EP3547335A1 - Soft magnetic composite material, uses for same - Google Patents
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- EP3547335A1 EP3547335A1 EP18164736.3A EP18164736A EP3547335A1 EP 3547335 A1 EP3547335 A1 EP 3547335A1 EP 18164736 A EP18164736 A EP 18164736A EP 3547335 A1 EP3547335 A1 EP 3547335A1
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- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
- H01F3/06—Cores, Yokes, or armatures made from wires
Definitions
- the invention relates to a soft magnetic composite material, as well as its use in an electric motor, for example a reluctance motor, in a generator, in a transformer and / or in an electrical sheet.
- an electric motor for example a reluctance motor, in a generator, in a transformer and / or in an electrical sheet.
- magenta materials are also used in the form of electrical sheets for magnetic flux guidance in almost all embodiments.
- the electric sheets are usually stacked in layers and arranged perpendicular to the motor axis. In indoor runners, they are mounted on the axle.
- the magnetization is preferably in the plane for physical reasons. For the formation of the torque, it is necessary that the flow is guided curved within this plane of the electric sheet to form the poles. This is done by patterning, i. usually subtractive, e.g. achieved by punching.
- a considerable part of the flux-carrying material without actual magnetically functional property is used.
- a sheet metal section for mechanical stability reasons comprises unavoidable axial struts.
- the electric sheet is used unfavorably or without function and reduces the engine torque.
- a curved flux guidance for example rotationally and / or in 90 ° rectangular geometries, is desirable.
- a reluctance motor is for example from the EP 2 838 180 A1 known.
- the sheet cut is usually produced by subtractive methods such as punching, as mentioned above.
- soft magnetic sintered metals also referred to as soft magnetic composites - SMCs
- the electrical sheets along the axis would be conceivable, but this leads to a significant increase of eddy current losses along the axis of rotation.
- the mechanical stability of the overall structure at high centrifugal forces is unfavorable. Due to the negative effects of deformation and / or bending of the electrical steel sheet - for example in the form of a trough - the magnetic properties are also degraded.
- Object of the present invention is therefore to provide an optimized material structure of mechanically durable construction material and magnetic flux-conducting material and a suitable manufacturing method that allows a simple curvature of the flux-carrying material for maximum utilization of the flow in the preferred direction available.
- the subject matter of the invention is an anisotropic composite magnetic material comprising a fabric in a synthetic resin as matrix material, wherein the fabric comprises first fibers arranged magnetically, unidirectionally and in parallel in one direction and transverse thereto second fibers which are structurally stable ,
- the composite magnetic material in electric motors, electric plates, reluctance motors, generators and / or in transformers.
- the first fibers include, for example, unidirectional UD magnetic wire or unidirectional UD magnetic fibers and / or fiber bundles.
- the first fibers comprise soft magnetic materials, ie materials which can be easily magnetized in a magnetic field, such as, for example, iron, low-carbon steel, silicon-added steel, nickel-iron alloys, cobalt-iron alloys, aluminum-iron alloys. Alloys, aluminum-silicon-iron alloys, ferrites and any mixtures of such unidirectional soft magnetic wires, fibers and / or fiber bundles.
- the first, soft magnetic fibers are arranged substantially parallel in the fabric, so that anisotropy of the magnetic flux guidance can be generated in the material. Substantially parallel means that an angle between two fibers or two fiber bundles is not greater than 20 °, in particular not greater than 10 °.
- the second fibers include, for example, structurally stable fibers which serve to hold the first fibers in position, these include, for example, glass fibers, ceramic fibers, carbon fibers or carbon fibers, polymeric synthetic fibers and / or aramid fibers, wood and / or hemp fibers, as well as any mixtures the aforementioned fibers. They are arranged transversely with respect to the first fibers, wherein transverse does not mean parallel. Preferably, they have an angle to the first fibers, which is between 45 ° and 90 °.
