DE102023121150A1

DE102023121150A1 - Endformverarbeitung eines dauermagneten durch feldunterstütztes sintern

Info

Publication number: DE102023121150A1
Application number: DE102023121150.1A
Authority: DE
Inventors: Wanfeng LI; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2023-08-08
Publication date: 2024-02-15
Also published as: US20240055168A1; CN117637326A

Abstract

Es werden Magnete offenbart, die verschiedene Abschnitte mit unterschiedlichen Dichten und spezifischen Widerständen aufweisen. In einer Verbesserung können die verschiedenen Abschnitte die gleiche Zusammensetzung, aber unterschiedliche physische Strukturen aufweisen. Während der Verarbeitung, wie etwa während des Sinterns, können zum Herstellen der Magnete einzigartige Matrizen verwendet werden. Die Matrize kann leitfähige und nicht leitfähige Flächen beinhalten, die während des Sinterns mit der grünen magnetischen Pulvermischung in Kontakt stehen, sodass der an die magnetische Pulvermischung angelegte elektrische Strom durch die leitfähigen und nicht leitfähigen Flächen verwaltet wird, um einzigartige und komplexe Magnete bereitzustellen. Verfahren zum Herstellen der Magnete mit den Matrizen, wie etwa feldunterstütztes Sintern, d. h. Spark-Plasma-Sintern, werden ebenfalls offenbart.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft Dauermagneten und Verfahren zum Fertigen derselben. Genauer gesagt betrifft die Offenbarung durch feldunterstütztes Sintern gefertigte Magnete und Verfahren davon.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Magnete durchdringen viele Technologien des modernen Lebens. Dauermagnete, wie etwa Seltenerd-Magnete (z. B. Nd-Fe-B), werden häufig in elektrischen Maschinen verwendet und können in modernen Fahrzeugen verwendet werden, einschließlich Elektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen. Zum Beispiel können elektrische Maschinen Motoren, wie etwa Traktionsmotoren, beinhalten.
KURZDARSTELLUNG
Offenbart wird ein Dauermagnet. Der Dauermagnet kann einen gesinterten magnetischen Körper beinhalten, der einen ersten Abschnitt mit einer ersten Dichte und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Dichte aufweist, die geringer als die erste Dichte ist. In einer Verbesserung ist die Zusammensetzung des ersten und des zweiten Abschnitts gleich.
Eine Matrizenbaugruppe zum Herstellen von Magneten, wie etwa beim Stanzen, wird ebenfalls offenbart. Die Matrizenbaugruppe beinhaltet eine erste Matrize, die einen ersten Flächenabschnitt und einen zweiten Flächenabschnitt aufweist. Der erste Flächenabschnitt kann einen elektrischen Strom übertragen, der größer ist als der zweite Flächenabschnitt. In einer Verbesserung kann der erste Flächenabschnitt leitfähig sein und kann der zweite Flächenabschnitt nicht leitfähig sein. Die erste Matrize kann zur elektrischen Kommunikation konfiguriert sein, sodass während der Verwendung der erste und der zweite Flächenabschnitt mit dem magnetischen Körper in Kontakt stehen.
Offenbart wird ein Verfahren zum Herstellen eines Dauermagneten. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen einer ersten Matrize, die einen ersten Flächenabschnitt und einen zweiten Flächenabschnitt aufweist, der sich von dem ersten Flächenabschnitt unterscheidet, Bereitstellen eines Magnetpulvers, Inkontaktbringen der ersten Matrize mit dem Magnetpulver und Anlegen eines elektrischen Stroms an das Magnetpulver. In einer Verbesserung kann der erste Flächenabschnitt aus einem leitfähigen Material bestehen und kann der zweite Flächenabschnitt aus einem isolierenden Material bestehen. Der elektrische Strom kann durch die erste Matrize derart angelegt werden, dass der erste Flächenabschnitt einen größeren Strom an die magnetische Pulvermischung anlegt als der zweite Flächenabschnitt, um einen gesinterten Magneten zu bilden, der einen Abschnitt mit hoher Dichte benachbart zu dem ersten Flächenabschnitt und einen Abschnitt mit niedriger Dichte benachbart zu dem zweiten Flächenabschnitt aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Querschnittsseitenansicht eines Magneten.
2A-2C sind jeweils Draufsichten auf unterschiedliche Ausführungsformen von Magneten, die komplexe Formen mit vorbestimmten Mustern von Abschnitten mit hoher und niedriger Dichte aufweisen.
3 ist eine Matrize zum Fertigen eines Magneten.
4A-4C sind jeweils eine Draufsicht auf verschiedene Ausführungsformen von Matrizenflächen, die vorbestimmte Muster von ersten und zweiten Abschnitten aufweisen.
5 ist ein isolierendes Material, das auf einen Chip aufgebracht ist.
