DE102022122195A1

DE102022122195A1 - Magnetbauteil umfassend einen, insbesondere spritzgusstechnisch hergestellten, mehrkomponentigen Körper, und Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetbauteils

Info

Publication number: DE102022122195A1
Application number: DE102022122195.4A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schwegler; Rainer Rapp
Original assignee: Ms Schramberg Holding GmbH; Ms-Schramberg Holding GmbH
Current assignee: MS-SCHRAMBERG HOLDING GMBH, DE
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2024-03-07
Also published as: WO2024046670A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetbauteil umfassend einen, insbesondere zumindest teilweise spritzgusstechnisch hergestellten, mehrkomponentigen Körper mit einem Innenteil und einem diesen formschlüssig umgebenden, einen Magnetwerkstoff aufweisenden Außenmagnetteil (20). Ein hinsichtlich Materialbedarf und Leistungsfähigkeit vorteilhaft abstimmbares Magnetbauteil wird dadurch erhalten, dass der Körper als mehrkomponentiger Magnetkörper (20) ausgebildet ist, wobei der Innenteil als ein Innenmagnetteil (21) ausgebildet ist, der einen von dem Magnetwerkstoff des Außenmagnetteils (20) - dem ersten Magnetwerkstoff - verschiedenen zweiten Magnetwerkstoff aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetbauteil umfassend einen, insbesondere zumindest teilweise spritzgusstechnisch hergestellten, mehrkomponentigen Körper mit einem Innenteil und einem diesen formschlüssig umgebenden, einen Magnetwerkstoff aufweisenden Außenmagnetteil, und ferner auf einen Rotor mit einem solchen Magnetbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetbauteils.
Ein Magnetbauteil dieser Art ist in der EP 3 418 57 B1 angegeben. Hierbei ist ein Antriebsteil bzw. eine Rotoranordnung für eine elektrische Kühlmittelpumpe aus insbesondere zwei Komponenten, nämlich einem zylindrischen Innenteil und einem dieses umgebenden Außenteil spritzgusstechnisch hergestellt, wobei der Innenteil einen Träger aus einem nicht magnetisierbaren Material, vorzugsweise Kunststoff, bildet und der Außenteil den im wesentlichen zylindrischen Innenteil zylindrisch umschließt. Der so gestaltete Antriebsteil wird z. B. in einem Spritzprozess zweistufig hergestellt, wobei der Innenteil aus Kunststoff separat gespritzt und anschließend der Außenteil an den Innenteil angespritzt wird. Durch den zweistufigen Spritzprozess werden vorteilhaft kürzere Kühlzeiten und damit kurze Taktzeiten bei der Fertigung erreicht. Für den Magnetaußenteil mit dem kunststoffgebundenen Magnetwerkstoff ist beispielsweise Hartferrrit-Magnetmaterial angegeben, welches eine höhere Medienbeständigkeit, wie z. B. bei Einsatz in einer feuchten Umgebung, aufweist als Seltenerd-Magnetwerkstoffe.
Andererseits lassen sich mit Seltenerd-Magnetwerkstoffen aufgrund ihrer höheren magnetischen Flussdichte insbesondere in Permanentmagnetrotoren elektrischer Maschinen höhere Motor- bzw. Generatorleistungen auch bei kompakter Bauweise erreichen, wobei der größte Beitrag zur magnetischen Flussdichte durch den oberflächennahen Magnetwerkstoff der Rotoren erzeugt wird. In diesem Bereich ist der Magnetwerkstoff besonders hohen Gegenfeldern durch das Statorfeld ausgesetzt. Um eine Entmagnetisierung zu vermeiden, ist eine besonders hohe Stabilität des Magnetwerkstoffs an der Oberfläche von Vorteil, welche bei Magneten mit Seltenerd-Magnetwerkstoff gegeben ist.
