rotorabschnitt 110, der Schlitze zur Aufnahme der Bi-Material-Permanentmagneten 114-1, 114-2 ... und 114-N (zusammen und/oder einzeln die Bi-Material-Permanentmagneten 114) an radialen Stellen um den Rotorabschnitt 110 herum definiert. Die Bi-Material-Permanentmagnete 114 umfassen einen Kern 120 aus einem ersten magnetischen Material und eine Hülle 122 aus einem zweiten magnetischen Material. Der Kern 120 und die Hülle 122 bilden einen einzigen Körper. Bei einigen Beispielen umfasst eine elektrische Maschine den Rotor und einen Stator.
  • Bei einigen Beispielen umfasst das erste magnetische Material ein Magnetmaterial mit niedriger Energie und niedriger Koerzitivfeldstärke. Bei einigen Beispielen umfasst das erste magnetische Material ein Magnetmaterial, das eine Energie von weniger als 20 MGOe erzeugt. Bei einigen Beispielen umfasst das zweite magnetische Material ein Material mit hoher Energie und hoher Koerzitivfeldstärke. Bei einigen Beispielen umfasst das zweite magnetische Material ein Magnetmaterial, das eine Energie von mehr als 30 MGOe erzeugt. Bei anderen Beispielen ist der Kern 120 aus hartmagnetischen Materialien oder einer hartmagnetischen Verbindung hergestellt.
  • Bei einigen Beispielen bedeckt die Hülle 122 die gesamte Außenfläche des Kerns 120. Bei anderen Beispielen bedeckt die Hülle 122 nur teilweise einen oder mehrere Teile, Seiten oder andere Merkmale der Außenfläche des Kerns 120. In beiden Fällen kann die Hülle 122 eine einheitliche Dicke aufweisen oder die Dicke kann um den Kern 120 herum variieren. In 1 bedeckt die Hülle 122 wie gezeigt die Seiten des Kerns 120, jedoch nicht eine obere Fläche 126 oder eine untere Fläche in 1.
  • In 2 umfasst ein Rotor 150 die Bi-Material-Permanentmagnete 114. Ein Kern 160 ist aus einem ersten magnetischen Material hergestellt und die Hüllenteile 162-1 und 162-2 (zusammen die Hüllenteile 162) sind aus einem zweiten magnetischen Material hergestellt. Der Kern 160 und der Hüllenteil 162 bilden einen einzigen Körper. Wie zu sehen ist, bedecken die Hüllenteile 162-1 und 162-2 die dem Umfang zugewandten Seitenflächen des Kerns 160, nicht aber die radial inneren und radial äußeren Seitenteile des Kerns 160. Wie offensichtlich ist, kann der Hüllenteil 162 an verschiedenen Stellen auf dem Kern 160 abgeschieden werden und kann andere Muster als die in 2 gezeigten aufweisen, um Leistungs- und Kostenziele zu erreichen. Wie offensichtlich ist, sind die Kanten von Permanentmagneten mit niedriger Energie Bereiche, die anfällig für Entmagnetisierung sind. Durch die Verwendung des Magnetmaterials mit hoher Energie an den Kanten kann die Gefahr der Entmagnetisierung verringert oder ausgeschlossen werden.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 3A ist ein Beispiel für ein Laserdepositionssystem 310 zur Herstellung der Bi-Material-Permanentmagnete gezeigt. Ein Laser 320 richtet Licht auf eine Oberfläche eines Kerns 314, um das Pulver und/oder den Kern 314 zu erhitzen. Ein Schutzblech 324 kann um den Laser 320 angrenzend an den Kern und in der Nähe der Pulverabgabe angeordnet sein.
  • Bei einigen Beispielen liefert eine Pulverquelle 330 pulverförmiges magnetisches Material durch eine Leitung 334 auf die Oberfläche des Kerns 314. Der Laser 320 erhitzt sowohl das Pulver als auch eine Außenfläche des Kerns, um ein Schmelzen zu bewirken und eine Schicht zu bilden. Der Vorgang kann ein- oder mehrmals wiederholt werden, um eine vorgegebene Dicke bereitzustellen.