6 ist ein System zum Fertigen eines Dauermagneten.
7 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Fertigen eines Dauermagneten.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In dieser Schrift werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung 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 zwangsläufig maßstabsgetreu. Einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind in dieser Schrift offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann den vielfältigen Einsatz der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme 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.
Außerdem gelten, sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte für das Gewicht. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle folgenden Verwendungen derselben Abkürzung in dieser Schrift und findet entsprechende Anwendung für normale grammatische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch die gleiche Technik bestimmt, die zuvor oder später für die gleiche Eigenschaft angegeben wird.
Diese Offenbarung ist nicht auf die nachstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt, da spezifische Komponenten und/oder Bedingungen variieren können. Darüber hinaus wird die in dieser Schrift verwendete Terminologie nur zum Zwecke des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen verwendet und soll in keiner Weise einschränkend sein.
Die in der Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ umfassen Pluralbezüge, sofern der Kontext nicht deutlich etwas anderes angibt. Zum Beispiel soll eine Bezugnahme auf eine Komponente im Singular eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
Der Ausdruck „im Wesentlichen“ oder „im Allgemeinen“ kann in dieser Schrift verwendet werden, um offenbarte oder beanspruchte Ausführungsformen zu beschreiben. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ kann einen Wert oder eine relative Charakteristik modifizieren, der bzw. die in der vorliegenden Offenbarung offenbart oder beansprucht wird. In derartigen Fällen kann „im Wesentlichen“ bedeuten, dass der Wert oder die relative Charakteristik, den bzw. die es modifiziert, innerhalb von ± 0 %, 0,1 %, 0,5 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 % oder 10 % des Werts oder der relativen Charakteristik liegt.
Es versteht sich zudem, dass Ganzzahlbereiche ausdrücklich alle dazwischenliegenden ganzen Zahlen beinhalten. Zum Beispiel beinhaltet der Ganzzahlbereich 1-10 ausdrücklich 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10. Gleichermaßen beinhaltet der Bereich 1 bis 100 1, 2, 3, 4, ..., 97, 98, 99, 100. Gleichermaßen können, wenn ein beliebiger Bereich erforderlich ist, dazwischenliegende Zahlen, die Inkremente der Differenz zwischen der oberen Grenze und der unteren Grenze geteilt durch 10 sind, als alternative obere oder untere Grenze herangezogen werden. Falls zum Beispiel der Bereich 1,1 bis 2,1 ist, können die folgenden Zahlen 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9 und 2,0 als untere oder obere Grenze ausgewählt werden.
Es wird ein Dauermagnet 100 offenbart, der einen magnetischen Körper mit einem ersten Abschnitt 102, der eine erste Eigenschaft aufweist, und einem zweiten Abschnitt 104, der eine zweite Eigenschaft aufweist, die sich von der ersten Eigenschaft unterscheidet, aufweist. In einer Verbesserung kann die chemische Zusammensetzung des ersten und des zweiten Abschnitts gleich sein; die Mikrostruktur kann jedoch unterschiedlich sein. In einer Variation kann der magnetische Körper gesintert sein. In einer Verbesserung können die erste und zweite Eigenschaft Dichte und/oder spezifischer Widerstand sein. Zum Beispiel kann der erste Abschnitt 102 eine größere Dichte und einen niedrigeren spezifischen Widerstand als der zweite Abschnitt 104 aufweisen (d. h., der zweite Abschnitt 104 kann eine niedrigere Dichte und einen größeren spezifischen Widerstand als der erste Abschnitt 102 aufweisen). In einer Variation kann der Dauermagnet 100 eine beliebige andere Anzahl unterschiedlicher Abschnitte aufweisen, die unterschiedliche Dichten und/oder Widerstände aufweisen. Zum Beispiel kann der Dauermagnet 100 einen dritten Abschnitt aufweisen, der eine dritte Dichte und/oder einen dritten Widerstand aufweist, welche/welcher sich von der/dem ersten und der/dem zweiten Dichte und/oder Widerstand unterscheidet. In noch einem anderen Beispiel kann der Magnet einen vierten, fünften und sechsten Abschnitt mit jeweils einer anderen Dichte und/oder einem anderen spezifischen Widerstand und so weiter aufweisen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Dauermagnet Neodym-Eisen-Bor (Nd-Fe-B), Samarium-Kobalt (SmCo), Aluminium-Nickel-Kobalt (Al-Ni-Co), Mangan-Wismut (MnBi), Samarium-Eisen-Stickstoff (SmFeN) oder eine Kombination daraus beinhalten.