- the synthetic resin matrix is for example made of a thermosetting or thermoplastic and insulating polymer such as an epoxy resin or other, suitable for the production of, for example, electroplated organic resin, paint, insulating varnish and / or filled, for example, filled with pigments, nanoparticles, mineral particles, paint.
- a thermosetting or thermoplastic and insulating polymer such as an epoxy resin or other, suitable for the production of, for example, electroplated organic resin, paint, insulating varnish and / or filled, for example, filled with pigments, nanoparticles, mineral particles, paint.
- this synthetic resin-impregnated fabric of magnetic composite material is impregnated or infiltrated with unhardened synthetic resin.
- the impregnated fabric is processed into individual layers, which are still wet prepregs or not fully cured prepregs on a form, for example, on a core of a reluctance motor stored, dried with or without core and the finished material hardened and firmly connected to the core.
- the core of a reluctance motor enclosing the axis of rotation is made, for example, of an organic polymeric material which bonds well with the synthetic resin forming the matrix of prepreg layers.
- the prepreg layers can, as well as the finished composite material, have any shape, so for example as a band, as a hose, be present as a ready-made layer.
- a rotor can be produced by the positive connection of the composite to the mechanical carrier system in one process step.
- anisotropic composite magnetic material In an engine equipped with such anisotropic composite magnetic material, significantly increased power is observed at high speeds. Large hollow shafts are possible because the magnetic flux has a small penetration into the rotor. Low torque ripple, low vibration excitation and low noise due to a homogeneous field distribution are possible.
- the anisotropic composite magnetic material with the lightweight, structurally stable second fibers enables the construction of lightweight and robust rotors. Another advantage of the separation of the optimized magnetic flux guide from the mechanical stabilization lies in the further construction of the electrical steel sheets.
- the anisotropic magnetic material made of impregnated fabric is alloyed with at least two different fibers for producing an electric sheet metal, for example silicon. This increases the electrical resistance and reduces eddy current losses. At the same time, however, they reduce the saturation magnetization and thus the conductive magnetic flux.
- the invention makes it possible for the first time to use an integrated magnetic composite material in an electric motor, such as a reluctance motor.
Abstract
Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Komposit-Werkstoff, sowie dessen Verwendung in einem Elektromotor, beispielsweise einen Reluktanzmotor, in einem Generator, in einem Transformator und/oder in einem Elektroblech. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, ein integriertes magnetisches Komposit-Material in einem Elektromotor wie beispielsweise einem Reluktanzmotor einzusetzen.The invention relates to a soft magnetic composite material and its use in an electric motor, for example a reluctance motor, in a generator, in a transformer and / or in an electrical sheet. The invention makes it possible for the first time to use an integrated magnetic composite material in an electric motor such as a reluctance motor.
Description
Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Komposit-Werkstoff, sowie dessen Verwendung in einem Elektromotor, beispielsweise einen Reluktanzmotor, in einem Generator, in einem Transformator und/oder in einem Elektroblech.The invention relates to a soft magnetic composite material, as well as its use in an electric motor, for example a reluctance motor, in a generator, in a transformer and / or in an electrical sheet.
In einem Elektromotor, einem Generator und/oder einem Transformator kommen in fast allen Ausführungsformen magentische Werkstoffe auch in Form von Elektroblechen für die magnetische Flussführung zum Einsatz. In Elektromotoren und/oder in Generatoren sind die Elektrobleche meist in Lagen gestapelt und senkrecht zur Motorachse angeordnet. Bei Innenläufern werden sie auf die Achse aufgezogen. Die Magnetisierung liegt aus physikalischen Gründen bevorzugt in der Ebene. Zur Ausbildung des Drehmoments ist es erforderlich, dass der Fluss innerhalb dieser Ebene des Elektroblechs zur Ausbildung der Pole gekrümmt geführt wird. Dies wird durch Strukturbildung, d.h. üblicherweise subtraktiv, z.B. durch Stanzen erreicht.In an electric motor, a generator and / or a transformer, magenta materials are also used in the form of electrical sheets for magnetic flux guidance in almost all embodiments. In electric motors and / or in generators, the electric sheets are usually stacked in layers and arranged perpendicular to the motor axis. In indoor runners, they are mounted on the axle. The magnetization is preferably in the plane for physical reasons. For the formation of the torque, it is necessary that the flow is guided curved within this plane of the electric sheet to form the poles. This is done by patterning, i. usually subtractive, e.g. achieved by punching.