  • Bei einigen Beispielen umfasst die Pulverquelle 330 einen Behälter mit Pulver, einen Pulveraufnehmer und eine Quelle für Druckgas (alle nicht gezeigt), das das Pulver mitreißt, so dass es auf den Kern gerichtet werden kann. Bei anderen Beispielen wird das Pulver durch Schwerkraft zugeführt. Bei einigen Beispielen liefert der Laser 320 das kohärente Licht in einem annähernd rechten Winkel relativ zur Oberfläche des Kerns und das Pulver wird in einem spitzen Winkel relativ zur Oberfläche abgegeben. Bei anderen Beispielen kann ein Spiegel 338 verwendet werden, um das Laserlicht auf den Kern 314 zu richten und/oder diesen abzutasten. Bei einigen Beispielen wird eine Spiegelpositioniervorrichtung 340 verwendet, um eine Position des Spiegels 338 einzustellen und das Laserlicht den Kern 314 abtasten zu lassen.
  • Die Wärme des Lasers 320 schmilzt das Pulver, das auf eine Außenfläche des Kerns 314 fällt. Der Laser 320 schmilzt außerdem eine Oberfläche des Kerns 314, um eine Legierung zu erzeugen, die das erste und das zweite magnetische Material umfasst, und um eine äußere Hülle oder äußere Hüllenteile 316 aus dem zweiten magnetischen Material zu bilden. Der Kern 314 kann während der Bearbeitung linear, seitlich und/oder rotierend relativ zum Laserdepositionssystem 310 oder umgekehrt bewegt werden. Bei einigen Beispielen kann eine Kernpositioniervorrichtung 348 verwendet werden, um den Kern 314 in 1, 2 oder 3 Achsen zu drehen oder zu bewegen, um die Position der Abscheidung auf dem Kern 314 weiter zu steuern.
  • Manchmal wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen im ersten und/oder zweiten magnetischen Material während und/oder nach der Abscheidung einer oder mehrerer Schichten oder nach der Abscheidung eines Teils einer Schicht durchgeführt. Bei einigen Beispielen ist der Bi-Material-Permanentmagnet relativ zu einer oder mehreren Spulen 362 angeordnet, die von einem Spulenerreger 360 selektiv erregt werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Die Spule 362 kann z. B. um den Kern 314 und andere Teile des Laserdepositionssystems angeordnet werden und/oder der Kern wird ein- oder mehrmals zur Spule 362 bewegt und zur weiteren Abscheidung zurückgeführt. Bei einigen Beispielen kann ein Temperaturfühler 370 verwendet werden, um eine Temperatur des Kerns und/oder der Hülle zu erfassen. Bei anderen Beispielen wird der Vorgang in einem Gehäuse durchgeführt und ein Temperaturfühler 370 kann verwendet werden, um eine Temperatur innerhalb des Gehäuses zu erfassen. Bei einigen Beispielen kann eine Heizung 372 vorgesehen sein, um den Kern und/oder die Hülle zu erhitzen und/oder um eine vorgegebene Temperatur innerhalb des Gehäuses zu erzeugen.
  • Bei einigen Beispielen wird die Ausrichtung der magnetischen Domäne bei einer Temperatur durchgeführt, die kleiner oder gleich der Schmelztemperatur und größer oder gleich einer Curie-Temperatur oder einem Curie-Punkt ist. Bei einigen Beispielen wird das zweite magnetische Material aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Neodym- und Samarium-Cobalt-Magneten besteht. Neodym-Magnete weisen eine Curie-Temperatur von 300-400 °C und eine Schmelztemperatur von ungefähr 1000 °C auf. Samarium-Cobalt-Magnete weisen eine Curie-Temperatur von 720-800 °C und eine Schmelztemperatur von ungefähr 1300 °C auf.
