DE3902480C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Magnetfeldbausteinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Neodym-Bor-Eisen-Magnete finden seit kurzer Zeit Verwendung in elektrischen Motoren. Ein hierbei auftretendes Problem ist der Korrosionsschutz derartiger Magnete. Es sind bereits Verfahren bekannt geworden, die Magnete durch Aufplattieren einer Kadmium- oder Nickelschicht gegen Korrosion zu schützen. Es mußte aber festgestellt werden, daß ein derartiger metallischer Überzug nicht nur keinen ausreichenden Korrosionsschutz bietet, sondern im Gegenteil die Magnete noch stärker korrodieren.

Ein weiteres Problem bei der Verwendung der genannten Magnete entsteht durch den negativen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten von Neodym-Bor-Eisen-Magneten in der zur Achse der magnetischen Orientierung senkrechten Ebene. Elektromotoren arbeiten in der Regel in großen Temperaturbereichen, so daß der Unterschied zwischen der Wärmeausdehnung des Magneten und des Trägers, in der Regel Eisen, sehr groß ist. Das Korrodieren sowie die unterschiedliche Wärmeausdehnung können zur Folge haben, daß sich die Magnete durch sich wiederholende Temperaturschwankungen von der Unterlage lösen. Korrodierte Magnete können der Belastung durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung von magnetischem und Trägermaterial nicht standhalten, lösen sich entlang ihrer Auflagefläche vom Träger ab und verlieren sich im Motorinneren, was selbstverständlich die Motorleistung beeinträchtigt bzw. ganz verhindert.

Bisher ist lediglich bekannt, Magnetfeldbauteile mit Seltenerd-Permanent-Magneten, insbesondere der Samarium-Kobalt-Reihe, speziell so anzuordnen, daß sich zwischen Blättchenpaaren aus weichmagnetischem Material Permanentmagneten dieser Art befinden, um die magnetischen Eigenschaften der Feldpole dynamoelektrischer Maschinen zu verbessern (US-PS 41 41 137).

In der US-PS 27 74 701 wird beschrieben, daß durch den Auftrag einer amorphen Zinkphosphatschicht auf Metallkörper eine verbesserte Bindung zwischen diesem Metallkörper und einem Gummiüberzug erreichbar ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Magnete mit einem geeig­ neten Korrosionsschutz zu versehen sowie das durch die Wärmeausdehnung bedingte Abbrechen der Magnete vom Magnetfeldbauteil zu verhindern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß werden die Neodym-Bor-Eisen-Magnete mit Lösungen behandelt und mit einer Schicht überzogen, die neutralisierend auf vergiftende Stoffe, wie beispielsweise freie Chlorionen, wirken. Vorzugsweise verwendete Neutra­ lisierungslösungen sind Bestandteil des Zinkphosphat-Ver­ fahrens. Im Zinkphosphat-Verfahren wird nicht nur der Korro­ sionseffekt neutralisiert, sondern gleichzeitig werden die Magnete mit einer Schicht überzogen, die die Ober­ fläche aufnahmefähig macht für Haftvermittlerschichten. Tatsächlich bewirkt die Zinkphosphat-Schicht eine Vergrö­ ßerung der Oberfläche und die Ausbildung zahlreicher An­ lagerungsstellen, die eine mechanische Verkettung von Über­ zug und/oder Haftvermittler ermöglichen.

Auf die gründlich gereinigte Oberfläche des mit der Zink­ phosphat-Schicht überzogenen Magneten wird eine ein flexi­ bles Epoxydharz enthaltende Klebschicht aufgebracht, um den Magneten mit der ebenfalls gereinigten Oberfläche des Magnetbauteil-Trägers, beispielsweise einer eisernen Statoreinheit, zu verbinden. Vorteilhafterweise haftet die flexible Klebschicht fest an dem mit der Zinkphosphat- Schicht überzogenen Magneten und sorgt gleichzeitig für den Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehung von Magnet- und Trägermaterial.