Aus Gründen der Montage, insbesondere des Aufziehens auf die Achse oder aus anderen mechanischen Randbedingungen ein erheblicher Teil des flussführenden Materials ohne eigentliche magnetisch funktionale Eigenschaft eingesetzt. Speziell in Reluktanzmotoren und/oder Reluktanzmaschinen umfasst ein Blechschnitt aus mechanischen Stabilitätsgründen unvermeidliche axiale Verstrebungen. Dadurch wird das Elektroblech in ungünstiger Weise oder ohne Funktion eingesetzt und das Motor-Drehmoment reduziert. In Transformatoren ist ebenfalls eine gekrümmte Flussführung, beispielsweise rotatorisch und/oder in 90° Rechteckgeometrien wünschenswert.For reasons of assembly, in particular the mounting on the axle or from other mechanical boundary conditions, a considerable part of the flux-carrying material without actual magnetically functional property is used. Especially in reluctance motors and / or reluctance machines, a sheet metal section for mechanical stability reasons comprises unavoidable axial struts. As a result, the electric sheet is used unfavorably or without function and reduces the engine torque. In transformers, too, a curved flux guidance, for example rotationally and / or in 90 ° rectangular geometries, is desirable.
Ein Reluktanzmotor ist beispielsweise aus der
Beispielsweise wird im Falle des Reluktanzmotors innerhalb des Designs eines geschichteten Blechaufbaus längs der Drehachse der Blechschnitt üblicherweise - wie oben erwähnt - durch subtraktive Verfahren wie Stanzen erzeugt. Durch den Einsatz weichmagnetischer Sintermetalle auch als Soft Magnetic Composites - SMCs- bezeichnet, können zwar komplexere Formen erzeugt werden, jedoch ist aufgrund der Isotropie der Sinterkörper die gerichtete Flussführung nur eingeschränkt möglich und die mechanische Stabilität aufgrund der Sprödigkeit unzureichend. Zwar wäre auch eine Anordnung der Elektrobleche längs der Achse denkbar, aber dies führt zu einer erheblichen Erhöhung von Wirbelstromverlusten längs der Drehachse. Zusätzlich ist die mechanische Stabilität des Gesamtaufbaus bei hohen Zentrifugalkräften ungünstig. Durch die negativen Einflüsse einer Verformung und/oder einer Biegung des Elektroblechs - beispielsweise in Wannenform - werden auch die magnetischen Eigenschaften verschlechtert.For example, in the case of the reluctance motor within the design of a layered sheet structure along the axis of rotation, the sheet cut is usually produced by subtractive methods such as punching, as mentioned above. The use of soft magnetic sintered metals, also referred to as soft magnetic composites - SMCs, although more complex shapes can be produced, but due to the isotropy of the sintered body, the directional flow is limited and the mechanical stability due to brittleness insufficient. Although an arrangement of the electrical sheets along the axis would be conceivable, but this leads to a significant increase of eddy current losses along the axis of rotation. In addition, the mechanical stability of the overall structure at high centrifugal forces is unfavorable. Due to the negative effects of deformation and / or bending of the electrical steel sheet - for example in the form of a trough - the magnetic properties are also degraded.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen optimierten Materialaufbau aus mechanisch belastbarem Konstruktionswerkstoff und magentisch flussführendem Material sowie ein geeignetes Herstellungsverfahren, das eine einfache Krümmung des flussführenden Materials zur maximalen Nutzung des Flusses in Vorzugsrichtung ermöglicht, zur Verfügung zu stellen.Object of the present invention is therefore to provide an optimized material structure of mechanically durable construction material and magnetic flux-conducting material and a suitable manufacturing method that allows a simple curvature of the flux-carrying material for maximum utilization of the flow in the preferred direction available.