  • Bei einigen Beispielen ist die Lasererwärmung während der Abscheidung relativ lokalisiert und die Ausrichtung der magnetischen Domänen wird zur gleichen Zeit durchgeführt oder überschneidet sich mit den Zeiträumen, in denen das zweite magnetische Material abgeschieden wird. Bei einigen Beispielen wird der Kern während der Abscheidung auf eine Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur erhitzt und die Ausrichtung der magnetischen Domäne wird vor, nach oder während der Abscheidung des zweiten magnetischen Materials durchgeführt, während die Temperatur des Kerns und/oder der Hülle oberhalb der Curie-Temperatur liegt.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 3B ist ein Verfahren 350 zur Herstellung der Bi-Material-Permanentmagnete gezeigt. Bei 354 wird ein Kern aus dem ersten magnetischen Material relativ zum Laser und einer Pulverquelle aus dem zweiten magnetischen Material positioniert. Bei 358 wird das Pulver durch Schwerkraft und/oder mittels Gasdruck auf den Kern geleitet. Das zweite magnetische Material und eine dünne Schicht auf der Oberfläche des Kerns werden durch den Laser bei 362 erhitzt, um das Pulver und die Oberfläche des Kerns zu schmelzen. Während dieses Vorgangs kann der Magnet und/oder das Laser-Beschichtungssystem über gewünschte Stellen auf der Oberfläche des Kerns bewegt oder diese abgetastet werden.
  • Bei 364 wird in dem Verfahren ermittelt, ob eine weitere Schicht (oder ein Schichtteil) abgeschieden werden muss. Wenn ja, kann die Ausrichtung der magnetischen Domänen optional bei 365 durchgeführt werden. Nach Abscheiden der letzten Schicht kann die Ausrichtung der magnetischen Domänen optional bei 368 durchgeführt werden.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 4A und 4B sind ein weiterer Bi-Material-Permanentmagnet und ein Verfahren zur Herstellung des Bi-Material-Permanentmagneten gezeigt. In 4A umfasst ein Bi-Material-Permanentmagnet 410 einen Kern 416 aus dem ersten magnetischen Material und eine Hülle 414 aus dem zweiten magnetischen Material. Die Hülle 414 kann mit Hilfe eines Formwerkzeugs, einer isostatischen Presse und einer Wärmequelle zum Sintern des Pulvers in eine gewünschte Form gebracht werden. Bei einigen Beispielen weist die Hülle 414 eine vorgegebene Dicke auf und definiert eine Außenfläche und einen inneren Hohlraum. Die Hülle 414 wird mit dem ersten magnetischen Material einschließlich Pulver und Klebstoff gefüllt. Um den Kern zu verfestigen, werden erhöhter Druck und/oder Wärme angewendet. Alternativ wird zunächst der Kern 416 gebildet und die Hülle 414 wird um den Kern 416 in einer gewünschten Form mit Hilfe eines Formwerkzeugs, einer isostatischen Presse und einer Wärmequelle zum Sintern des Pulvers gebildet.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 4B ist ein Verfahren 450 zur Herstellung der Bi-Material-Permanentmagnete gezeigt. Bei 454 wird eine Hülle mit einer vorgegebenen Dicke wie oben beschrieben unter Verwendung des zweiten magnetischen Materials hergestellt. Bei 458 wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen optional während der Abkühlung einer oder mehrerer Schichten der Hülle durchgeführt. Bei 466 wird der Hohlraum der Hülle mit Pulver gefüllt, das das erste magnetische Material (und einen optionalen Klebstoff) umfasst, und es wird Druck und/oder Wärme angewendet, um das erste magnetische Material zu erhitzen und/oder zu sintern. Bei 470 wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen optional während der Abkühlung der Hülle und/oder des Kerns durchgeführt.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 4C ist ein Verfahren 480 zur Herstellung der Bi-Material-Permanentmagnete gezeigt. Bei 484 wird ein Kern unter Verwendung eines der hierin beschriebenen Verfahren bereitgestellt. Bei 488 wird der Kern in einem Formwerkzeug angeordnet und die Hülle wird mit Hilfe eines Formwerkzeugs, einer isostatischen Presse und einer Wärmequelle zum Sintern des Pulvers in einer gewünschten Form um den Kern 416 gebildet. Bei 492 wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen optional während der Abkühlung der Hülle und/oder des Kerns durchgeführt.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 5A und 5B sind ein weiterer Bi-Material-Permanentmagnet und ein Verfahren zur Herstellung des Bi-Material-Permanentmagneten gezeigt. In 5A umfasst ein Bi-Material-Permanentmagnet 510 einen Kern 516 aus dem ersten magnetischen Material und eine Hülle 514 aus dem zweiten magnetischen Material. Die Hülle 514 kann mit Hilfe eines Formwerkzeugs, einer isostatischen Presse und einer Wärmequelle wie oben beschrieben gebildet werden. Bei einigen Beispielen weist die Hülle 514 eine vorgegebene Dicke auf und definiert eine Außenfläche und einen inneren Hohlraum. Das erste magnetische Material wird in den Hohlraum eingeformt. Es können z. B. Transfer-, Kompressions- oder Spritzgussverfahren verwendet werden.