In einer vorzugsweisen Ausführungsform werden die freilie­ genden Oberflächen des mit Zinkphosphat beschichteten Mag­ neten mit einem dauerhaften, korrosionsbeständigen Material überzogen. Es wurde überraschend festgestellt, daß sich hierfür eine Polyamid-imid-Kunstharzschicht besonders gut eignet. Die Polyamid-imid-Schicht wird vorzugsweise vor dem Befestigen des Magneten auf dem Träger im Sprühverfahren oder mit einem Pinsel aufgebracht, wobei darauf zu achten ist, daß kein Harz auf die zur Verbindung vorgesehene Fläche gelangt. Deshalb kann die Polyamid-imid-Harzschicht auch erst nach dem Befestigen des Magneten auf dem Träger aufgebracht werden, wodurch das Maskieren oder Abdecken der Verbindungsfläche überflüssig wird.

Nach der Erfindung wird ein Nd-B-Fe-Magnet hergestellt, der gegen die in Elektromotoren auftretenden Temperaturschwan­ kungen sowie korrodierende Chemikalien widerstandsfähig ist.

Überraschenderweise wird dieses erstaunliche Ergebnis durch ein einfaches und wirkungsvolles Verfahren erzielt, bei dem die Magnete mit einer Neutralisierungslösung, vor­ zugs-weise einer Zinkphosphat-Lösung, behandelt werden. Da­ durch werden die korrodierenden Effekte auf der Magnetober­ fläche neutralisiert und es wird ein Überzug aus­ gebildet, der gleichzeitig eine gute Unterlage für Haft­ vermittler und weitere Überzüge darstellt. Der erfindungs­ gemäß behandelte Magnet weist eine Oberfläche auf, die zum mechanischen Verbinden mittels eines vorzugsweise verwende­ ten Klebers mit dem Träger sehr gut geeignet ist. Auf der anderen Seite bleibt die elastische Klebschicht ausreichend flexibel, um den hohen Spannungen, die bei Temperatur­ schwankungen durch die unterschiedlichen Ausdehnungs­ koeffizienten von Magnet- und Trägermaterial auftreten, zu widerstehen bzw. um diese zu kompensieren.

Die Figur zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch ein Magnetfeldbauteil in der vorzugsweisen Ausführung nach der Erfindung mit allen Schichten und Überzügen.

Der Magnet 10 ist mit der neutralisierenden Überzugsschicht (Zinkphosphor-Schicht) 12 versehen. Die elastische Kleb­ schicht 14 verbindet den beschichteten Magneten 10 mit der Unterlage 16. Vorzugsweise sind alle freiliegenden Flächen des Magneten 10 mit der korrosionsbeständigen Schutzschicht 18 überzogen. Genauer gesagt weist der Neodym-Bor-Eisen- Magnet 10 eine Zinkphosphat-Schicht 12 auf und ist mit der eisernen Statorkonstruktion 16 mittels der elastischen, Epoxydharz enthaltenden Klebschicht 14 verbunden. Die frei­ en, mit der Zinkphosphat-Schicht überzogenen Flächen des Magneten werden vorzugsweise mit einer Polyamid-imid-Harz­ schicht 18 versehen.

Entsprechend der Erfindung werden Neodym-Bor-Eisen-Magnete mit einer Neutralisierungslösung, vorzugsweise einer Zink­ phosphat-Lösung behandelt, die gleichzeitig einen Überzug auf der Magnetoberfläche ausbildet, und mit einer elasti­ schen Klebschicht mit einer Unterlage verbunden. Anschlie­ ßend wird eine widerstandsfähige, korrosionsbeständige Schicht als zusätzlicher Schutz aufgebracht. Nd-B-Fe-Magnete werden in Blöcken geliefert und zum Ge­ brauch in die jeweils gewünschte Form und Größe gebracht. Die Magnete können während der Verarbeitung magnetisiert oder entmagnetisiert werden. Die Bezeichnung "Magnete" wird nur der Einfachheit halber verwendet und soll nicht als Einschränkung der Erfindung ausgelegt werden. Entsprechend der Erfindung werden die Magnete zunächst ge­ reinigt und so behandelt, daß die Wirkung korrodierender Substanzen, wie beispielsweise Chlorionen, neutralisiert wird. In der Praxis wird das magnetische Material hierzu nacheinander in einem alkalischen Bad gereingt, in Wasser gespült, in einer Schwefelsäure-Lösung behandelt und er­ neut in Wasser gespült. Zur Zeit wird vorzugsweise ein alka­ lisches Bad verwendet, das aus 40 bis 55 g Oakite No. 195 und 24 bis 40 g Oakite No. 90 pro Liter Wasser besteht. Oakite No. 195 ist ein gepuffertes Alkali, ein Elektro­ reiniger mit umgekehrtem Vorzeichen für Zink und andere Me­ talle. Es ist ein begrenzt hygroskopisches, weißes, geruch­ loses Pulver mit einer Fülldichte von 1125 g/l und einer maximalen Löslichkeit von 90 g/l bei 21°C. Es fällt in har­ tem Wasser aus. Der pH-Wert bei Konzentrationen zwischen 50 und 55 g/l Wasser liegt bei 13,0 bis 13,2 (21°C). Oakite No. 90 ist ein gepulvertes alkalisches Material zum anodischen Entfernen von Verschmutzungen wie Öl oder an­ deren Verunreinigungen von Stahl und Kupfer vor dem Galva­ nisieren. Es ist eine Mischung aus anionischen und ion­ nischen Benetzern und Alkalien einschließlich Ätzalkalien, Silikaten und Phosphaten. Es ist ein hygroskopisches wei­ ßes Pulver mit einem schwach aromatischen Geruch. Seine maximale Löslichkeit bei 21°C beträgt 60 g/l und bei 82°C 120 g/l. Es flockt in hartem Wasser aus. Der pH-Wert bei einer Konzentration von 45 g/l liegt bei 13,2 (21°C).