Die Lösung der Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung, wie er in den Ansprüchen und der Beschreibung offenbart ist, gelöst.The solution of the problem is solved by the subject matter of the invention as disclosed in the claims and the description.
Dementsprechend ist Gegenstand der Erfindung ein anisotroper magnetischer Komposit-Werkstoff, der ein Gewebe in einem Kunstharz als Matrixmaterial umfasst, wobei das Gewebe erste Fasern, die magnetisch, unidirektional und in eine Richtung parallel angeordnet sind und dazu querliegende zweite Fasern, die strukturstabil sind, umfasst. Außerdem sind Verwendungen des magnetischen Komposit-Werkstoffes in Elektromotoren, Elektroblechen, Reluktanzmotoren, Generatoren und/oder in Transformatoren Gegenstand der Erfindung.Accordingly, the subject matter of the invention is an anisotropic composite magnetic material comprising a fabric in a synthetic resin as matrix material, wherein the fabric comprises first fibers arranged magnetically, unidirectionally and in parallel in one direction and transverse thereto second fibers which are structurally stable , There are also uses of the composite magnetic material in electric motors, electric plates, reluctance motors, generators and / or in transformers.
Die ersten Fasern umfassen beispielsweise unidirektionalen - UD - magnetischen Draht oder unidirektionale - UD - magnetische Fasern und/oder Faserbündel. Die ersten Fasern umfassen insbesondere weichmagnetische Materialien, also Materialien die sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lassen, wie beispielsweise Eisen, Stahl mit niedrigem Kohlenstoffanteil, Stahl mit Silizium-Zusatz, Nickel-Eisen-Legierungen, Cobalt-Eisen-Legierungen, Aluminium-Eisen-Legierungen, Aluminium-Silizium-Eisen-Legierungen, Ferrite sowie beliebige Gemische derartiger unidirektionaler weichmagnetischer Drähte, Fasern und/oder Faserbündel. Die ersten, weichmagnetischen Fasern werden im Wesentlichen parallel im Gewebe angeordnet, damit Anisotropie der magentischen Flussführung im Werkstoff erzeugt werden kann. Im Wesentlichen parallel bedeutet dabei, dass ein Winkel zwischen zwei Fasern oder zwei Faserbündel nicht größer als 20° insbesondere nicht größer als 10° ist.The first fibers include, for example, unidirectional UD magnetic wire or unidirectional UD magnetic fibers and / or fiber bundles. In particular, the first fibers comprise soft magnetic materials, ie materials which can be easily magnetized in a magnetic field, such as, for example, iron, low-carbon steel, silicon-added steel, nickel-iron alloys, cobalt-iron alloys, aluminum-iron alloys. Alloys, aluminum-silicon-iron alloys, ferrites and any mixtures of such unidirectional soft magnetic wires, fibers and / or fiber bundles. The first, soft magnetic fibers are arranged substantially parallel in the fabric, so that anisotropy of the magnetic flux guidance can be generated in the material. Substantially parallel means that an angle between two fibers or two fiber bundles is not greater than 20 °, in particular not greater than 10 °.
Die zweiten Fasern umfassen beispielsweise strukturstabile Fasern, die dazu dienen, die ersten Fasern in Position zu halten, diese umfassen beispielsweise Glasfasern, keramische Fasern, Kohlefasern oder Carbonfasern, polymere Kunststofffasern und/oder Aramidfasern, Holz und/oder Hanf-Fasern, sowie beliebige Gemische der vorgenannten Fasern. Sie sind bezüglich der ersten Fasern quer angerordnet, wobei quer nicht parallel bedeutet. Bevorzugt weisen sie einen Winkel zu den ersten Fasern auf, der zwischen 45° und 90° beträgt.The second fibers include, for example, structurally stable fibers which serve to hold the first fibers in position, these include, for example, glass fibers, ceramic fibers, carbon fibers or carbon fibers, polymeric synthetic fibers and / or aramid fibers, wood and / or hemp fibers, as well as any mixtures the aforementioned fibers. They are arranged transversely with respect to the first fibers, wherein transverse does not mean parallel. Preferably, they have an angle to the first fibers, which is between 45 ° and 90 °.