In einer Variation kann der zweite Abschnitt 104 eine Vielzahl oder Reihe von isolierten Teilstücken beinhalten, die in dem ersten Abschnitt 102 angeordnet sind, wie etwa in 2A-2C gezeigt. In einer Verbesserung kann der Dauermagnet 100 einen Gradienten, wie etwa einen Dichte- und/oder Widerstandsgradienten, zwischen dem ersten Abschnitt 102 und dem zweiten Abschnitt 104 beinhalten. Mit anderen Worten ist der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 102, 104 möglicherweise kein direkter oder sauberer Wechsel, sondern stattdessen ein allmählicher Übergang. Zum Beispiel kann sich die Dichte des Übergangsabschnitts oder der Übergangsphase von dem ersten Abschnitt 102 zu dem zweiten Abschnitt 104 verringern und/oder sich der spezifische Widerstand von dem ersten Abschnitt 102 zu dem zweiten Abschnitt 104 erhöhen (d. h., die Dichte des Übergangsabschnitts oder der Übergangsphase kann sich von dem zweiten Abschnitt 104 zu dem ersten Abschnitt 102 erhöhen und/oder der spezifische Widerstand kann sich von dem zweiten Abschnitt 104 zu dem ersten Abschnitt 102 verringern).
Die verschiedenen Abschnitte, die unterschiedliche Eigenschaften (z. B. Dichten und/oder spezifischen Widerstand) aufweisen, können in einem vorbestimmten Muster angeordnet sein, wie in 2A-2C gezeigt. Das vorbestimmte Muster kann optimiert werden, um die magnetischen, elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Ein vorbestimmtes Muster kann in Magneten angewendet oder angeordnet werden, die komplexe Formen aufweisen, wie in 2A-2C gezeigt. In einer Verbesserung kann der magnetische Körper einen oder mehrere Spalte definieren und kann der zweite Abschnitt 104, der eine niedrigere Dichte und/oder einen niedrigeren spezifischen Widerstand aufweist, an oder entlang des Umfangs des Spalts angeordnet sein. In einer Variation ist der zweite Abschnitt 104, der eine niedrigere Dichte und/oder einen niedrigeren spezifischen Widerstand aufweist, an oder entlang einer oder mehrerer Kanten des Magneten 100 angeordnet.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Dichte des ersten Abschnitts 102 mindestens 85 % der theoretischen Dichte oder bevorzugter mindestens 90 % oder noch bevorzugter mindestens 95 % oder noch bevorzugter mindestens 97 % betragen. Zum Beispiel kann die Dichte des ersten Abschnitts 102 mindestens 98 % der theoretischen Dichte betragen. Die Dichte des zweiten Abschnitts 104 beträgt möglicherweise nicht mehr als 85 % der theoretischen Dichte oder bevorzugter nicht mehr als 80 % oder noch bevorzugter nicht mehr als 75 %. Zum Beispiel kann die Dichte des ersten Abschnitts 102 mindestens 6,6 g/cm³ oder bevorzugter mindestens 6,8 g/cm³ oder noch bevorzugter mindestens 7,2 g/cm³ betragen und beträgt der zweite Abschnitt 104 nicht mehr als 6,6 g/cm³ oder bevorzugter nicht mehr als 6,2 g/cm³ oder noch bevorzugter nicht mehr als 5,8 g/cm³. Beispielsweise kann der erste Abschnitt 102 eine Dichte von mindestens 7,3 g/cm³ und einen zweiter Abschnitt von nicht mehr als 6,3 g/cm³ aufweisen. In einer Verbesserung können der erste und der zweite Abschnitt 102, 104 die gleiche Zusammensetzung aufweisen, obwohl sie unterschiedliche Dichten und/oder Widerstände aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform kann die Dichte des ersten Abschnitts 102 mindestens 7,6 g/cm³ oder bevorzugter mindestens 8,0 g/cm³ oder noch bevorzugter mindestens 8,2 g/cm³ betragen und beträgt der zweite Abschnitt 104 nicht mehr als 7,6 g/cm³ oder bevorzugter nicht mehr als 7,2 g/cm³ oder noch bevorzugter nicht mehr als 6,8 g/cm³.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der erste Abschnitt 102 einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 1,5 × 10^-6 Ω·m oder noch bevorzugter nicht mehr als 1,4 × 10^-6 Ω·m oder noch mehr bevorzugter nicht mehr als 1,3 × 10^-6 Ω·m aufweisen und kann der zweite Abschnitt 104 einen spezifischen Widerstand von mindestens 1,4 × 10^-6 Ω·m oder bevorzugter mindestens 1,5 × 10^-6 Ω·m oder noch bevorzugter mindestens 1,6 × 10^-6 Ω·m aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform kann der erste Abschnitt 102 einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 0,8 × 10^-6 Ω·m oder bevorzugter nicht mehr als 0,7 × 10^-6 Ω·m oder noch mehr bevorzugter nicht mehr als 0,6 × 10^-6 Ω·m aufweisen und kann der zweite Abschnitt 104 einen spezifischen Widerstand von mindestens 0,8 × 10^-6 Ω·m oder bevorzugter mindestens 0,9 × 10^-6 Ω·m oder noch bevorzugter mindestens 1,0 × 10^-6 Ω·m aufweisen.