Um den Einsatz von Seltenerd-Magnetwerkstoffen trotz ihrer eingeschränkten Medienbeständigkeit auch in ungünstiger Umgebung zu ermöglichen, werden beim praktischen Einsatz in widriger Umgebung spezielle Beschichtungstechniken oder dichte Verkapselungen aus Kunststoff oder Edelstahl angewandt, wie z. B. in der DE 20 2008 017 587 U1 und der WO 2018/054679 A1 gezeigt. Damit ist ein entsprechender technischer und wirtschaftlicher Aufwand verbunden. Zunehmend nachteilig wirken sich auch erhebliche Preissteigerungen von Seltenerd-Rohstoffen wie Neodym, Praseodym und Dysprosium, Rohstoffabhängigkeiten und zunehmende Rohstoffverknappung aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetbauteil der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bereitzustellen, das funktionstechnisch und ökonomisch effizientere Einsatzmöglichkeiten bietet. Auch ein so verbesserter Rotor soll zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Magnetbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bei einem mit einem solchen Magnetbauteil ausgestatteten Rotor sowie mit einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Bei dem Magnetbauteil ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Körper als mehrkomponentiger Magnetkörper ausgebildet ist, wobei der Innenteil als ein Innenmagnetteil ausgebildet ist, der einen von dem Magnetwerkstoff des Außenmagnetteils - dem ersten Magnetwerkstoff - verschiedenen zweiten Magnetwerkstoff aufweist.
Bei dem Verfahren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren zum Herstellen eines Magnetbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist, bei dem durch Spritzgießen ein mehrkomponentiger Körper mit einem Innenmagnetteil hergestellt wird, der mit einer einen Magnetwerkstoff in einer Kunststoffmatrix aufweisenden Spritzgussmasse umspritzt wird.
Bei diesem Aufbau des Magnetbauteils, bei dem sowohl der Innenteil als auch der Außenteil des aus mindestens zwei Komponenten hergestellten Magnetkörpers als einen Magnetwerkstoff aufweisende Magnetteile ausgebildet sind, werden vorteilhafte Abstimmungsmöglichkeiten für den jeweiligen Einsatzzweck erreicht, und zwar sowohl funktionstechnisch in Abhängigkeit von umgebenden Medien und Leistungsanforderungen als auch ökonomisch hinsichtlich eines sparsamen, nachhaltigen Einsatzes von Rohstoffen. Diese Vorteile erlangen angesichts des steigenden Bedarfs an Permanentmagneten, unter anderem für die Bereiche der E-Mobilität und des Einsatzes in Windkraftanlagen zunehmend an Bedeutung. Dabei bietet auch das Verfahren der mehrkomponentigen Herstellung wesentliche Vorteile in Folge des effizienten Herstellungsprozesses mit optimierten bzw. optimierbaren Abkühl- und Taktzeiten.
Zu vorteilhaften Abstimmungsmöglichkeiten und einer effizienten Fertigung tragen die Maßnahmen bei, dass sowohl der Innenmagnetteil als auch der Außenmagnetteil spritzgusstechnisch hergestellt sind.
Die Funktionsbeständigkeit des Magnetbauteils bzw. einer daraus hergestellten Baueinheit auch in widriger Umgebung, wie z. B. feuchten oder aggressiven Medien, wird dadurch unterstützt, dass der Außenmagnetteil medienbeständig ausgebildet ist und dass der Innenmagnetteil von dem Außenmagnetteil vollständig flüssigkeitsdicht umkapselt ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Anwendung, wie z. B. einen Rotor, ergibt sich dadurch, dass der Außenmagnetteil und/oder der Innenmagnetteil eine kreiszylindrische Querschnittsform besitzen.
Verschiedene Einsatzmöglichkeiten des Magnetbauteils ergeben sich auch dadurch, dass der Innenmagnetteil eine höhere magnetische Stabilität und/oder eine höhere Remanenz aufweist als der Außenmagnetteil oder - umgekehrt - dass der Außenmagnetteil eine höhere magnetische Stabilität und/oder Remanenz aufweist als der Innenmagnetteil.