Die Kunstharzmatrix ist beispielsweise aus einem Duroplastischen oder thermoplastischem und isolierendem Polymer wie einem Epoxidharz oder einem anderen, zur Herstellung von beispielsweise Elektroblechen geeignetem organischen Kunstharz, Lack, Isolierlack und/oder gefülltem, beispielsweise mit Pigmenten, Nanopartikeln, mineralischen Partikeln gefülltem, Lack.The synthetic resin matrix is for example made of a thermosetting or thermoplastic and insulating polymer such as an epoxy resin or other, suitable for the production of, for example, electroplated organic resin, paint, insulating varnish and / or filled, for example, filled with pigments, nanoparticles, mineral particles, paint.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird dieses mit Kunstharz imprägnierte Gewebe aus magnetischem Komposit-Werkstoff mit ungehärtetem Kunstharz imprägniert oder infiltriert. Als insbesondere vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn das imprägnierte Gewebe zu einzelnen Lagen verarbeitet wird, die als noch feuchte Prepregs oder nicht vollständig ausgehärtete Prepregs auf eine Form, beispielsweise auf einen Kern eines Reluktanzmotors, abgelegt, mit oder ohne Kern getrocknet und zum fertigen Werkstoff ausgehärtet und mit dem Kern fest verbunden werden. Der Kern eines Reluktanzmotors, der die Drehachse umschließt, ist beispielsweise aus einem organischen polymeren Werkstoff, der sich gut mit dem Kunstharz, das die Matrix der Prepreg-Lagen bildet, verbindet. Die Prepreg-Lagen können, ebenso wie der fertige Komposit-Werkstoff, eine beliebige Form aufweisen, also beispielsweise als Band, als Schlauch, als konfektionierte Lage vorliegen.According to an advantageous embodiment, this synthetic resin-impregnated fabric of magnetic composite material is impregnated or infiltrated with unhardened synthetic resin. As particularly advantageous has been found in this case, when the impregnated fabric is processed into individual layers, which are still wet prepregs or not fully cured prepregs on a form, for example, on a core of a reluctance motor stored, dried with or without core and the finished material hardened and firmly connected to the core. The core of a reluctance motor enclosing the axis of rotation is made, for example, of an organic polymeric material which bonds well with the synthetic resin forming the matrix of prepreg layers. The prepreg layers can, as well as the finished composite material, have any shape, so for example as a band, as a hose, be present as a ready-made layer.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, dass ein Aufbau aus einem anisotropen magnetischen Komposit-Werkstoff aus einem UD - Gewebe mit einem Kern zu einem festen Verbund vernetzbar ist. Insbesondere ist es Erkenntnis der Erfindung, dass für die Polbildung beispielsweise eines Reluktanzmotors entsprechend der gekrümmten Flussführung der Magnetisierung der anisotrope magentische Komposit-Werkstoff auf den Kern als Stapel aufgelegt und mit dem Kern vernetzbar ist.General knowledge of the invention is that a structure of an anisotropic composite magnetic material of a UD - fabric with a core is crosslinkable to a solid composite. In particular, it is knowledge of the invention that, for the pole formation of, for example, a reluctance motor corresponding to the curved flux guidance of the magnetization, the anisotropic magentic composite material is placed on the core as a stack and can be crosslinked to the core.