Herkömmlicherweise können Magnete gestanzt und/oder bearbeitet werden, um eine bestimmte Form und Größe zu erreichen. Jedoch erhöhen herkömmliche Formungs-/Verarbeitungstechnologien, wie etwa maschinelle Bearbeitung, die Kosten und reduzieren die Effizienz, indem sie zum Beispiel die Herstellungsausgabe reduzieren. In einigen Ausführungsformen können die in dieser Schrift beschriebenen Magnete mit einer oder mehreren Matrizen 200 gefertigt werden, wie in 3 gezeigt. Die eine oder die mehreren Matrizen 200 können verwendet werden, um den Magneten zu bilden, wie etwa während des Sinterns. Zum Beispiel können die eine oder die mehreren Matrizen 200 in einem Sintersystem 400 verwendet werden, wie etwa in 6 gezeigt. In einer Verbesserung können die eine oder die mehreren Matrizen 200 in elektrischer Kommunikation mit einer elektrischen Schaltung 402 stehen, sodass feldunterstütztes Sintern, d. h. Spark-Plasma-Sintern, durchgeführt werden kann. Zum Beispiel können eine erste Matrize 410 und eine zweite Matrize 420 verwendet werden. In einer Verbesserung können mindestens eine, einige oder alle der Matrizen einen ersten Flächenabschnitt 212 und einen zweiten Flächenabschnitt 214 aufweisen. Zum Beispiel kann ein Paar von Matrizen 410, 420 verwendet werden, die jeweils einen ersten Flächenabschnitt 212 und einen zweiten Flächenabschnitt 214 aufweisen, der sich von dem ersten Flächenabschnitt 212 unterscheidet. In noch einem anderen Beispiel weist ein Sintersystem 400 eine erste obere Matrize 410 mit einem ersten Flächenabschnitt 412 und einem zweiten Flächenabschnitt 414 und eine zweite untere Matrize 420 mit einem dritten Flächenabschnitt 422 und einem vierten Flächenabschnitt 424 auf. In einer Verbesserung kann der erste Flächenabschnitt 412 gegenüber dem dritten Flächenabschnitt 422 ausgerichtet sein und kann der zweite Flächenabschnitt 414 gegenüber dem vierten Flächenabschnitt 424 liegen. Zum Beispiel kann der dritte Flächenabschnitt 422 direkt gegenüber dem ersten Flächenabschnitt 412 liegen und kann der vierte Flächenabschnitt 424 direkt gegenüber dem zweiten Flächenabschnitt 414 liegen.
Die Flächenabschnitte können dazu konfiguriert sein, mit einer magnetischen Pulvermischung 430 und/oder einem Dauermagneten in Kontakt zu stehen. In einer Verbesserung kann der erste Flächenabschnitt 212 leitfähig sein und/oder einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweisen und kann der zweite Flächenabschnitt 214 nicht leitfähig/weniger leitfähig sein und/oder einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen. Zum Beispiel kann der erste Flächenabschnitt 212 eine höhere Leitfähigkeit und einen niedrigeren spezifischen Widerstand als der zweite Flächenabschnitt 214 aufweisen (d. h., der zweite Flächenabschnitt 214 kann eine niedrigere Leitfähigkeit und einen höheren spezifischen Widerstand als der erste Flächenabschnitt 212 aufweisen).
In einer Variation kann der zweite Flächenabschnitt aus einem isolierenden Material bestehen, wie etwa Al₂O₃, ZrO₂ und/oder BN. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann ein beliebiges geeignetes isolierendes Material für Hochtemperaturanwendungen verwendet werden. In einer Verbesserung kann das isolierende Material als feinteilige Partikel bereitgestellt sein. Zum Beispiel beträgt die Partikelgröße des isolierenden Materials möglicherweise nicht mehr als 5 µm oder bevorzugter nicht mehr als 1 µm oder noch bevorzugter nicht mehr als 750 nm oder noch bevorzugter nicht mehr als 500 nm. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann ein Aerosol des isolierenden Materials verwendet werden, um das isolierende Material (z. B. eine isolierende Beschichtung) auf die Fläche aufzubringen. In einer Variation kann ein Aerosol durch Mischen des isolierenden Pulvers mit Lösungsmitteln, wie etwa Ethanol und/oder Aceton, gebildet werden.