  • Bei einigen Beispielen besteht das formbare Material aus einem pulverförmigen magnetischen Material mit einem polymeren Bindemittel. Das Polymer kann ein duroplastisches oder ein thermoplastisches Material sein. Das Polymer kann nach dem Einformen des magnetischen Materials verbleiben oder während eines Sintervorgangs entfernt werden. Falls es verbleibt, werden typischerweise Materialien auf Epoxidbasis verwendet. Falls es entfernt wird, könnte Polypropylencarbonat ein typisches Bindemittel sein.
  • Bei einigen Beispielen wird Metallpulverspritzgießen (MIM) verwendet. Das MIM-Verfahren ist ein Metallverarbeitungsprozess, bei dem feinpulvriges Metall mit Bindermaterial gemischt und die Mischung durch Spritzgießen geformt und verfestigt wird. Der Formgebungsprozess ermöglicht es, hochvolumige, komplexe Teile in einem einzigen Schritt zu formen. Nach dem Einformen wird das Teil einer Konditionierung unterzogen, um das Bindemittel zu entfernen (Entbindern) und die Pulver zu verdichten.
  • Bei einigen Beispielen wird das Pulverspritzgießen (PIM) verwendet. Das PIM-Verfahren umfasst die Verwendung von polymeren Bindemitteln, die mit Metall- oder Keramikpulvern gemischt sind. Das Gemisch wird erhitzt und unter Druck in einen Formhohlraum gepresst. Das Gemisch kühlt ab und das Teil wird anschließend aus dem Formwerkzeug ausgestoßen. Anschließend wird das Polymer entfernt und die Komponente auf die gewünschte Dichte gesintert.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 5B ist ein Verfahren 550 zur Herstellung der Bi-Material-Permanentmagnete gezeigt. Bei 554 wird eine Hülle mit einer vorgegebenen Dicke wie oben beschrieben unter Verwendung des zweiten magnetischen Materials hergestellt. Bei 558 wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen optional während der Abkühlung der Hülle durchgeführt. Bei 566 wird das erste magnetische Material in den Hohlraum gespritzt. Bei 570 wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen optional während der Abkühlung der Hülle und des Kerns durchgeführt.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 6A und 6B ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Bi-Material-Permanentmagnete gezeigt. In 6A umfasst ein Bi-Material-Permanentmagnet 610 eine Hülle 612 mit einer Außenfläche und einem inneren Hohlraum. Eine Außenhülle 614 ist wie oben beschrieben aus dem zweiten magnetischen Material hergestellt. Vor dem Bilden des Kerns wird Opfermaterial in die Hülle 612 an einer oder mehreren gewünschten Stellen für Kühlkanäle eingefügt.
  • Bei einigen Beispielen umfasst das Opfermaterial ein Polymer oder ein anderes festes Material, das durch Wärmeabbau, Verbrennung, Auflösung, mechanische Extraktion oder andere Mittel entfernt werden kann. Das Verfahren zur Entfernung des Opfermaterials sollte das magnetische Material nicht beschädigen. So sollten z. B. Temperaturen oder Lösungsmittel, die zum Entfernen des Opfermaterials verwendet werden, keinen negativen Einfluss auf die Leistung des Magnetmaterials haben. Das Opfermaterial sollte auch nicht durch die Temperaturen oder Drücke beeinträchtigt werden, die zum Formen des Magnetmaterials verwendet werden. Beispiele für thermisch zersetzbare Materialien sind Polylactidpolymer und Polypropylencarbonatpolymer. Brennbare Materialien umfassen ein System aus einem Polymer mit einem Oxidationsmittel, wie z. B. Ammoniumnitrat oder Ammoniumperchlorat. Lösliche Materialien umfassen wasserlösliche Polymere und Salze, wie z. B. Natriumchlorid.
