DE3005573A1 - Dauermagnet - Google Patents

Description

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Dauermagnet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dauermagnet mit einer Magnetstruktur, die den Wert der magnetischen, einem Luftspalt oder anderen Bereichen des Magnetkreises zugeführten Induktion erhöht.

In mehreren praktischen Anwendungsgebieten besteht die Hauptaufgabe von Dauermagneten in der Erzeugung einer möglichst hohen magnetischen Induktion im Magnetkreis. Zu diesem Zweck werden bisher anisotrope Dauermagnete eingesetzt, die im Vergleich mit isotropen Magneten aus dem gleichen Material einen im wesentlichen vorteilhafteren Verlauf der Magnetisierungskurve aufweisen. Die bisher hergestellten anisotropen Magnete zeichnen sich dadurch aus, daß ihre elementaren Komponenten, d.h. Pulverpartikel, Kristalle oder dergleichen, mit ihren Magnetisierungsachsen übereinstimmend in eine solche Richtung orientiert oder ausgerichtet sind, in welcher der Dauermagnet magnetisiert wurde. Eine derartige anisotrope magnetische Struktur ermöglicht es, für ein gegebenes Material maximale Werte der Remanenz und des (BH) -Produkts und dement-

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sprechend erhöhte Werte der magnetischen Induktion im Arbeitspunkt zu erzielen, um diese Struktur zu erreichen, werden vorgesehen: Orientierung oder Ausrichtung von Pulverpartikeln durch ein Magnetfeld, Kristallisierung mittels eines gesteuer-

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ten Temperaturgradienten, Wärmebehandlung im Magnetfeld, Extrudieren, Walzen und andere Prozesse. Der gegenwärtige Stand der Herstellungstechnologie von Dauermagneten erlaubt die Produktion von Magneten mit einer fast vollkommenen Orientierung dieser Art, so daß es praktisch unmöglich ist, diese in einem bedeutsamen Maß noch weiter zu steigern. Diese Tatsache steht einer erwünschten Erhöhung der Parameter von einer ganzen Reihe der verschiedenste Dauermagnete verwendenden Anlagen im Wege.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile auszuschließen und einen Dauermagnet mit insbesondere möglichst hoher magnetischer Induktion zu schaffen.

Erfindungsgemäß weist der gesamte Magnetkörper oder ein Teil des Magnetkörpers eine inhomogene magnetische Struktur auf, deren Orientierung im Bereich des Poles, der eine erhöhte magnetische Induktion liefern soll, konvergent ist.

Die anisotrope Struktur wird durch die Orientierung der Magnetisierungsachsen von elementaren Magnetbereichen in erforderliche Richtungen gebildet. Das Orientieren wird so durchgeführt, daß es den Verlauf der magnetischen Induktion außerhalb des Magneten in der Polumgebung, im Unterschied zu den herkömmlichen Dauermagneten, die zum Erzielen eines optimalen Verlaufs der magnetischen Induktion im wesentlichen im Innern des Magnetkörpers orientiert sind, optimalisiert. Die Orientierung der erfindungsgemäßen Magnete konzentriert den magnetischen Fluß im Bereich der Oberfläche eines oder mehrerer Pole in einen Querschnitt, der geringer ist als der Magnetguerschnitt, und in diesem verminderten Querschnitt wird eine erhöhte magnetische Induktion in den äußeren entweder leeren oder ausgefüllten Raum geliefert. Die konvergente Struktur steigert ferner die magnetische Induktion

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dadurch, daß sie den nutzlosen Streufluß herabsetzt.

