DE3046515A1 - Verfahren zur herstellung von anisotropen dauermagneten - Google Patents

Description

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Verfahren zur Herstellung von anisotropen Dauermagneten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von anisotropen Dauermagneten, deren gesteuerte Orientierung im ganzen Magnetkörper oder in einem Teil davon konvergent ist.

In mehreren praktischen Anwendungsgebieten besteht die Hauptaufgabe von Dauermagneten in der Erzeugung einer möglichst hohen aagnetischen, in den Luftspalt oder in andere Bereiche des Magnetkreises zugeführten Induktion. Die herkömmlichen anisotropen Magnete zeichnen sich

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dadurch aus, daß die Leichtmagnetisierungsrichtungen der elementaren Magnetkomponenten - d. h. beispielsweise von Pulverpartikeln "bei Pulverwerkstoffen oder von Kristallen bei gegossenen Werkstoffen - übereinstimmend in eine solche Richtung orientiert oder ausgerichtet sind, in welcher der Dauermagnet magnetisiert wurde. Auf diese Art und Weise kann man wesentlich höhere Werte der Remanenz und des (BH) -Produkts im Vergleich mit isotropen, nicht orientierten Magneten erzielen.

In zahlreichen Fällen ist es jedoch vorteilhafter, Magnete einzusetzen, in deren ganzem Volumen oder in einem Teil desselben eine im Bereich von mindestens einer Poloberfläche konvergente Orientierung von Leichtmagnetisierungsachsen ausgebildet ist. Im Vergleich mit den existierenden, homogen orientierten Magneten ermöglichen es derartige Magnete, den Wert der magnetischen Induktion im Polbereich wesentlich zu erhöhen. Die Erhöhung der in den äußeren Raum abgegebenen magnetischen Induktion wird in einem kleineren Querschnitt als dem Querschnitt des Magneten erzielt und ist dadurch verursacht, daß die konvergente Orientierung den magnetischen Fluß konzentriert, seine Dichte erhöht und den wirkungslosen Streufluß vermindert .

Die erhöhte magnetische Induktion kann beispielsweise in den nützlichen Arbeitsbereich eines Luftspaltes, in einen Polschuh oder in einen anderen Teil des Magnetkreises geliefert werden. Um die oben erwähnte Erhöhung des Wertes der magnetischen Induktion an der verringerten Polfläche zu erzielen, ist die Struktur der erfindungsgemäßen Magnete in der Nähe des Pols - auch bezüglich der Richtungen

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von Formalen zur Poloberfläche - konvergent. Deswegen gehören zu den erfindungsgemäßen Magneten mit konvergenter Struktur nicht z. B. radial orientierte Toroide und Segmente, bei denen die Orientierung den Eichtungen von Normalen zur gesamten Polfläche folgt.

Je nach der Werkstoffsorte benützt man bei konventionellen Magneten zum Erzielen einer homogenen anisotropen Struktur verschiedene Vorgänge, wie z. B. Orientierung von Pulverpartikeln durch ein Magnetfeld, Kristallisation unter gesteuertem Temperaturgradienten, Wärmebehandlung im Magnetfeld, Extrudieren, Walzen u. a. Das gegenwärtige technologische Niveau erlaubt die Serienproduktion von Magneten, deren homogene Orientierung fast vollkommen ist.

Eine konvergent orientierte, in einem bestimmten Bereich die magnetische Induktion wirksam steigernde Struktur zu schaffen, ist in der Regel schwieriger als die Bildung einer klassischen homogenen Orientierung. Es ist ein Verfahren zur Herstellung von solchen anisotropen Magneten bekannt, bei denen die endgültige Magnetkörperform durch Zusammensetzen von anisotropen, aus einem Dauermagnetwerkstoff gefertigten und sich mit ihren Formen und Dimensionen zur Form und Größe des endgültigen Magnetkörpers ergänzenden Partikeln hergestellt wird, wobei die entsprechende magnetische, zwei oder mehrere verschiedene konvergente Konfigurationen umfassende Orientierung in der Weise gebildet wird, daß die magnetischen Orientierungen von zumindest zwei benachbarten Partikeln zueinander geneigt sind und die Polaritäten ihrer Magnetisierung auf einen und denselben Pol zielen.