In einer Verbesserung weist der erste Flächenabschnitt 212 eine Leitfähigkeit von mindestens 1 × 10⁶ S/m oder bevorzugter mindestens 5 × 10⁶ S/m oder noch bevorzugter 15 × 10⁶ S/m auf und weist der zweite Flächenabschnitt 214 eine Leitfähigkeit von nicht mehr als 1 × 10⁶ S/m oder bevorzugter nicht mehr als 1 × 10⁵ S/m und noch bevorzugter nicht mehr als 10⁴ S/m auf. Zum Beispiel kann der erste Flächenabschnitt aus Graphit bestehen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der spezifische Widerstand des ersten Flächenabschnitts 212 nicht mehr als 1 × 10^-6 Ω·cm oder bevorzugter nicht mehr als 1 × 10^-7 Ω·cm oder noch mehr bevorzugter nicht mehr als 1 × 10^-8 Ω·cm betragen und kann der zweite Flächenabschnitt einen spezifischen Widerstand von mindestens 1 × 10^-8 Ω·cm oder bevorzugter mindestens 2,5 × 10^-8 Ω·cm oder noch bevorzugter mindestens 1 × 10^-7 Ω·cm aufweisen.
Der zweite Flächenabschnitt 214 (z. B. das isolierende Material) kann in die Fläche eingebettet oder als Beschichtung auf die Fläche aufgebracht sein. Wenn zum Beispiel eine kontinuierliche wiederholte Verwendung gewünscht ist, kann eine Matrize, die einen eingebetteten zweiten Flächenabschnitt 214 aufweist, bevorzugt werden, aber wenn Flexibilität erforderlich ist und die Magnetausgestaltung (z. B. ein vorbestimmtes Muster) häufig geändert wird, kann der zweite Flächenabschnitt 214 auf den ersten Flächenabschnitt 212 in dem vorbestimmten Muster aufgebracht werden. Das isolierende Material oder die isolierende Beschichtung kann dann nach Bedarf entfernt werden und ein neues vorbestimmtes Muster kann aufgebracht werden. Zum Beispiel kann ein erstes vorbestimmtes Muster von isolierendem Material, wie etwa in 4A gezeigt, auf die Matrize aufgebracht werden und kann ein erster Magnet hergestellt werden. Dann kann das erste vorbestimmte Muster entfernt werden und ein zweites vorbestimmtes Muster, wie etwa in 4B-C gezeigt, das sich von dem ersten vorbestimmten Muster unterscheidet, auf die Matrize aufgebracht werden. Die Matrize kann dann verwendet werden, um einen zweiten Magneten zu fertigen, der sich von dem ersten Magneten unterscheidet, obwohl zum Beispiel die Zusammensetzungen gleich sein können. In einer Verbesserung können das erste und das zweite vorbestimmte Muster durch einen Sprühauftrag aufgebracht werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das isolierende Material ein feines Pulver eines beliebigen geeigneten isolierenden Materials für Hochtemperaturbedingungen sein, wie etwa Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂) und/oder Bornitrid (BN). Unterschiedliche Muster können verwendet werden, um unterschiedliche mechanische, elektrische und/oder magnetische Eigenschaften zu ändern, zu optimieren, zu verbessern oder hervorzuheben. Zum Beispiel können breitere Abschnitte der im Allgemeinen 2D-Fläche der Matrize zu tieferen zweiten Abschnitten führen, die niedrigere Dichten und/oder höhere spezifische Widerstände in dem fertigen 3D-Magneten aufweisen; alternativ kann das isolierende Material so angeordnet sein, dass Spalte oder sogar vollständige Schnitte in dem Magneten verursacht werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen können die in dieser Schrift beschriebenen Matrizen verwendet werden, um die in dieser Schrift beschriebenen Magnete zu fertigen, wie etwa in einem Sinterprozess 500. Die Magnete können aus einer magnetischen Mischung 430 gefertigt sein. Die magnetische Mischung 430 kann ferromagnetische Materialien beinhalten, die in einem Zustand verfestigt oder fixiert werden, um ihre Mikrostrukturen auszurichten. Zum Beispiel können die magnetischen Pulver in einem Magnetfeld ausgerichtet, gepresst und/oder unter einem magnetischen und/oder elektrischen Feld gesintert werden. Bei dem Sinterprozess 500 kann es sich um ein feldunterstütztes Sintern, d. h. Spark-Plasma-Sintern, handeln. Die magnetische Pulvermischung 430 kann Neodym-Eisen-Bor (Nd-Fe-B), Samarium-Kobalt (SmCo), Aluminium-Nickel-Kobalt (Al-Ni-Co), Mangan-Wismut (MnBi), Samarium-Eisen-Stickstoff (SmFeN) oder eine Kombination daraus beinhalten.