Eine höhere magnetische Stabilität des Innenmagnetteils gegenüber dem Außenmagnetteil liegt z. B. vor, wenn der Innenmagnetteil Seltenerd-Magnetwerkstoff aufweist, der andererseits weniger medienbeständig ist. In diesem Fall ist der Magnetwerkstoff des Außenmagnetteils vorteilhaft ein Hartferrit, eingebettet in eine entsprechende Kunststoffmatrix. Dadurch wird der Innenmagnetteil vor einer negativen Einwirkung umgebender Medien geschützt. Der Außenmagnetteil trägt gleichwohl zur magnetischen Flussdichte bzw. erzeugten Leistung, wie Motor- bzw. Generatorleistung, bei. Die von dem Außenmagnetteil gebildete Wandungsdicke, mit der der Innenmagnetteil gekapselt wird, kann geeignet angepasst bzw. hinsichtlich seiner chemischen bzw. physikalischen Schutzfähigkeit für den Innenmagnetteil optimiert werden. Die alternative Ausgestaltung, bei der der Außenmagnetteil eine höhere Remanenz aufweist als der Innenmagnetteil, eignet sich bei Einsatz in einer weniger widrigen Umgebung, wenn bei kompakter Ausbildung eine möglichst hohe Leistung der aufgebauten Baueinheit erreicht werden soll, da dann der obenflächennahe Außenmagnetteil die möglichst hohe magnetische Flussdichte ergibt und auch die bei Seltenerdmagneten gleichzeitig höhere magnetische Stabilität auch vorteilhaft einer Entmagnetisierung durch hohe Gegenfelder eines Statorfelds entgegenwirkt.
Demgemäß ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass der Innenmagnetteil einen Seltenerd-Magnetwerkstoff und der Außenmagnetteil einen Hartferrit-Magnetwerkstoff aufweist oder - umgekehrt - dass der Außenmagnetteil einen Seltenerd-Magnetwerkstoff und der Innenmagnetteil einen Hartferrit-Magnetwerkstoff aufweist.
Eine vorteilhafte Fertigung mit guten Abstimmungs- bzw. Anpassungsmöglichkeiten an einen jeweiligen Einsatzfall ergibt sich dadurch, dass der Außenmagnetteil und/oder der Innenmagnetteil mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff gespritzt ist/sind.
Dabei ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten dadurch, dass als Matrixvarianten bei dem Außenmagnetteil und/oder Innenmagnetteil Polyphenylsulfid (PPS-) Material oder Polyamid (PA-) Material oder Polypropylen (PP-) Material verwendet wird/werden. Beispielsweise kann das Magnetbauteil so ausgebildet sein, dass der Innenmagnetteil mit einer Matrix aus PA- oder PP-Material und der Außenmagnetteil mit einer Matrix aus PPS-Material oder aus PA-Material oder PP-Material gespritzt sind.
Ein Aufbau mit guter Stabilität wird dadurch erhalten, dass der Innenmagnetteil und der Außenmagnetteil stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht einer Baueinheit, wie z. B. Rotor, mit einem Magnetbauteil in perspektivischer Ansicht.

Die 1 zeigt eine Baueinheit in Form eines Rotors 1 mit einem auf einer zentralen Achse 3 aufgebrachten Magnetkörper 2, der einen auf der Achse 3 angeordneten Innenmagnetteil 21 und einen diesen sowohl mantelseitig als auch auf beiden Stirnseiten einschließenden Außenmagnetteil 20 umfasst.
Der Rotor 1 bildet z. B. einen Teil einer (nicht weiter gezeigten) einer Magnetkupplung oder einer elektrischen Maschine, wie Motor oder Generator, und ist dabei im Innern eines Stators angeordnet, wobei ein möglichst geringer Abstand der Außenfläche des Außenmagnetteils 20 zur Innenfläche des Stators eingehalten werden soll, um möglichst geringe Verluste über den zwischen der Außenfläche des Rotors 1 und der Innenfläche des Stators gebildeten Luftspalt zu verursachen und einen möglichst hohen Wirkungsgrad bzw. eine möglichst hohe Motor- bzw. Generatorleistung bei kompaktem Aufbau zu erreichen.