Durch die Integration des anisotropen magnetischen Komposit-Werkstoffs wird die Funktion der magnetischen Flussführung von der mechanischen Stabilitätsfunktion weitgehend entkoppelt. Dennoch lässt sich beispielsweise ein Rotor durch die formschlüssige Anbindung des Composites an das mechanische Trägersystem in einem Prozessschritt erzeugen.Due to the integration of the anisotropic magnetic composite material, the function of the magnetic flux guide is largely decoupled from the mechanical stability function. Nevertheless, for example, a rotor can be produced by the positive connection of the composite to the mechanical carrier system in one process step.
Bei einem derartig mit anisotropem magnetischen Komposit-Werkstoff ausgerüsteten Motor wird eine deutlich erhöhte Leistung bei hohen Drehzahlen beobachtet. Große Hohlwellen sind möglich, weil der magnetische Fluss eine geringe Eindringtiefe in den Rotor hat. Geringe Drehmomentwelligkeit, geringe Schwinganregung und geringe Geräuschentwicklung durch eine homogene Feldverteilung sind möglich. Durch den anisotropen magnetischen Komposit-Werkstoff mit den leichten strukturstabilen zweiten Fasern können leichte und robuste Rotoren aufgebaut werden. Ein weiterer Vorteil der Trennung der optimierten magnetischen Flussführung von der mechanischen Stabilisierung liegt im weiteren Aufbau der Elektrobleche.In an engine equipped with such anisotropic composite magnetic material, significantly increased power is observed at high speeds. Large hollow shafts are possible because the magnetic flux has a small penetration into the rotor. Low torque ripple, low vibration excitation and low noise due to a homogeneous field distribution are possible. The anisotropic composite magnetic material with the lightweight, structurally stable second fibers enables the construction of lightweight and robust rotors. Another advantage of the separation of the optimized magnetic flux guide from the mechanical stabilization lies in the further construction of the electrical steel sheets.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dem anisotropen magnetischen Werkstoff aus imprägniertem Gewebe zumindest zweierlei Fasern zur Herstellung eines Elektroblechs noch ein Metall zu legiert, beispielsweise Silizium. Damit wird der elektrische Widerstand erhöht und Wirbelstromverluste reduziert. Zugleich reduzieren diese jedoch die Sättigungsmagnetisierung und somit den leitbaren magnetischen Fluss.According to an advantageous embodiment of the invention, the anisotropic magnetic material made of impregnated fabric is alloyed with at least two different fibers for producing an electric sheet metal, for example silicon. This increases the electrical resistance and reduces eddy current losses. At the same time, however, they reduce the saturation magnetization and thus the conductive magnetic flux.
Allerdings sind aufgrund der Flussführung in Drähten Wirbelstromverluste aufbaubedingt stark eingeschränkt und es kann auf Legierungselemente verzichtet werden. Dies erhöht die erreichbare Sättigungsmagnetisierung und damit die Flussleitfähigkeit mit günstiger Auswirkung auf die erreichbare Motorperformance.However, owing to the flow guidance in wires, eddy current losses are severely restricted due to the construction and it is possible to dispense with alloying elements. This increases the achievable saturation magnetization and thus the flux conductivity with a favorable effect on the achievable engine performance.
Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, ein integriertes magnetisches Komposit-Material in einem Elektromotor wie beispielsweise einem Reluktanzmotor einzusetzen.The invention makes it possible for the first time to use an integrated magnetic composite material in an electric motor, such as a reluctance motor.
Claims (12)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2019/056762 WO2019185395A1 (en) | 2018-03-26 | 2019-03-19 | Soft magnetic composite material and uses thereof |
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|---|---|---|---|
| EP18164021 | 2018-03-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EP3547335A1 true EP3547335A1 (en) | 2019-10-02 |
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ID=61800408
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EP18164736.3A Withdrawn EP3547335A1 (en) | 2018-03-26 | 2018-03-28 | Soft magnetic composite material, uses for same |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| EP (1) | EP3547335A1 (en) |
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- 2018-03-28 EP EP18164736.3A patent/EP3547335A1/en not_active Withdrawn
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