Die magnetische Pulvermischung 430 kann einer Form 404 eines Sintersystems 400 zugegeben werden. Eine oder mehrere Matrizen können mit der Form zusammenwirken, um die magnetische Pulvermischung 430 zu komprimieren (d. h. Druck darauf auszuüben). Die magnetische Pulvermischung 430 kann auch einer Erwärmung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, wie etwa durch die eine oder die mehreren Matrizen. Zum Beispiel kann ein elektrischer Strom durch leitfähige Abschnitte einer oberen Matrize 410 durch die magnetische Pulvermischung 430 und eine untere Matrize 420 angelegt werden. Der elektrische Strom kann die magnetische Mischung erwärmen, um ein Sintern zu bewirken, was zu einer Kontraktion der magnetischen Mischung führt. In einer Verbesserung kann das Magnetfeld in einer beliebigen Richtung angelegt werden, wie etwa in einer Richtung, die im Allgemeinen senkrecht oder parallel zu der Kontaktfläche der Matrize verläuft, sodass ein anisotroper Magnet gebildet wird.
Spark-Plasma-Sintern kann zu einer schnelleren Erwärmung und kürzeren Sinterdauern führen, um eine volle Dichte mit niedrigeren Kompressionsdrücken zu erreichen. Das Verändern des elektrischen Feldes, das während des Sinterns angelegt wird, kann zu einzigartigen Eigenschaften führen und die Gestaltungsflexibilität erhöhen. Wenn zum Beispiel ein hoher Strom an die magnetische Pulvermischung 430 angelegt wird, kann eine Kontraktion auftreten, um die Dichte zu erhöhen, und wenn kein und/oder ein geringer Strom an die magnetische Pulvermischung 430 angelegt wird, zieht sie sich möglicherweise nicht zusammenziehen und/oder kann sogar zu benachbarten Regionen, an die Hochstrom angelegt wird, wegdiffundieren. Abschnitte mit hoher Dichte können niedrigere spezifische Widerstände aufweisen und Abschnitte mit niedriger Dichte können höhere spezifische Widerstände aufweisen. Die Kontraktion kann sogar in einem Ausmaß auftreten, dass ein oder mehrere Spalte gebildet werden. Die Stromdifferenz, die zwischen benachbarten Abschnitten der magnetischen Pulvermischung erfahren wird, kann zu einem Gradienten der Dichte und/oder des spezifischen Widerstands von den Abschnitten, die höheren Strömen ausgesetzt sind, und dem Abschnitt, der niedrigeren Strömen ausgesetzt ist, führen. Die in dieser Schrift beschriebenen Verfahren ermöglichen eine Herstellungsflexibilität, reduzieren Kosten und erhalten die Effizienz aufrecht oder verbessern diese, wenn verschiedene Magnete mit komplexen Formen produziert werden.
Dementsprechend beinhaltet ein Verfahren 500 zum Herstellen eines Dauermagneten Bereitstellen einer oder mehrerer Matrizen (z. B. einer ersten Matrize, einer zweiten Matrize und/oder einer Vielzahl von Matrizen), wie in dieser Schrift beschrieben, Bereitstellen einer magnetischen Pulvermischung in einer Form, Inkontaktbringen der ersten Matrize mit dem magnetischen Pulver und Anlegen von Druck und eines elektrischen Stroms an das magnetische Pulver. In einer Verbesserung kann die erste Matrize einen ersten Flächenabschnitt und einen zweiten Flächenabschnitt aufweisen, der sich von dem ersten Flächenabschnitt unterscheidet. In einigen Ausführungsformen kann ein größerer elektrischer Strom durch den ersten Flächenabschnitt fließen als durch den zweiten Flächenabschnitt. In einer Verbesserung kann der elektrische Strom als eine elektrische Stromdichte gemessen werden. Zum Beispiel kann der erste Flächenabschnitt eine größere elektrische Stromdichte aufweisen als der zweite Flächenabschnitt aufweisen (d. h., der zweite Flächenabschnitt kann eine niedrigere elektrische Stromdichte als der erste Flächenabschnitt aufweisen). Zum Beispiel kann der erste Flächenabschnitt leitfähig sein, während der zweite Flächenabschnitt isolierend sein kann. In einer Verbesserung kann der zweite Flächenabschnitt als Beschichtung auf die Matrize aufgebracht werden, bevor er mit dem magnetischen Pulver in Kontakt gebracht wird. Zum Beispiel kann ein vorbestimmtes Muster identifiziert werden und kann ein isolierendes Material aufgebracht werden, wie etwa durch Sprühbeschichten, um die zweiten Flächenabschnitte zu bilden. In einer Variation kann der elektrische Strom durch die erste Matrize an das magnetische Pulver und an eine zweite Matrize angelegt werden. Die zweite Matrize kann mit der magnetischen Mischung in Kontakt gebracht werden. Wenn eine isolierende Fläche der ersten Matrize und eine isolierende Fläche der zweiten Matrize ausgerichtet sind und eine ausreichende Breite und Dicke aufweisen, können sie zu einem Schnitt durch die gesamte Dicke des Magneten führen. Alternativ können die isolierenden Flächen so angeordnet sein, dass sie einen Spalt oder Abschnitte mit niedrigeren Dichten und höheren spezifischen Widerständen bilden. Mit anderen Worten können Abschnitte des Magneten mit hoher Dichte benachbart zu leitfähigeren Flächen der einen oder der mehreren Matrizen sein und können Abschnitte mit niedriger Dichte oder Spalte des Magneten benachbart zu den weniger leitfähigen (z. B. isolierenden) Flächen der einen oder der mehren Matrizen sein.
Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen sind. 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 Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sein können. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben worden sein könnten, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass bei einem/einer oder mehreren Merkmalen oder Eigenschaften Kompromisse eingegangen werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzung abhängen. Diese Attribute können unter anderem Festigkeit, Lebensdauer, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Platzbedarf, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten. Demnach liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für konkrete Anwendungen wünschenswert sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Dauermagnet bereitgestellt, der einen gesinterten magnetischen Körper aufweist, welcher einen ersten Abschnitt, der eine erste Dichte aufweist, und einen zweiten Abschnitt, der eine zweite Dichte aufweist, die geringer als die erste Dichte ist, beinhaltet, wobei die Zusammensetzung des ersten und des zweiten Abschnitts gleich ist.
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich der zweite Abschnitt entlang eines Umfangs eines Spalts.
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich der zweite Abschnitt entlang einer Kante des magnetischen Körpers.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die erste Dichte mindestens 85 % einer theoretischen Dichte und beträgt die zweite Dichte nicht mehr als 85 % der theoretischen Dichte.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die erste Dichte mindestens 6,6 g/cm³ und beträgt die zweite Dichte nicht mehr als 6,6 g/cm³.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet der zweite Abschnitt eine Vielzahl von isolierten Teilstücken, die innerhalb des ersten Abschnitts angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch einen dritten Abschnitt gekennzeichnet, der eine dritte Dichte aufweist, die sich von der ersten und der zweiten Dichte unterscheidet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Abschnitt in einem vorbestimmten Muster angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Abschnitt Nd-Fe-B, Sm-Co, Al-Ni-Co, MnBi, Sm-Fe-N oder eine Kombination daraus.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Matrizenbaugruppe zum Herstellen von Magneten bereitgestellt, die eine erste Matrize aufweist, welche einen ersten Flächenabschnitt und einen zweiten Flächenabschnitt aufweist, wobei die erste Matrize zur elektrischen Kommunikation konfiguriert ist, sodass während der Verwendung der erste und der zweite Flächenabschnitt mit einem magnetischen Körper in Kontakt stehen und der erste Flächenabschnitt eine größere elektrische Stromdichte als der zweite Flächenabschnitt überträgt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch eine zweite Matrize, die einen dritten Flächenabschnitt und einen vierten Flächenabschnitt aufweist, welche dazu konfiguriert sind, mit dem magnetischen Körper gegenüber der ersten Matrize in Kontakt zu stehen.
Gemäß einer Ausführungsform liegt der vierte Flächenabschnitt dem zweiten Flächenabschnitt gegenüber, sodass, wenn ein Strom durch die erste und die zweite Matrize und den magnetischen Körper übertragen wird, ein gesinterter Magnet zwischen dem ersten und dem dritten Flächenabschnitt gebildet wird und ein Spalt zwischen dem zweiten und dem vierten Flächenabschnitt gebildet wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist der erste Flächenabschnitt eine Leitfähigkeit von mindestens 1 × 10⁶ S/m auf und weist der zweite Flächenabschnitt eine Leitfähigkeit von nicht mehr als 1 × 10⁶ S/m auf.
Gemäß einer Ausführungsform sind der erste Flächenabschnitt und der zweite Flächenabschnitt in einem vorbestimmten Muster angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Flächenabschnitt eine isolierende Beschichtung, die in einem vorbestimmten Muster auf den ersten Flächenabschnitt aufgebracht ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines Dauermagneten Aussetzen eines magnetischen Pulvers gegenüber einem Magnetfeld; Inkontaktbringen einer ersten Matrize, die einen ersten leitfähigen Flächenabschnitt und einen ersten isolierenden Flächenabschnitt aufweist, mit dem magnetischen Pulver bei einem ersten Druck; und Anlegen eines elektrischen Stroms an das magnetische Pulver durch die erste Matrize, sodass der erste leitfähige Flächenabschnitt einen größeren Strom anlegt als der erste isolierende Flächenabschnitt, um einen gesinterten Magneten zu bilden, der einen ersten Abschnitt mit hoher Dichte benachbart zu dem ersten leitfähigen Flächenabschnitt und einen ersten Abschnitt mit niedriger Dichte benachbart zu dem ersten isolierenden Flächenabschnitt aufweist.
