WO2014056773A2 - Dynamoelektrische maschine mit einem mehrpoligen rotor mit permanentmagneten und deren herstellung - Google Patents

Dynamoelektrische maschine mit einem mehrpoligen rotor mit permanentmagneten und deren herstellung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a dynamoelectric machine with a multi-pole rotor with rare earth permanent magnets of the type Nd 2 -Fei 4 -B and the production of such permanent magnets.
  • Permanent magnets of dynamoelectric machines have consistent magnetic properties over their surface.
  • the rotor of the dynamoelectric machine is exposed to different temperatures and magnetic opposing fields.
  • permanent magnets with homogeneous properties are generally used for these rotors, with the relevant parameters, such as coercive field strength or remanence, being oriented to the maximum requirement at the edge areas or the middle of the permanent magnets or magnetic poles of the rotor.
  • These permanent magnets or the design of the magnetic poles of the rotor are thus designed for selectively occurring magnetic requirements. This makes the permanent magnets more expensive.
  • the object of the invention is to provide a dynamoelectric machine whose rare earth permanent magnets of the type Nd 2 - Fei 4 -B are adapted to the special needs of a dynamoelectric machine and thus avoid the disadvantages mentioned above. Furthermore, a simple and cost-effective method for producing such rare earth permanent magnets is to be specified.
  • a dynamo-electric machine with a multi-pole rotor per pole at least one rare permanent magnet type Nd 2 - Fei 4 -B having a laminated running stator with a arranged in axial grooves winding system over an air gap interacts electromagnetically with the poles of the rotor and thus effects a rotational movement about an axis of rotation, wherein the at least one permanent magnet in the direction of rotational movement of the rotor has at least four regions of different magnetic properties arranged symmetrically to a pole center of the magnetic pole formed by the permanent magnet are, wherein the surface of the permanent magnet is designed such that a sinusoidal air gap field is formed by the Polmitte having a radially smaller air gap than the Polr selected.
  • volume components with reduced rare earth contents within the permanent magnet increases the magnetic force, ie the remanence, and / or reduces the magnetic volume.
  • the change in remanence is achieved here mainly by different levels of dysprosium and / or neodymium. This is the case in particular in the case of a dynamoelectric machine in the rotor when a magnet, viewed in the circumferential direction with respect to its pole center, is the case.
  • the magnetic properties are different than in the outskirts. In the margins - at the pole ends - the magnetic force is reduced and the coercive field strength is increased. This is also possible by corresponding doping with rare earth elements or the use of a bed of starting materials with different rare earth contents.
  • the air gap field is formed almost sinusoidal and thereby also has a long-term stability. This is achieved, for example, by elements such as C, Al, Co, Ni, Cu or Sn in the starting materials.
  • different values of coercive field strength and / or remanence are present at least on the surface of the permanent magnet facing the air gap, in particular on the pole edges and in the middle of the pole.
  • at least at the surface of the permanent magnet facing the air gap, in particular at the pole edges and in the center of the pole there are regions with increased contents of at least one rare earth element from the group dysprosium, terbium, holmium, gadolinium, erbium, europium.
  • the content of the at least one rare earth element is increased by at least 0.5% by weight compared to the other regions.
  • the permanent magnets are preferably arranged on the surface of the rotor or in axially extending recesses of a Blechpa- kets of the rotor.
  • the process for producing a rare earth permanent magnet involves sintering a powder.
  • targeted filling of different starting materials, in particular different ones, will now be achieved
  • Dysprosium too in particular powdered starting materials with other different material properties such as density and / or different particle grain size u.a., The local magnetic properties of the permanent magnet influenced specifically.
  • These starting materials are preferably added to a volume unit which is to correspond to the later magnetic form, in particular on a rotor.
  • This shaping is based, for example, on the desired radii of the surface of the magnet and the radii on the side of the magnet facing the surface of the rotor. This avoids expensive reworking of the magnets, such as grinding or sawing of the permanent magnets.