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Obwohl dieses Verfahren eine ganze Reihe von Vorteilen aufweist, da es auf diese Art möglich ist, Magnete mit verschiedensten Verläufen von konvergent orientierten Strukturen und in beliebigsten Körperformen zu erzeugen, liegt sein Nachteil darin, daß es im Vergleich mit Verfahren zur Herstellung von herkömmlichen, homogen orientierten Magneten ziemlich kompliziert ist.

Diese Sachlage macht indessen einen erweiterten Einsatz solcher Magnete unmöglich, obgleich deren Verwendung bei einer ganzen Reihe von Anwendungen die Parameter von Magnetkreisen wesentlich erhöhen könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der oben angeführten Nachteile des Standes der Technik ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von anisotropen permanenten Magneten mit einer konvergenten magnetischen, die magnetische Induktion durch Konzentrieren des magnetischen STusses in einen verkleinerten Querschnitt steigernden Orientierung im ganzen Magnetkörper oder in einem Teil davon zu schaffen.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zum Herstellen von anisotropen Dauermagneten mit einer konvergenten magnetischen, die magnetische Induktion durch Konzentrieren des magnetischen Flusses in einen verkleinerten Querschnitt steigernden Orientierung in wenigstens einem Teil eines Magnetkörpers, mit dem Kennzeichen, daß bei der Bildung der Leichtmagnetisierungsriehtungen im Dauermagnetwerkstoff, d. h. bei der Orientierung von Pulverpartikeln durch ein Magnetfeld oder bei einer thermon»agnetischen Behandlung,

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das Dauermagnetmaterial der Wirkung eines äußeren Magnetfelds ausgesetzt wird, dessen Kraftlinien im Bereich des zu orientierenden Magnetkörpers einen konvergenten Verlauf aufweisen.

Ein solches Magnetfeld wird im folgenden einfach, als ein konvergentes Magnetfeld bezeichnet.

Dauermagnete mit konvergenter Orientierung kann man im Rahmen der Erfindung aus allen bisher "bekannten Arten von magnetisch harten Werkstoffen herstellen. Als Beispiel können magnetisch harte Ferrite, Werkstoffe auf Seltenerdbasis, AlNiCo-, PtCo-, MhAl-, MnBi-Legierungen u. a. dienen. Ein neuer und stärkerer Effekt bei solchen Magneten mit konvergenter Orientierung wird insbesondere bei der Verwendung von Werkstoffen mit höheren Werten der Koerzitivkraft und einachsigen magnetischen Anisotropie erreicht.

Das erfindungsgemäße Magnetherstellungsverfahren kann auch zur Herstellung von sowohl Pulver- als auch gegossenen Dauermagneten angewandt werden. Im erstgenannten Fall werden ferro- bzw. ferromagnetische Pulverpartikel - analog wie bei der Orientierung durch ein homogenes Magnetfeld — der Wirkung eines Magnetfeldes vor dem oder im Verlauf des Preßvorgangs ausgesetzt. Das Magnetfeld verstellt die zu magnet!sierenden Partikel mit ihren Leichtmagnetisierungsrichtungen in die Kraftlinienrichtungen. Danach wird die entstandene Orientierung durch Zusammenpressen des Pulvers ohne oder mit Bindemittel, bzw. durch Sintern oder auf eine andere Art fixiert.