Bei Permanentmagnetrotoren wird der größte Beitrag zu der für die Motor- bzw. Generatorleistung benötigten magnetischen Flussdichte durch den oberflächennahen Magnetwerkstoff der Rotoren erzeugt. In diesem Bereich ist zudem der Magnetwerkstoff besonders hohen Gegenfeldern durch das Statorfeld ausgesetzt. Um eine Entmagnetisierung zu vermeiden, hat der Magnetwerkstoff an der Oberfläche des Rotors deshalb vorzugsweise eine besonders hohe magnetische Stabilität, welche insbesondere bei Magneten mit Seltenerd-Magnetwerkstoffen gegeben ist.
Der oberflächenferne Magnetwerkstoff trägt in Abhängigkeit von Entfernung und Aufbau, insbesondere Magnetmaterial, ebenfalls zur Flussdichte bei, so dass vorliegend mittels des einen Innenmagnetteil 21 bildenden Innenteils die Flussdichte im Rotor erhöht wird. Hierbei ist beispielsweise der Einsatz von Hartferrit-Magnetwerkstoff ausreichend, insbesondere auch, weil die durch den Stator erzeugten Gegenfelder im Innern des Rotors deutlich geringer sind und somit die geringere magnetische Stabilität des Hartferrit-Werkstoffs ausreichend ist.
Bei der Herstellung des Mehrkomponentenmagnetkörpers, insbesondere in Spritzgusstechnik, wird auch eine wirtschaftliche Fertigung erreicht, da dabei relativ kurze Abkühlzeiten und damit Taktzeiten erhalten werden.
Die Herstellung des Magnetkörpers 2 durch die insbesondere zwei Komponenten Innenmagnetteil 21 und Außenmagnetteil 20 lässt sich zudem eine optimierte Anpassung des Aufbaus mit den beiden Komponenten entsprechend der jeweiligen Einsatzsituation verwirklichen. Dabei kann der Außenmagnetteil 20 aus einem medienbeständigen bzw. gegen eine aggressive Umgebung widerstandsfähigen Magnetmaterial, insbesondere Hartferrit-Magnetwerkstoff eingebettet in eine Kunststoffmatrix, hergestellt werden, mit dem ein weniger medienbeständiges, dafür aber eine höhere magnetische Flussdichte ergebendes Magnetmaterial, wie insbesondere ein Seltenerd-Magnetmaterial, das ebenfalls in eine Kunststoffmatrix eingebracht ist, dicht umschlossen wird. Die Wandstärke der so durch den Außenmagnetteil 20 gebildeten Umkapselung kann geeignet hergestellt werden, um den erforderlichen Schutz zu erreichen.
Mit diesem Aufbau lässt sich zudem auch der Materialbedarf an Hartferrit-Magnetwerkstoff und Seltenerd-Magnetwerkstoff abhängig vom Einsatzzweck optimieren. Auch können z. B. der Füllgrad und/oder das Matrixmaterial (Art des Kunststoffs, gegebenenfalls abgestimmte Zusatzstoffe) geeignet gewählt werden.
Die Gefahr einer Leckage der durch den Außenmagnetteil 20 gebildeten Kapselung kann somit gegenüber einer nichtmagnetischen Kapselung aus Kunststoff oder Metall deutlich reduziert werden, da der medienbeständige Hartferrit-Magnetwerkstoff in seiner stofflichen und geometrischen Zusammensetzung vorteilhafte Abstimmungsmöglichkeiten bietet und zusätzlich zur Erzeugung der Flussdichte beiträgt. Bei der Fertigung durch die Mehrkomponentenspritzgusstechnik und auch eine angepasst gewählte Kombination der mit den Magnetwerkstoffen verwendeten Kunststoff-Matrixmaterialien werden die Spritzgussmassen des Innenmagnetteils 21 und des Außenmagnetteils 20 an ihren Grenzflächen bei der Fertigung weitgehend verschmolzen, so dass sich auch eine stoffschlüssige Verbindung erreichen lässt. Dies trägt zusätzlich zu einer Abdichtung des Innenmagnetteils 21 bei, da im Falle einer örtlichen Leckage keine Ausbreitung eines eindringenden Mediums innerhalb des Rotors erfolgen kann.