  • Holmium levels, gadolinium levels, erbium levels, Europium contents, etc., or different composition, ie volume distribution within the given volume unit, is produced by sintering this volume unit of the permanent magnet.
  • this sintered permanent magnet depending on the requirements of the permanent magnet, regions of different opposing field stability and / or remanence are created inside the magnet. It thus set within the permanent magnet locally different properties.
  • a radial and / or tangential distribution of the magnetic properties of the permanent magnet is created.
  • the transitions of these parameters between the areas are formed continuously. This is achieved in particular by the fact that at the respective transitions, for example, the concentrations of the materials are changed only gradually and not abruptly.
  • the transitions can also be formed in predeterminable levels.
  • the decisive factor is how exactly the respective local properties are to be set in the permanent magnet.
  • At least two powders of the type Nd 2 - Fei 4 -B are used with different rare earth contents.
  • the rare earth content of the at least two powders preferably differs by at least 0.5% by weight.
  • the starting materials used are at least one powder of the type Nd 2 -Fre 4 -B and furthermore a powdered rare earth material from the group comprising at least one rare earth metal, a rare earth chloride, a rare earth fluoride, a rare earth oxide.
  • starting material comprising at least one rare earth element from the group comprising dysprosium, terbium, holmium, gadolinium, erbium, europium is used.
  • a local concentration of the individual powdery starting materials in the bed is in particular designed differently in such a way that an increased content of at least one rare earth element is formed at least on the surface of the permanent magnet formed.
  • a local concentration of the individual powdery starting materials in the bed is formed so differently that at least on the surface of the permanent magnet formed in the region of its corners and edges, corresponding to the Polr skilledn, and in the region of a centroid of the largest side surface ( n) of the permanent magnet, corresponding to the pole center, an increased content of at least one rare earth element is formed.
  • the content of the at least one rare earth element is preferably increased by at least 0.5% by weight compared to the other regions.
  • the raw materials used including the heavy rare earth elements, such as e.g. Dysprosium or terbium, achieved by the targeted doping of the starting materials, so that a useless expenditure or useless use of such materials is avoided.
  • the heavy rare earth elements such as e.g. Dysprosium or terbium
  • the production costs of the Nd 2 -Fei 4 -B type permanent magnets according to the invention are only slightly above the previous production costs, since no additional process steps are necessary for the production of the permanent magnets.
  • the doping or filling of the various starting materials is now carried out selectively. leads, by the concentrations, the distribution, the
  • Particle grain sizes and the density of the starting materials processively controlled by suitable devices.
  • Magnetic hysteresis is the magnetic flux density that a particle previously magnetized by an external magnetic field retains after removal of the external field.
  • the magnetic flux density is referred to in this context as magnetism.
  • Dysprosium is a chemical element with the element symbol DY and atomic number 66. It belongs to the group of lanthanides and is thus a metal of the rare earths. Dysprosium is used in permanent magnets and increases e.g. in Neodymeisen per permanent magnet, the coercive field strength and extends the usable temperature range.
  • Magnetic coercive field strength is the magnetic field strength that is necessary to completely demagnetize a ferromagnetic substance so that the resulting total flux is zero. The higher the coercive field strength, the better a magnet retains its magnetization when exposed to an opposing field.
  • FIG 4 shows a use of a permanent magnet on a rotor
  • FIG 5 layers of a permanent magnet.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section of a dynamoelectric machine 6 with a laminated stator 8, in whose not shown grooves a winding system 9 is housed. Via an air gap 10 occurs between a rotor 5 with rare earth-containing permanent magnet 1 type Nd 2 -Fei 4 -B and the stator 8 an electromagnetic interaction, which leads to a rotational movement (RB) of a shaft 7 about the axis of rotation (RA) ,
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of a rotor 5 which has on its surface permanent magnets 1 which form magnetic poles 16 there.
  • each permanent magnet 1 forms a pole 16.
  • the permanent magnets 1 have in their Polmitte 11 a radially greater thickness than at its Polr sectionn 12. This geometric design of the permanent magnet 1 contributes to the design of a sinusoidal air gap field.