  • Zum Beispiel kann sich das Opfermaterial von einer Seite des Kerns zur gegenüberliegenden Seite erstrecken (in einer Richtung senkrecht zur Zeichnung). Dann wird der Hohlraum wie hierin beschrieben mit dem ersten magnetischen Material gefüllt. Das Opfermaterial wird entfernt, um einen oder mehrere Kanäle 616 zu bilden. Die Kanäle 616 stellen Öffnungen bereit, durch die eine Kühlflüssigkeit wie z. B. Luft strömen kann, was zur Kühlung der Permanentmagnete beiträgt. Durch die Verwendung von Kühlkanälen können Probleme wie z. B. Rissbildung ausgeglichen werden, die aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) zwischen dem ersten magnetischen Material und dem zweiten magnetischen Material auftreten können.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 6B ist ein Verfahren 650 zur Herstellung der Bi-Material-Permanentmagnete mit Kühlkanälen gezeigt. Bei 654 wird eine Hülle mit einer vorgegebenen Dicke wie oben beschrieben unter Verwendung des zweiten magnetischen Materials hergestellt. Bei 658 wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen optional während der Abkühlung der Hülle durchgeführt. Bei 660 wird ein Opfermaterial in dem Hohlraum an einer oder mehreren gewünschten Stellen für die Kühlkanäle gebildet. Bei 666 wird der Hohlraum wie hierin beschrieben mit dem ersten magnetischen Material gefüllt. Bei 670 wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen optional während der Abkühlung der Hülle und/oder des Kerns durchgeführt. Bei 674 wird das Opfermaterial entfernt. Bei einigen Beispielen werden angewandte Hitze, Lösungsmittel und/oder andere Verfahren verwendet, um das Opfermaterial zu entfernen.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 7A bis 7D ist ein weiterer Bi-Material-Permanentmagnet gezeigt, der einen Kern 710 und eine Hülle 720 umfasst. In 7A umfasst der Kern 710 ein Laminat mit einer, zwei oder mehreren Schichten 714-1, 714-2 ... 714-L (zusammen die Schichten 714), wobei L eine ganze Zahl größer als eins ist. Die Schichten 714 sind aus dem ersten magnetischen Material hergestellt und können mit einem Klebstoff 716 miteinander verklebt werden. Die Hülle 720 ist aus dem zweiten magnetischen Material hergestellt und kann mit Klebstoff 718 an einer oder mehreren Seiten des Kerns 710 angebracht werden.
  • In 7B kann die Hülle 720 außerdem zwei oder mehr Schichten 722-1 ... und 722-M (zusammen die Schichten 722) umfassen, wobei M eine ganze Zahl größer als eins ist. Die Schichten 722 können mit einem Klebstoff miteinander verklebt werden. In 7C ist ein Teil 740 eines Rotors gezeigt, der die Bi-Material-Permanentmagnete von 7A und 7B umfasst.
  • In 7D ist ein Verfahren 750 zur Herstellung der Bi-Material-Permanentmagnete gezeigt. Bei 754 wird ein laminierter Magnetkern erzeugt, indem Schichten aus einem ersten magnetischen Material miteinander verklebt oder auf andere Weise aneinander angebracht werden. Bei 758 wird eine Hülle mit einer oder mehreren Schichten des zweiten magnetischen Materials am Kern angebracht. Handelt es sich bei der Hülle um ein Laminat, können die Lagen miteinander verklebt oder aneinander angebracht werden und dann kann das Laminat am Kern angebracht werden. Alternativ können die Schichten der Hülle auch einzeln am Kern angebracht werden.