Die erhöhte magnetische Induktion kann beispielsweise in den Nutz-Arbeitsteil des Luftspalts, in den Polschuh oder in einen anderen Teil des Magnetkreises geliefert werden. Um die oben erwähnte Erhöhung des Wertes der magnetischen Induktion an der Oberfläche der verringerten Polfläche zu erzielen, ist die Struktur des erfindungsgemäßen Magneten in der Nähe der Poloberfläche - auch in bezug auf die Richtungen von Normalen zur Poloberfläche - konvergent. Deswegen gehören zu den erfindungsgemäßen Magneten mit konvergenter Struktur nicht z.B. radial orientierte Toroide und Segmente, bei denen die Orientierung in den Richtungen von Normalen zu der gesamten Polfläche verläuft. Der erfindungsgemäße anisotrope Magnet besitzt gegenüber den herkömmlichen Magneten eine ganze Reihe von Vorteilen. Von diesen kann insbesondere auf die Erhöhung der maximalen, im Luftspalt ohne Verwendung der Polschuhe im Vergleich mit den bestehenden Magneten erzielten Magnetinduktionswerte verwiesen werden. Der erfindungsgemäße Dauermagnet erzeugt weiterhin gleichfalls eine höhere, weiter von der Magnetoberfläche wirkende magnetische Induktion. Solche Magnete können eine höhere magnetische Induktion in den Luftspalt bzw. in die anderen Bereiche des Magnetkreises auch mittels Polschuhen aus Weicheisen, Permendur oder einem anderen geeigneten Material liefern.

Die oben angeführten Vorteile kommen in einer ganzen Reihe von Verwendungszwecken zur praktischen Geltung. Die Erhöhung der magnetischen Induktion im Luftspalt verbessert verschiedene Parameter von Generatoren, Motoren, Antriebssystemen mit Dauermagneten, magnetischen Kupplungen, Lagern, Separatoren, Klemmstücken, Relais, Abtastern, Mikrowellenelementen, elektroakustischen Wandlern u.a. Anlagen. Unter verbesserten Parametern sind hier beispielsweise ein höherer Wirkungsgrad, eine höhere Leistung, Drehmoment, Anzieh- bzw.

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Abstoßkraftwirkungen, Empfindlichkeit, Genauigkeit und Herabsetzung des Energiebedarfs zu verstehen. Ein weiterer erheblicher Beitrag liegt in verschiedenen Möglichkeiten einer Miniaturisierung von Magnetkreisen oder einer Erweiterung des Luftspaltes im Vergleich mit den Anwendungen von herkömmlichen Magneten unter Beibehaltung der gleichen Magnetinduktionswerte, was in manchen Fällen eine Herabsetzung von Materialkosten, eine längere Lebensdauer und eine vereinfachte Konstruktion und Herstellung zur Folge hat.

An manchen Anwendungsgebieten kann z.B. der erfindungsgemäße Magnet mit erhöhter Induktion im Luftspalt die konventionellen Magnete mit Polschuhen aus Weicheisen oder Permendur ersetzen. Ausführungen ohne Polschuhe tragen nebst einer Miniaturisation - zur Verbesserung von dynamischen Eigenschaften oder Charakteristiken in Magnetkreisen mit beweglichem Arbeitspunkt bei.

Der erfindungsgemäße Dauermagnet kann vorzugsweise aus den meisten bisher üblichen magnetisch harten Materialien hergestellt werden. Ein neuer und höherer Effekt wird bei solchen Magneten insbesondere unter Verwendung von Materialien mit höheren Werten der Koerzitivkraft und ferner mit magnetischer Anisotropie der elementaren Bereiche, d.h. beispielsweise der magnetokristallischen Anisotropie usw., aus dem Grunde erzielt, daß es bei der Konzentrierung der Induktionslinien nötig ist, die Abstoßungskräfte und Entmagnetisier ungswirkungen zu überwinden. Als Beispiele können Materialien auf Seltenerdmetallbasis, Ferrite, die Materialien Alnico mit hoher Koerzitivkraft, PtCo, MnBi u.a. dienen. Wird an den erfindungsgemäßen Magnet ein geeigneter Polschuh oder ein anderer magnetischer Bestandteil des Magnetkreises angeschlossen, kann auch ein magnetisch hartes Material mit niedrigeren Werten der Koerzitivkraft und mit elementarer magnetischer Anisotropie erfolgreich verwendet werden. Zur

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Bildung der anisotrop orientierten Struktur des erfindungsgemäßen Magneten oder von dessen Bestandteilen können analoge technologische Vorgänge der Orientierung der elementaren Bereiche wie bei der Herstellung von konventionellen anisotropen Magneten angewandt werden.