  • the magnetic poles 16 are viewed in the circumferential direction by a pole gap 13 spaced from each other.
  • the air gap field can now be further approximated to a sinusoidal shape. This reduces the cogging torques of the dynamoelectric machine 6.
  • the permanent magnet 1 according to FIG. 3 is constructed from different poured powders of the materials A and B materials.
  • the given type of bed i. the grain size, the distribution, the density of the different materials, now the properties of a single permanent magnet 1 can be performed differently within its volume unit.
  • FIG. 3 shows a permanent magnet 1 with base material 3 of the type Nd 2 -Fei 4 -B.
  • the base material 3 contains evenly distributes elements 2, such as aluminum and cobalt, to ensure the long-term stability of the permanent magnet 1.
  • elements 2, such as aluminum and cobalt are evenly distribute.
  • elements 2, such as aluminum and cobalt are evenly distribute.
  • a heavy rare earth element 4 such as dysprosium or terbium.
  • the content of expensive rare earth element 4 is reduced or almost zero.
  • the transition of these different values from the edge to the middle of the permanent magnet 1 is designed to be continuous. This is achieved, for example, by subdividing the production process into a predefinable number of repeating individual steps, such as pouring with prescribable mixing ratios-sintering, mixing with another modified mixing ratio-sintering .... This is repeated until the shape of the permanent magnet 1 is filled.
  • FIG. 4 shows the basic use of a permanent magnet 1 on or on a rotor 5. It is crucial that the permanent magnet 1 is designed such that it creates an optimal magnetic field distribution in the air gap 10 of a dynamoelectric machine 6, given the opposing field stability and / or temperature stability of the permanent magnets.
  • 1 5 shows on a permanent magnet 1 that both a radial stratification 14 and / or a tangential stratification 15 is possible.
  • the local, necessary magnetic properties of a permanent magnet 1 are set in a targeted manner.
  • 14 can now procedurally set a distribution of starting materials, for example, according to FIG.
  • the expensive magnetic materials such as dysprosium, are used locally in the permanent magnet 1 only where they are required for highly efficient operation of the dynamoelectric machine 6. This is the case in particular in the area of the surface of the permanent magnet 1 and furthermore in the region of the pole center and / or the pole edges.
  • the permanent magnets 1 form individually or in groups a magnetic pole 16 of the rotor 5. Regarded over the axial length of the rotor 5, the permanent magnets 1 are additionally offset to avoid cogging moments or arranged with a predetermined skew or stagger angle.
  • the permanent magnets 1 are in an axial recess of the laminated core of the rotor 5, in which case the permanent magnets 1 are also referred to as buried permanent magnets 1.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine (6) mit einem mehrpoligen Rotor (5) der pro Pol (16) zumindest einen seltenerdhaltigen Permanentmagneten (1) vom Typ Nd2- Fe14-B aufweist, wobei ein geblecht ausgeführter Stator (8) mit einem in axial verlaufenden Nuten angeordneten Wicklungssystem (9) über einen Luftspalt (10) mit den Polen (16) des Rotors (5) elektromagnetisch wechselwirkt und so eine Rotationsbewegung (RB) um eine Rotationsachse (RA) bewirkt, wobei der mindestens eine Permanentmagnet (1) in Rotationsbewegungsrichtung (RB) des Rotors (5) zumindest vier Bereiche unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften aufweist, die zu einer Polmitte (11) des durch den Permanentmagnet (1) gebildeten magnetischen Pols (16) symmetrisch angeordnet sind, wobei die Oberfläche des Permanentmagneten (1) derart gestaltet ist, dass ein sinusförmiges Luftspaltfeld entsteht, indem die Polmitte (11) einen radial geringeren Luftspalt (10) als die Polränder (12) aufweisen.

Description

Beschreibung
Dynamoelektrische Maschine mit einem mehrpoligen Rotor mit Permanentmagneten und deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einem mehrpoligen Rotor mit seltenerdhaltigen Permanentmagneten vom Typ Nd2-Fei4-B und die Herstellung derartiger Permanentmagneten .