Die Reinigung des Magnetmaterials erfolgt durch Spülen für 10 bis 15 Sekunden unter Leitungswasser bei etwa 13°C (hier nachstehend als "Kaltwasser-Spülen" bezeichnet) und Eintauchen in das alkalische Bad, in welchem der Magnet zunächst für 5 bis 10 Sekunden als Kathode und dann für 5 bis 10 Sekunden als Anode geschaltet wird.

Danach wird der Magnet für 10 bis 15 Sekunden in kaltem Wasser gespült und für ca. 5 Sekunden in 0,7-molare Schwe­ felsäure getaucht. Anschließend wird das Magnetmaterial er­ neut in kaltem Wasser für 10 bis 15 Sekunden gespült. Das auf diese Weise gereinigte Magnetmaterial kann nun mit der Neutralisierungs- und Überzugslösung behandelt werden. Diese Lösung ist vorzugsweise eine Zinkphosphat-Lösung und neutralisiert den Effekt korrodierender Substanzen, schützt das Magnetmaterial und bildet eine Oberfläche aus, die aufnahmebereit ist für Klebschichten und Überzüge. Die vor­ zugsweise verwendete Zinkphosphat-Lösung enthält ungefähr 4 bis 5 Vol.-% Zinkphosphat und die Behandlung wird bei Temperaturen zwischen 85°C und 96°C durchgeführt; die Be­ handlungsdauer beträgt etwa 15 bis 30 Minuten.

Die vorzugsweise verwendete Zinkphosphat-Lösung wird aus Cryscoat ZS 400 hergestellt und ist eine zähflüssige Über­ zugsmasse, von der etwa 6,6 bis 50 g/m² aufgebracht werden. Cryscoat ZS 400 besteht aus Salpetersäure, Fluorwasserstoff­ säure und Schwermetallphosphaten. Es ist eine hellgrüne Lösung mit säuerlichem Geruch, deren spez. Gewicht 1,423 bei 20°C und deren Fülldichte 1423 g/l bei 20°C beträgt. Die Viskosität liegt bei 9 bis 10 cps (Brookfield Spindle 1, 60 UpM) bei 20°C.

Das neutralisierte und beschichtete Magnetmaterial wird für 1 Minute mit kaltem Wasser gespült. Vorzugsweise wird das beschichtete Magnetmaterial dann in einer angesäuerten Lösung gespült, die beispielsweise 20% Chromsäure und 3,1 ml/l Salpetersäure enthält. Die saure Spüllösung hat einen pH-Wert zwischen 0,8 bis 2,0 und eine Temperatur, die zwi­ schen 15°C und 43°C liegt. Vorzugsweise dauert die Behand­ lung etwa 5 bis 30 Sekunden. Ein geeignetes saures Spül­ mittel ist Iridite 8P Blubrite, ein konzentriertes Pulver, das Chromverbindungen enthält und das mit Wasser und Sal­ petersäure gemischt wird, um die Arbeitslösung zu erhal­ ten.