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Bei der Herstellung von gegossenen Magneten wird das konvergente Magnetfeld bei einer thermomagnetischen Behandlung, d. h. Abkühlen des Gußstückes von der Gießtemperatur oder nach einer nachträglichen Erhitzung unter Einwirkung eines von außen angelegten Magnetfeldes, angewandt. Die thermomagnetische Behandlung des Dauermagneten kann man erfindungsgemäß selbstverständlich auch zur Herstellung von Pulvermagneten einsetzen. Ähnlich wie bei der thermomagnetischen Behandlung mit homogenem Feld scheiden sich - nach dem Durchgang durch die Curie-Temperaturzone - zuerst Präzipitate in Richtung der kristallographischen Achse aus, die die geringste Abweichung von der Richtung der Kraftlinien des Magnetfelds aufweist. Dieser Vorgang führt zur Bildung einer konvergent orientierten Magnetstruktur und ist z.B. für thermomagnetisch behandelte gegossene sowie Pulvermagnete aus AlNiCo-Legierungen vorteilhaft.

Das angewandte konvergente Magnetfeld kann ein Gleichoder Wechselfeld, stationär oder pulsierend sein. Ebenso wie bei der Orientierung durch das homogene Feld ist es empfehlenswert - insbesondere für die Pulverorientierung -, ein Magnetfeld möglichst hoher Intensität anzuwenden, da die Partikel bei deren Verstellung in der Regel einen Reibungswiderstand überwinden müssen und höhere Kraftwirkungen des Magnetfeldes es ermöglichen, eine bessere Orientierung zu erzielen. Das konvergente Magnetfeld kann auf verschiedene Arten durch Spulen, Elektromagnete oder Dauermagnete erzeugt werden. Wie aus der Magnetostatik bekannt ist, folgen die Kraftlinien einem konvergenten Verlauf z. B. im Polbereich von Spulen, Solenoiden, Elektromagneten oder Dauermagneten unter der Voraus-

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setzung, daß sie in einen verhältnismäßig weiten Luftspalt austreten. Als ein anderes Beispiel von konvergentem Magnetfeld kann man ein Feld in einem kleinen Spalt zwischen zwei Gegenpolen des Elektromagneten oder der Dauermagnete erwähnen, wobei einer der Pole eine kleinere Fläche als der zweite hat und die aus der größeren Fläche des zweiten Pols austretenden Kraftlinien konzentriert. Die Magnetoststik bietet eine ganze Reihe von Lösungen, die zur Erregung eines konvergenten Magnetfeldes führen.

Ferner können die konvergent orientierten Strukturen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Magnete von verschiedenster Konfiguration sein. Die einzelnen Strukturarten sollen den verschiedensten Anforderungen an die räumliche Verteilung der magnetischen, in den Außenraum abzugebenden Induktion entgegenkommen und den Formen, Dimensionen sowie magnetischen Eigenschaften von Dauermagnetwerkstoffen angepaßt werden. So konzentrieren die konvergent orientierten Strukturen beispielsweise den magnetischen Fluß in einen größeren oder kleineren Bereich in der Mitte der Fläche von einem, zwei oder mehr Polen. Änderungen der Orientierungsrichtungen in der konvergenten Struktur können im Magnetkörper entweder stetig oder stufenweise erfolgen. Eine anisotrope konvergente Struktur kann in einem Teil, in mehreren Teilen oder im ganzen Magnetvolumen ausgebildet sein, kann gerad- oder krummlinig, kontinuierlich oder stufenweise sein, und sie kann zwei- oder dreidimensional sein.

Nachstehend soll das erfinduiigs gemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