Permanentmagnete dynamoelektrischer Maschinen weisen über ihre Oberfläche betrachtet gleichbleibende magnetische Eigenschaften auf. Dabei ist bei dynamoelektrischen Maschinen, beispielsweise der Rotor der dynamoelektrischen Maschine un- terschiedlichen Temperaturen und magnetischen Gegenfeldern ausgesetzt. Dennoch werden in der Regel für diese Rotoren Permanentmagnete mit homogenen Eigenschaften verwendet, wobei sich dabei die maßgeblichen Parameter, wie Koerzitivfeidstärke oder Remanenz an der maximalen Anforderung an den Randbe- zirken oder der Mitte der Permanentmagnete bzw. magnetischen Pole des Rotors orientiert. Diese Permanentmagnete bzw. die Ausgestaltung der magnetischen Pole des Rotors werden somit nach punktuell auftretenden magnetischen Anforderungen ausgelegt. Dies verteuert die Permanentmagnete.
Aus der DE-Offenlegungsschrift Nr. 2527461 ist es bereits bekannt, anisotrope Magnete aus Ferrit-Material für Kleinmotoren in Segmentbauweise herzustellen, wobei unterschiedliche Ferritwerkstoffe zur Bildung eines Magneten eingesetzt wer- den. Dadurch sollen Magnete mit geringster Dicke bei gleichzeitig hoher Remanenz als auch Koerzitivfeidstärke erzeugt werden. Die Herstellung solcher Magnete erfolgt insbesondere durch Einspritzen pastöser Massen enthaltend die unterschiedlichen Ferritwerkstoffe in Formhohlräume.
Die langfristig zu erwartenden hohen Preise für Seltenerdmetalle führen auch bei den besonders leistungsstarken Permanentmagneten aus Metalllegierungen vom Typ Nd2-Fei4-B dazu, dass ein möglichst geringer Einsatz von Seltenerdmetallen bei möglichst hoher Magnetleistung hinsichtlich Remanenz und Koerzitivfeidstärke gefordert ist. Ausgehend davon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrische Maschine zu schaffen, deren seltenerdhaltige Permanentmagnete vom Typ Nd2 - Fei4-B an die speziellen Bedürfnisse einer dynamoelektrische Maschine angepasst sind und somit die oben genannten Nachteile vermeiden. Des Weite- ren soll ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung derartiger seltenerdhaltiger Permanentmagnete angegeben werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine dynamo- elektrische Maschine mit einem mehrpoligen Rotor der pro Pol zumindest einen seltenerhaltigen Permanentmagneten vom Typ Nd2 - Fei4-B aufweist, wobei ein geblecht ausgeführter Stator mit einem in axial verlaufenden Nuten angeordneten Wicklungs- system über einen Luftspalt mit den Polen des Rotors elektro- magnetisch wechselwirkt und so eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse bewirkt, wobei der mindestens eine Permanentmagnet in Rotationsbewegungsrichtung des Rotors zumindest vier Bereiche unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften aufweist, die zu einer Polmitte des durch den Permanentmagnet gebildeten magnetischen Pols symmetrisch angeordnet sind, wobei die Oberfläche des Permanentmagneten derart gestaltet ist, dass ein sinusförmiges Luftspaltfeld entsteht, indem die Polmitte einen radial geringeren Luftspalt als die Polränder aufweisen .
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ebenso durch ein Verfahren zur Herstellung von seltenerdhaltigen Permanentmagneten vom Typ Nd2 - Fei4-B für Rotoren derartiger dynamoelektrischer Maschinen durch folgende Schritte:
- Schüttung unterschiedlicher vorgegebener Ausgangsmateria- len mit unterschiedlichen Seltenerdgehalten in eine vorge- gebene Volumeneinheit, die im Wesentlichen der Endform des Permanentmagneten entspricht,
- Schüttung derart, dass durch die Art der Schüttung dieser Ausgangsmaterialien in der Volumeneinheit die Eigenschaf- ten des Permanentmagneten wie Remanenz und/oder Koerzitiv- feldstärke lokal innerhalb der Volumeneinheit gezielt be- einflusst werden,
- Sintern des Ausgangsmaterialgemisches der Volumeneinheit,
- zeitgleiches oder zeitversetztes Aufmagnetisieren des in der Volumeneinheit befindlichen Ausgangsmaterialgemisches.