  • In 7E umfasst der Kern 770 ein Laminat mit zwei oder mehr Schichten 774-1, 774-2 ... 774-L (zusammen die Schichten 774), wobei L eine ganze Zahl größer oder gleich eins ist. Die Schichten 774 sind aus dem ersten magnetischen Material hergestellt und können mit einem Klebstoff 776 miteinander verklebt werden. Die Hülle 780 ist aus dem zweiten magnetischen Material hergestellt, das in die Segmente 782-1 ... 782-S unterteilt ist, wobei S eine ganze Zahl größer als eins ist, und kann mit Hilfe von Klebstoff 778 an einer oder mehreren Seiten des Kerns 770 angebracht werden. Es ist zwar eine einzelne Schicht gezeigt, die Hülle 780 kann jedoch auch eine oder mehrere Schichten umfassen, wie oben gezeigt.
  • Um Wirbelströme in den Magneten zu reduzieren, kann die Hülle 780 wie gezeigt in einer Richtung quer zur Magnetisierungsrichtung unterteilt sein. Der Raum zwischen den Magnetsegmenten kann aus einem beliebigen nichtmagnetischen, nicht elektrisch leitenden Material bestehen. Die Segmente können zum Beispiel durch Luft getrennt sein. Ein ähnlicher Ansatz kann für Bi-Material-Permanentmagnete verwendet werden, die in 1, 2, 4A und 7A-7B gezeigt sind.
  • Unter nun folgender Bezugnahme auf 8 ist ein Beispiel für eine Axialflussmaschine in Speichenbauweise 800 gezeigt, die eine Statoranordnung 810 mit einer flachen Zylinderform umfasst. Die Statoranordnung 810 umfasst eine Vielzahl von Statorwicklungsanordnungen 816, die sich um eine radial äußere Oberfläche der Statoranordnung herum 810 befinden. Die Rotoren 820-1 und 820-2 befinden sich angrenzend an die axialen Seitenflächen der Statoranordnung 810. Die Rotoren 820-1 und 820-2 umfassen die hierin beschriebenen Bi-Material-Permanentmagnete 824. Es sind zwar hierin Radial- und Axialflussmaschinen als Beispiele gezeigt, die Bi-Material-Permanentmagnete können aber auch in anderen Arten von elektrischen Maschinen verwendet werden.
  • Die obige Beschreibung hat lediglich einen veranschaulichenden Charakter und soll in keiner Weise die Offenbarung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in einer ganzen Reihe von Formen umgesetzt werden. Obwohl diese Offenbarung bestimmte Beispiele umfasst, sollte der wahre Umfang der Offenbarung daher nicht auf dieselben beschränkt werden, da andere Änderungen nach dem Studieren der Zeichnungen, der Patentspezifikation und der folgenden Ansprüche deutlich werden. Es versteht sich, dass ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in unterschiedlicher Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Auch wenn die Ausgestaltungen oben jeweils als mit bestimmten Merkmalen versehen beschrieben sind, können ferner jedes einzelne oder mehrere dieser Merkmale, die in Bezug auf eine Ausgestaltung der Offenbarung beschrieben sind, mit Merkmalen jeder der anderen Ausgestaltungen umgesetzt und/oder mit denselben kombiniert werden, selbst wenn diese Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist. Mit anderen Worten, schließen sich die beschriebenen Ausgestaltungen nicht gegenseitig aus, und Vertauschungen einer oder mehrerer Ausgestaltungen untereinander bleiben im Rahmen dieser Offenbarung.
  • Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltungselementen, Halbleiterschichten usw.) werden mit verschiedenen Begriffen beschrieben, darunter „verbunden“, „in Eingriff stehend“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „oben auf“, „über“, „unter“ und „angeordnet“. Wird eine Beziehung zwischen ersten und zweiten Elementen in der obigen Offenbarung nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben, kann diese Beziehung eine direkte Beziehung sein, bei der keine anderen dazwischenliegenden Elemente zwischen den ersten und zweiten Elementen vorhanden sind, aber auch eine indirekte Beziehung, bei der ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente (entweder räumlich oder funktionell) zwischen den ersten und zweiten Elementen vorhanden sind. Wie hierin verwendet, sollte der Ausdruck „A, B und/oder C“ unter Verwendung einer nicht-exklusiven logischen ODER-Verknüpfung als logisch (A ODER-verknüpft mit B ODER-verknüpft mit C) ausgelegt werden und nicht als „wenigstens eines von A, wenigstens eines von B und wenigstens eines von C“ verstanden werden.