Im Falle des erfindungsgemäßen, aus Barium- oder Strontiumferrit hergestellten Magneten erhöht sich die magnetische Induktion im Luftspalt so stark, daß dieser bei manchen Anwendungen auch wesentlich kostspieligere Magnete aus Materialien auf Seltenerdmetallbasis ersetzen kann. Bei den letztgenannten Magneten (z.B. SmCo-) werden im Luftspalt so stark erhöhte Magnetinduktionswerte erzielt, wie diese mit herkömmlichen Dauermagneten ohne Polschuhe nicht erreichbar sind. So kann durch die Herstellung des erfindungsgemäßen Magneten eine wirksamere Verwertung von Dauermagnet-Ausgangsmaterialien erzielt werden.

Die vorteilhaftesten Ausführungen der anisotropen Struktur des erfindungsgemäßen Dauermagneten hängen - bei den jeweiligen Anwendungen - von der Konfiguration des Magnetkreises und des Luftspaltes, von den an den Wert und die Raumverteilung der magnetischen Induktion im Luftspalt und in den anderen Magnetkreisbereichen gestellten Ansprüchen, von der Form, den Dimensionen und den magnetischen Eigenschaften des Dauermagnetmaterials ab.

Die Erfindung sieht also einen Dauermagnet mit einer anisotropen magnetischen Struktur im ganzen Magnetkörper oder in einem Teil desselben vor, die darin besteht, daß die Orientierung der Magnetisierungsachsen zumindest im Bereich der Oberfläche eines der Magnetpole konvergent ist. Eine solche Struktur ermöglicht es, die magnetische Induktion im Vergleich mit herkömmlichen Dauermagneten aus gleichen Materialien wesentlich zu erhöhen.

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Einige beispielsweise Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Dauermagneten sollen im folgenden anhand von beigefügten schematischen Zeichnungen - mit der Ausnahme der Fig. 3 - näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Schnittansichten von Dauermagneten mit

verschiedenartiger» die magnetische Induktion steigernder Orientierung;

Fig. 3 ein Beispiel eines herkömmlichen Dauermagneten mit homogener Orientierung; und

Fig. 4 bis 8 Schnittansichten von verschiedenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Dauermagneten mit weiteren Orientierungsarten .

Wie den Figuren entnehmbar ist, weist ein prismaförmiger Dauermagnet erfindungsgemäß eine anisotrope Struktur auf, die es ermöglicht, eine erhöhte magnetische Induktion im Außenraum in der Nähe der Magnetoberfläche zu erzielen.

Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei Orientierungstypen, die die magnetische Induktion im Bereich der Flächenmitte des Pols S steigern; nach Figur 1 ist dieser Bereich einem Luftspalt zugekehrt, während die Struktur nach Figur 2 entlang einer durch diese Flächenmitte verlaufenden Achse orientiert ist. Wie aus den Pfeilrichtungen ersichtlich ist, zielt die Orientierung immer zum Pol S. Während die Figuren 1a und 2a eine anisotrope, mit einer zum Pol gerichteten Magnetachse parallel verlaufenden Struktur zeigen, verläuft gemäß den Figuren 1b und 2b ihre Orientierung senkrecht zur Polfläche. Wie durch die Ergebnisse von Versuchen nachgewiesen wurde, kann auf Grund der vorerwähnten Orientierung eine wesentliche

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Erhöhung der magnetischen Induktion gegenüber den bisher angewandten anisotropen Dauermagneten erzielt werden. Ein kubischer Magnet aus Strontiumferrit wurde der Messung einer senkrecht zur Polfläche verlaufenden magnetischen Induktionskomponente mit Hilfe einer unmittelbar an die Mitte der Polfläche angelegten Hall-Sonde unterworfen. Während beim bestehenden anisotropen, homogen orientierten Magnet (Figur 3) die magnetische Induktion 0,15 T betrug, wurde beim erfindungsgemäßen, nach Figur 2 orientierten Magnet aus demselben Material eine magnetische Induktion von 0,32 T gemessen.