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Beispiel

Aus dem mit einem organischen Bindemittel gepreßten SmCoCuFe-Pulver (10 um durchschnittliche Partikelgröße) der Formel SmCo, eCu^. ,,-Fe₀ ^. (entsprechend 32,3 Gew.->i Sm, 44,4 Gew.-% Co, 18,5 Gew.-^ Cu und 4,8 Gew.-% Ee) wurde ein Dauermagnet in Zylinderform (Durchmesser 10 χ 5 mm) hergestellt. Die konvergente Orientierung erhöhte den Wert der magnetischen, aus der Zylinderflächenmitte (Pol S) heraustretenden Induktion. Pig. 1 zeigt links diese anisotrope Struktur in einem parallel mit der zum Pol zielenden Magnetachse geführten Schnitt und rechts in einer zur Polfläche senkrechten Ansicht. Der Magnet wurde in einem konvergenten Magnetfeld zwischen Polen eines Elektromagneten gepreßt, dessen einer Pol in einer Fläche von 30 mm Durchmesser und dessen zweiter, dem Pol 8 des zu pressenden Dauermagneten zugekehrter Pol in einem konischen, am Gipfel eine Fläche von 2 mm Durchmesser aufweisenden Polschuh endeten. Die maximale Intensität des Magnetfeldes betrug 640 kA/tn. Zum Vergleich wurde ein Magnet mit herkömmlicher Orientierung (siehe Fig. 2) aus demselben Material und von gleichen Dimensionen unter den gleichen Bedingungen mit der Ausnahme gepreßt, daß das Magnetfeld von 640 kA/m Intensität im Bereich des Magnetkörpers in Richtung zur Zylinderachse homogen war. Beim Magnet mit konvergenter Orientierung wurde eine wesentliche Induktionserhöhung in der Mitte der Polfläche gegenüber dem homogen orientierten Magnet erreicht. Dies wurde durch Messen mit einer nahe zur Polflächenmitte gelegten Hall'sehen Sonde nachgewiesen. Während beim homogen orientierten Magnet die Induktion von 0,15 T gemessen wurde, wies die Induktion beim Magnet mit (bei einem

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räumlichen Winkel von etwa 90 ) konvergenter Orientierung eine 30/S-ige Erhöhung auf.

Das erfindungsgeraäße Hagnetherstellungsverfahren "besitzt mehrere Vorteile. Insbesondere ist es vorteilhaft, daß es auf diese Art möglich ist, Magnete mit konvergenter Orientierung zu praktisch gleichen Kosten wie herkömmliche, homogen orientierte Magnete zu fertigen. Da dieses Verfahren die Bildung verschiedener Konfigurationen des Verlaufes der Kraftlinien des konvergenten Magnetfelds erlaubt, kann man Magnete mit entsprechenden verschiedenen Verlaufen der konvergent orientierten Strukturen je nach den Anforderungen an die Endmagnetparameter herstellen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Magnete kommen vorzxigsweise in einer ganzen Reihe von Verwendungszwecken zur praktischen Geltung. Die Erhöhung der magnetischen, in den Luftspalt oder andere Bereiche des Magnetkreises abgegebenen Induktion im Vergleich-mit den konventionellen Magneten verbessert verschiedene Parameter von Motoren, Antriebssystemen und Generatoren mit Dauermagneten, Mikrowellengeräten, Meßgeräten, elektroakustischen Wandlern, magnetischen Abtastern, Relais, Lagern, Kupplungen, Separatoren, Klemmstücken u. a. Unter verbesserten Parametern sind hier beispielsweise - je nach den einzelnen Verwendungszwecken - Herabsetzung des Energiebedarfs, höhere Leistung, Drehmoment, Anziehungsbzw. Abstoßungskraftwirkungen, Empfindlichkeit und Genauigkeit zu verstehen. Ein weiterer beträchtlicher Vorteil liegt in der Möglichkeit einer Miniaturisierung von Magnetkreisen, in der Herabsetzung der Materialkosten, in einer längeren Lebensdauer und in einer vereinfachten Konstruktion.

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Claims (1)

1. Patent anspruch

   Verfahren zum Herstellen von anisotropen Dauermagneten mit einer konvergenten magnetischen, die magnetische Induktion durch Eonzentrieren des magnetischen Flusses in einen verkleinerten Querschnitt steigernden Orientierung in wenigstens einem Teil eines Magnetkörpers, dadurch gekennzeichnet , daß "bei der Bildung der Leichtmagnetisierungsrichtungen im Dauermagnetwerkstoff, d. h. bei der Orientierung von Pulverpartikeln durch ein Magnetfeld oder bei einer thermomagnetischen Behandlung, das Dauermagnetmaterial der Wirkung eines äußeren Magnetfeldes ausgesetzt wird, dessen Kraftlinien im Bereich des zu orientierenden Magnetkörpers einen konvergenten Yerlauf aufweisen.

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