Als Kunststoffmatrix wird sowohl für den Innenmagnetteil 21 als auch für den Außenmagnetteil 20 vorteilhaft ein thermoplastischer Kunststoff verwendet, wobei für den Innenmagnetteil 21 vorteilhaft ein Polyphenylsulfid (PPS) oder ein Polyamid (z. B. PA 12) oder Polypropylen (PP) und für die Kunststoffmatrix des Außenmagnetteils 20 ebenfalls ein Polyphenylsulfid (PPS) oder ein Polyamid (PA 12) oder Polypropylen (PP) verwendet wird. In der Kunststoffmatrix können dabei auch geeignete Zusatzstoffe vorhanden sein.
Der Füllgrad an Magnetwerkstoff im Innenmagnetteil 21 bzw. Außenmagnetteil 20 kann geeignet gewählt werden, wobei der Innenmagnetteil 21 z. B. einen deutlich höheren Füllgrad an Magnetwerkstoff enthalten kann als der Außenmagnetteil 20.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 341857 B1 [0002]
DE 202008017587 U1 [0004]
WO 2018/054679 A1 [0004]

Claims

Magnetbauteil umfassend einen, insbesondere zumindest teilweise spritzgusstechnisch hergestellten, mehrkomponentigen Körper mit einem Innenteil und einem diesen formschlüssig umgebenden, einen Magnetwerkstoff aufweisenden Außenmagnetteil (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Körper als mehrkomponentiger Magnetkörper (20) ausgebildet ist, wobei der Innenteil als ein Innenmagnetteil (21) ausgebildet ist, der einen von dem Magnetwerkstoff des Außenmagnetteils (20) - dem ersten Magnetwerkstoff - verschiedenen zweiten Magnetwerkstoff aufweist.
Magnetteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Innenmagnetteil (21) als auch der Außenmagnetteil (20) spritzgusstechnisch hergestellt sind.
Magnetbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmagnetteil (20) medienbeständig ausgebildet ist und dass der Innenmagnetteil (21) von dem Außenmagnetteil (20) vollständig flüssigkeitsdicht umkapselt ist.
Magnetbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmagnetteil (20) und/oder der Innenmagnetteil (21) eine kreiszylindrische Querschnittsform besitzen.
Magnetbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmagnetteil (21) eine höhere magnetische Stabilität und/oder eine höhere Remanenz aufweist als der Außenmagnetteil (20) oder - umgekehrt - dass der Außenmagnetteil (20) eine höhere magnetische Stabilität und/oder höhere Remanenz aufweist als der Innenmagnetteil (21).
Magnetbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmagnetteil (21) einen Seltenerd-Magnetwerkstoff und der Außenmagnetteil (20) einen Hartferrit-Magnetwerkstoff aufweist oder - umgekehrt - dass der Außenmagnetteil (20) einen Seltenerd-Magnetwerkstoff und der Innenmagnetteil (21) einen Hartferrit-Magnetwerkstoff aufweist.
Magnetbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmagnetteil (20) und/oder der Innenmagnetteil (21) mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff gespritzt ist/sind.
Magnetbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmagnetteil (21) mit einer Matrix aus Polyphenylsulfid (PPS)-Material oder Polypropylen (PP-) Material und der Außenmagnetteil (20) mit einer Matrix aus Polyphenylsulfid (PPS)-Material oder aus Polyamid (PA)-Material oder aus Polypropylen (PP-) Material gespritzt sind.
Magnetbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmagnetteil (21) und der Außenmagnetteil (20) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Rotor einer elektrischen Maschine mit einem Magnetbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines Magnetbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem durch Spritzgießen ein mehrkomponentiger Körper mit einem Innenteil hergestellt wird, der mit einer einen Magnetwerkstoff in einer Kunststoffmatrix aufweisenden Spritzgussmasse umspritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil als Innenmagnetteil (21) spritzgusstechnisch aus einer Spritzgussmasse mit einer Kunststoffmatrix hergestellt wird, die einen von dem Magnetwerkstoff des Außenmagnetteils (20) - dem ersten Magnetwerkstoff - verschiedenen zweiten Magnetwerkstoff aufweist.