Die erfindungsgemäßen Magnete können derart orientiert werden, um eine maximale Erhöhung der magnetischen Induktion in einem verhältnismäßig geringen Raum und in unmittelbarer Nähe der Magnetoberfläche, wie in einer Schnittansicht in Figur 4 veranschaulicht ist, zu erzielen. Demgegenüber zeigt Figur 5 eine relativ niedrigere absolute, in einem größeren Raum bestehende und gleichfalls in eine längere Entfernung von der Magnetoberfläche reichende Erhöhung der Induktion. Änderungen der Orientierungsrichtungen in der konvergenten anisotropen Struktur im Magnetkörper können gleichmäßig, allmählich - wie den vorerwähnten Figuren, z.B. Fig. 1a, entnehmbar - oder diskontinuierlich bzw. sprunghaft wie in Fig. 6 dargestellt, verlaufen. Die Struktur-Orientierung kann entweder geradlinig (siehe Figur 1a) oder krummlinig, wie z.B. nach Kurven in Figur 7, verlaufen. Die in den Figuren 1, 2, 4, 5, 6 und 7 dargestellten Magnete können eine erhöhte magnetische Induktion nicht nur unmittelbar in den Luftspalt, sondern auch in einen im mittleren Teil der Fläche des Pols S - wo der magnetische Fluß konzentriert ist - befindlichen Polschuh mit in der Regel kleinerer Querschnittsfläche als diejenige des Magneten liefern. Ähnlich wie der Polschuh kann an den Magnet auch ein anderer Magnet-

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strom-Abschnitt angeschlossen werden. Analog können die anisotrope Struktur bzw. Strukturen auch am zweiten Pol vorgenommen werden. Figur 8 zeigt beispielsweise eine krummlinige, auf die beiden Pole erweiterte Struktur.

Die oben angeführten Ausführungsbeispiele zeigen zwar das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung; sie erfassen aber bei weitem nicht die verschiedenartigsten erfindungsgemäßen Raumkonfigurationen, die zur Erhöhung des vom Magneten zu liefernden magnetischen Induktionswertes führen. Die Dauermagnete mit konvergenter Orientierung können die verschiedensten herkömmlichen entweder einfachen Formen, wie z.B. Prismen, Zylinder, Pyramiden, Kegel, Ringe, Stäbe und Magnete von ü-, O und Ε-Form, oder komplizierten Formen mit öffnungen, Kerben und Vorsprüngen aufweisen. Die anisotrope konvergente Struktur kann im Bereich des einen Pols, der beiden oder mehreren Pole, in einem Teil, in abgetrennten Bereichen oder im gesamten Magnetvolumen gebildet werden; sie kann gerad- oder krummlinig, kontinuierlich oder diskontinuierlich sein und sie kann in zwei oder drei Dimensionen vorgenommen werden. Die erfindungsgemäße anisotrope Struktur kann im Magnetkörper in beliebiger Richtung der Magnetisierung gebildet werden, wo nach dem Bedarf der Anwendung der Wert der erzeugten magnetischen Induktion zu erhöhen ist.

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Claims (1)

1. BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 Telefon (089) 22 7201 - 227244 - 29 5910 Telex 522048 - Telegramm Allpatent München

   233-30.673P

   Patentanwälte Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt Dipl.-Ing. R. BEETZ sen.

   Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. BEETZ jr.

   Rechtsanwalt Dipl.-Phys. Dr. jur. U. HEIDRICH Dr.-Ing. W. TIMPE Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN

   14. Februar 1980

   P atentanspruch

   Dauermagnet mit einer anisotropen magnetischen Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope magnetische Struktur im ganzen Magnetkörper oder in einem Teil desselben vorliegt und darin besteht, daß die Orientierung der Magnetisierungsachsen zumindest im Bereich der Oberfläche eines der Magnetpole konvergent ist.

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