Nach der sauren erfolgt eine Spülung in warmem Wasser bei 38°C bis 43°C. Nach dem Trocknen hat man einen mit einer Zinkphosphat-Schicht überzogenen Magneten erhalten. Nach der vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird der mit der Zinkphosphat-Schicht überzogene Magnet mit dem Magnetfeldbauteil, beispielsweise einer eisernen Stator­ anordnung, fest verbunden. Der hierfür verwendete elasti­ sche Epoxydharz-Kleber sollte einen großen Arbeitstempera­ turbereich aufweisen, der dem Temperaturbereich des Motors im Betrieb entspricht, und muß mit den zu verbindenden Ma­ terialien kompatibel sein. Als besonders geeignet hierfür hat sich der elastische Kleber Scotchweld 2214 Hi-flex erwiesen, der eine effektive Arbeitstemperatur von -24°C bis über 150°C hat. Selbstverständlich müssen die zu ver­ bindenden Flächen sauber und vor allen Dingen fettfrei sein. In der Praxis hat sich Ethylalkohol zum Reinigen des mit der Zinkphosphat-Schicht überzogenen Magneten und des Trägers vor dem Aufbringen der elastischen Klebschicht be­ währt.

Aufgrund der relativ großen Oberfläche und der zahlreichen Verbindungsstellen der Zinkphosphat-Schicht bildet die elastische Klebschicht eine starke Verbindung zwischen der beschichteten Magnetoberfläche und der Trägerunterlage und gleicht die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Trägerunterlage und Magnetmaterial aus. Die Kombination von fester Verbindung und elastischer Klebschicht bewirkt, daß das gesamte System den großen Spannungen standhält, die durch Ausdehnen und/oder Zusammenziehen der Materialien aufgrund von Temperaturschwankungen entstehen.

Es kann erforderlich werden, die Magnete so zu formen, daß sie im Motor untergebracht werden können, was beispiels­ weise durch Schleifen erfolgen kann. Wie bei der Magneti­ sierung kann dieser Schritt entweder vor oder nach dem Be­ festigen des Magneten am Stator durchgeführt werden. Aus praktischen Erwägungen wird der Magnet erst nach dem Ein­ bau in Form geschliffen, wobei sehr sorgfältig vorgegangen werden muß, um eine Überhitzung des Magneten während des Schleifens und dessen Berührung mit chlorhaltigen Kühl­ mitteln zu vermeiden.

Beim Schleifprozeß kann die Zinkphosphat-Schicht beschä­ digt oder möglicherweise zerstört werden. Es ist deshalb erforderlich, die Zinkphosphat-Behandlung nach dem Schlei­ fen zu wiederholen. Erfolgt das Schleifen vor dem Einbau des Magneten, wird die Zinkphosphat-Beschichtung, wie oben beschrieben, im Tauchverfahren durchgeführt.

Wird der beschichtete Magnet nach dem Einbau in Form ge­ schliffen, so empfiehlt es sich, die Zinkphosphat-Schicht durch Pinseln oder Sprühen auszubessern. Bei der prakti­ schen Durchführung des Verfahrens wird die geschliffene Magnetoberfläche in warmem Wasser gespült und mit Ethyl­ alkohol gereinigt. Dann wird der Magnet mit einer Zinkphos­ phat-Lösung höherer Konzentration, etwa in der Größen­ ordnung von 10 Vol.-% Cryscoat, behandelt. Die höhere Kon­ zentration der Zinkphosphat-Lösung soll die beim Sprühen oder Pinseln im Vergleich zum Tauchen kürzere Kontaktzeit ausgleichen. Bei der praktischen Durchführung des Ver­ fahrens kann es sich jedoch herausstellen, daß eine solche höhere Konzentration nicht erforderlich ist.

Nach dem Wiederherstellen der Zinkphosphat-Schicht werden die oben beschriebenen Spülschritte mit kaltem Wasser und sauren Spüllösungen durchgeführt, ebenfalls im Sprühver­ fahren oder mit dem Pinsel. Der so behandelte Magnet wird an der Luft getrocknet.

Die derart vorbehandelten, beschichteten und mit der Unter­ lage fest verbundenen Magnete sind wirksam vor Korrosion und den durch Wärmeausdehnung auftretenden Spannungen ge­ schützt und können in vielen Anwendungsbereichen einge­ setzt werden.