In einem Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren Inkontaktbringen einer zweiten Matrize, die einen zweiten leitfähigen Flächenabschnitt und einen zweiten isolierenden Flächenabschnitt aufweist, mit dem magnetischen Pulver; und Anlegen eines elektrischen Stroms durch die zweite Matrize, während die zweite Matrize mit dem magnetischen Pulver in Kontakt steht.
In einem Aspekt der Erfindung weist der gesinterte Magnet eine Region auf, die eine Gradientendichte aufweist, welche zwischen dem ersten Abschnitt mit hoher Dichte und dem ersten Abschnitt mit niedriger Dichte angeordnet ist.
In einem Aspekt der Erfindung sind isolierende Flächenabschnitte eine isolierende Schicht, die in einem vorbestimmten Muster auf der ersten Matrize aufgebracht ist.
In einem Aspekt der Erfindung werden die isolierenden Flächenabschnitte durch Sprühen von Al₂O₃-, ZrO₂- und/oder BN-Partikeln auf die erste Matrize gebildet.

Claims

Dauermagnet, umfassend: einen gesinterten magnetischen Körper, welcher einen ersten Abschnitt, der eine erste Dichte aufweist, und einen zweiten Abschnitt, der eine zweite Dichte aufweist, die geringer als die erste Dichte ist, beinhaltet, wobei die Zusammensetzung des ersten und des zweiten Abschnitts gleich ist.
Dauermagnet nach Anspruch 1, wobei sich der zweite Abschnitt entlang eines Umfangs eines Spalts befindet.
Dauermagnet nach Anspruch 1, wobei sich der zweite Abschnitt entlang einer Kante des magnetischen Körpers befindet.
Dauermagnet nach Anspruch 1, wobei die erste Dichte mindestens 85 % einer theoretischen Dichte beträgt und die zweite Dichte nicht mehr als 85 % der theoretischen Dichte beträgt.
Dauermagnet nach Anspruch 1, wobei die erste Dichte mindestens 6,6 g/cm³ beträgt und die zweite Dichte nicht mehr als 6,6 g/cm³ beträgt.
Dauermagnet nach Anspruch 1, wobei der zweite Abschnitt eine Vielzahl von isolierten Teilstücken beinhaltet, die innerhalb des ersten Abschnitts angeordnet ist.
Dauermagnet nach Anspruch 1, ferner umfassend einen dritten Abschnitt, der eine dritte Dichte aufweist, die sich von der ersten und der zweiten Dichte unterscheidet.
Dauermagnet nach Anspruch 1, wobei der zweite Abschnitt in einem vorbestimmten Muster angeordnet ist.
Dauermagnet nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt Nd-Fe-B, Sm-Co, Al-Ni-Co, MnBi, Sm-Fe-N oder eine Kombination daraus ist.
Matrizenbaugruppe zum Herstellen von Magneten, umfassend: eine erste Matrize, die einen ersten Flächenabschnitt und einen zweiten Flächenabschnitt aufweist, wobei die erste Matrize zur elektrischen Kommunikation konfiguriert ist, sodass während der Verwendung der erste und der zweite Flächenabschnitt mit einem magnetischen Körper in Kontakt stehen und der erste Flächenabschnitt eine größere elektrische Stromdichte als der zweite Flächenabschnitt überträgt.
Matrizenbaugruppe nach Anspruch 10, ferner umfassend eine zweite Matrize, die einen dritten Flächenabschnitt und einen vierten Flächenabschnitt aufweist, welche dazu konfiguriert sind, mit dem magnetischen Körper gegenüber der ersten Matrize in Kontakt zu stehen.
Matrizenbaugruppe nach Anspruch 11, wobei der vierte Flächenabschnitt dem zweiten Flächenabschnitt gegenüberliegt, sodass, wenn ein Strom durch die erste und die zweite Matrize und den magnetischen Körper übertragen wird, ein gesinterter Magnet zwischen dem ersten und dem dritten Flächenabschnitt gebildet wird und ein Spalt zwischen dem zweiten und dem vierten Flächenabschnitt gebildet wird.
Matrizenbaugruppe nach Anspruch 10, wobei der erste Flächenabschnitt eine Leitfähigkeit von mindestens 1 × 10⁶ S/m aufweist und der zweite Flächenabschnitt eine Leitfähigkeit von nicht mehr als 1 × 10⁶ S/m aufweist.
Matrizenbaugruppe nach Anspruch 10, wobei der erste Flächenabschnitt und der zweite Flächenabschnitt in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind.
Matrizenbaugruppe nach Anspruch 10, wobei der zweite Flächenabschnitt eine isolierende Beschichtung ist, die in einem vorbestimmten Muster auf den ersten Flächenabschnitt aufgebracht ist.