  • In den Figuren veranschaulicht die Richtung eines Pfeils, wie sie durch die Pfeilspitze angezeigt wird, im Allgemeinen den Informationsfluss (z. B. Daten oder Anweisungen), der für die Abbildung von Interesse ist. Tauschen beispielsweise Element A und Element B eine Vielzahl von Informationen aus, die von Element A zu Element B übertragenen Informationen sind für die Veranschaulichung aber relevant, kann der Pfeil von Element A zu Element B zeigen. Dieser unidirektionale Pfeil bedeutet nicht, dass keine anderen Informationen von Element B zu Element A übertragen werden. Ferner kann Element B bei Informationen, die von Element A zu Element B gesendet werden, Anfragen oder Empfangsbestätigungen für die Informationen an Element A senden.

Claims (10)

  1. Bi-Material-Permanentmagnet für eine elektrische Maschine, umfassend: einen Kern, der ein erstes magnetisches Material umfasst, und einen auf dem Kern befindlichen Hüllenteil, der aus einem zweiten magnetischen Material hergestellt ist, wobei das erste magnetische Material ein Magnetmaterial mit einer Energie von weniger als 20 Mega-Gauß-Oersted (MGOe) umfasst und wobei das zweite magnetische Material ein Magnetmaterial mit einer Energie von mehr als 30 MGOe umfasst.
  2. Bi-Material-Permanentmagnet nach Anspruch 1, wobei der Hüllenteil einen ersten Hüllenteil umfasst, der sich auf einer ersten, dem Umfang zugewandten Oberfläche des Kerns befindet.
  3. Bi-Material-Permanentmagnet nach Anspruch 2, wobei der Hüllenteil einen zweiten Hüllenteil umfasst, der sich auf einer zweiten, dem Umfang zugewandten Fläche des Kerns befindet, die der ersten, dem Umfang zugewandten Fläche gegenüberliegt.
  4. Bi-Material-Permanentmagnet nach Anspruch 1, wobei das zweite magnetische Material ein aus seltenen Erden bestehendes magnetisches Material umfasst und das erste magnetische Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem hartmagnetischen Material und einer hartmagnetischen Verbindung besteht.
  5. Bi-Material-Permanentmagnet nach Anspruch 1, ferner umfassend einen oder mehrere Kühlkanäle, die in dem ersten magnetischen Material ausgebildet sind.
  6. Bi-Material-Permanentmagnet nach Anspruch 5, wobei sich die Kühlkanäle von einer Seite des Kerns zu einer gegenüberliegenden Seite des Kerns erstrecken.
  7. Bi-Material-Permanentmagnet nach Anspruch 1, wobei: der Kern aus einem Laminat hergestellt ist, das L Schichten des ersten magnetischen Materials umfasst, die miteinander verklebt sind, wobei L eine ganze Zahl größer oder gleich eins ist.
  8. Bi-Material-Permanentmagnet nach Anspruch 7, wobei: der Hüllenteil mit dem Kern verklebt ist und M Schichten des zweiten magnetischen Materials umfasst, wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich eins ist.
  9. Bi-Material-Permanentmagnet nach Anspruch 3, wobei der Hüllenteil in einer Ebene quer zu einer Magnetisierungsrichtung unterteilt ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Bi-Material-Permanentmagneten für eine elektrische Maschine, umfassend: Auswählen eines ersten magnetischen Materials, das eine Energie von weniger als 20 Mega-Gauß-Oersted (MGOe) erzeugt, Auswählen eines zweiten magnetischen Materials, das eine Energie von mehr als 30 MGOe erzeugt, Erzeugen einer Hülle unter Verwendung des zweiten magnetischen Materials, wobei die Hülle einen Hohlraum definiert, und Füllen des Hohlraums der Hülle mit dem ersten magnetischen Material.
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