Oft ist es jedoch ratsam, durch Aufbringen eines weiteren Schutzüberzuges aus dauerhaftem, korrosionsbeständigem Material auf den freien Oberflächen der mit der Zink­ phosphat-Schicht überzogenen Magnete einen zusätzlichen Schutz zu gewährleisten.

Die relativ große Oberfläche und die zahlreichen mechani­ schen Verbindungsstellen der Zinkphosphat-Schicht bilden beste Voraussetzungen für die feste Verankerung eines solchen zusätzlichen Überzuges.

Beim Arbeiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hat sich herausgestellt, daß Polyamid-imid sich überraschend gut als Korrosionsschutz eignet und ausreichend Widerstand gegen die im Motor herrschenden strengen Bedingungen lei­ stet. Vorzugsweise werden die zu behandelnden Oberflächen vor dem Aufbringen der Polyamid-imid-Harzschicht auf über 93°C erhitzt. Das Auftragen kann durch Pinsel- oder Sprüh­ technik erfolgen, die Schichtdicke des Harzüberzuges sollte zwischen 12,5 und 37,5 µm betragen.

Ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, sind zahlreiche Variationen und Verfeinerungen des Verfahrens möglich. Insbesondere sind die Angaben über Konzentratio­ nen, Zeiten und Techniken nur als Beispiel gedacht; sie sind nicht als absolut erforderlich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu betrachten. Gleichfalls kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte variiert wer­ den, abhängig von den besonderen Fabrikationsbedingungen. Beispielsweise können nach der vorzugsweisen Ausführungs­ form der Erfindung die Magnete gereinigt, vorbehandelt und mit der Zinkphosphat-Schicht versehen, auf dem Stator be­ festigt, durch Abschleifen auf die gewünschte Form gebracht, die Zinkphosphat-Schicht ausgebessert, die Magnete magneti­ siert und mit einem Polyamid-imid-Harzüberzug versehen wer­ den.

Alternativ können die Magnete aber auch erst in Form ge­ schliffen und magnetisiert und erst danach mit den ent­ sprechenden Schichten versehen werden. Bei dieser Reihen­ folge wird die zusätzliche Ausbesserung der Zinkphosphat- Schicht überflüssig.

Es ist ferner möglich, die Magnete in Form zu schleifen, die Zinkphosphatschicht auszubessern, und die nicht zur Verbindung mit dem Stator vorgesehenen Seiten des Magne­ ten mit einer Polyamid-imid-Harzschicht zu überziehen, be­ vor der Magnet mit dem Statorbauteil verbunden wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen von Magnetfeldbauteilen für einen elektrischen Motor mit mindestens einem Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnet und einem Träger aus magnetisierbarem Material, wobei der Permanentmagnet mit dem Träger mittels einer Klebschicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Nd-Fe-B-Magnet zunächst in eine alkalische Waschlösung gebracht, in Wasser, einer sauren Spüllösung und wieder in Wasser gespült, in einer Zinkphosphat enthaltenden Lösung mit einer Schutzschicht versehen, in Wasser gespült, mit einer Chromsäure enthaltenden Lösung behandelt, gespült und getrocknet wird;
daß sämtliche Oberflächen, mit Ausnahme der für die Klebschicht-Verbindung bestimmten Fläche, mit einer weiteren Schutzschicht aus der Reihe der Polyamid-Imid-Harze und Epoxydharze versehen werden; und
daß zur Verbindung des Nd-Fe-B-Magneten mit dem Träger eine flexible Eigenschaften aufweisende Klebschicht benutzt wird, die für eine Betriebstemperatur zwischen -15° und +150° Grad geeignet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebschicht ein flexibles Epoxydharz enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnet in der alkalischen Reinigungslösung zunächst für 5 bis 10 Sekunden als Kathode und sodann für 5 bis 10 Sekunden als Anode geschaltet wird; und
daß die saure Waschlösung eine 0,7-molare Schwefelsäure-Lösung ist und die Behandlungsdauer 5 Sekunden beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen der Schutzschicht eine Lösung benutzt wird, die 4 bis 5 Vol-% Zinkphosphat enthält, und daß diese bei einer Temperatur von 85° bis 96°C aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromsäurehaltige Lösung 20% Chromsäure und 3,1 m/l Salpetersäure enthält, und daß die Behandlungszeit 5 bis 30 Sekunden beträgt.