Es wird beispielsweise durch den Einsatz von Volumenbestandteilen mit reduzierten Seltenerdgehalten innerhalb des Permanentmagneten die Magnetkraft, also die Remanenz erhöht und/oder das Magnetvolumen verringert. Die Änderung der Remanenz wird hierbei vor allem durch unterschiedliche Gehalte an Dysprosium und/oder Neodym erreicht. Dies ist insbesondere bei einer dynamoelektrischen Maschine im Rotor dann der Fall, wenn ein Magnet, in Umfangsrichtung betrachtet in seiner Polmitte bzgl . der magnetischen Eigenschaften anders auszubilden ist als in den Randbezirken. In den Randbezirken - also an den Polenden - soll die Magnetkraft reduziert und die Koerzitivfeidstärke erhöht werden. Auch dies gelingt durch dementsprechende Dotierung mit Seltenerdelementen bzw. den Einsatz einer Schüttung von Ausgangsmaterialien mit unterschiedlichen Seltenerdgehalten.
Entscheidend ist dabei, dass das Luftspaltfeld nahezu sinusförmig ausgebildet ist und dabei auch eine Langzeitstabilität aufweist. Dies wird beispielsweise durch Elemente wie C, AI, Co, Ni , Cu oder Sn in den Ausgangsmaterialien erreicht.
Bevorzugt sind zumindest an der dem Luftspalt zugewandten Oberfläche des Permanentmagneten, insbesondere an den Polrän- dern und in der Polmitte, unterschiedliche Werte von Koerzitivfeidstärke und/oder Remanenz vorhanden. Insbesondere liegen zumindest an der dem Luftspalt zugewandten Oberfläche des Permanentmagneten, insbesondere an den Polrändern und in der Polmitte, Bereiche mit erhöhten Gehalten an mindestens einem Seltenerdelement aus der Gruppe Dys- prosium, Terbium , Holmium, Gadolinium, Erbium, Europium, vor .
In den Bereichen mit erhöhten Gehalten an dem mindestens einen Seltenerdelement ist der Gehalt an dem mindestens einen Seltenerdelement im Vergleich zu den übrigen Bereichen um bevorzugt mindestens 0,5 Gew.-% erhöht.
Die Permanentmagnete sind bevorzugt an der Oberfläche des Rotors oder in axial verlaufenden Ausnehmungen eines Blechpa- kets des Rotors angeordnet.
Das Verfahren zur Herstellung eines seltenerdhaltigen Permanentmagneten umfasst das Sintern eines Pulvers. Erfindungsgemäß wird nun durch gezielte Schüttung unterschiedlicher Aus- gangsmaterialien, insbesondere mit unterschiedlichen
Dysprosiumgehalten, insbesondere pulverförmiger Ausgangsmaterialien mit weiteren unterschiedlichen Materialeigenschaften wie der Dichte und/oder unterschiedlicher Partikelkorngröße u.a., die örtlichen magnetischen Eigenschaften des Permanent- magneten gezielt beeinflusst.
Diese Ausgangsmaterialien werden vorzugsweise in eine Volumeneinheit gegeben, die der späteren Magnetform, insbesondere auf einem Rotor, entsprechen soll. Diese Formgebung orientiert sich zum Beispiel an den gewünschten Radien der Ober- fläche des Magneten und den Radien auf der der Oberfläche des Rotors zugewandten Seite des Magneten. Damit wird ein teures Nacharbeiten der Magnete, wie Schleifen oder Sägen der Permanentmagnete, vermieden. Durch eine geeignete Schüttung von Pulvern mit unterschiedlichen Partikelkorngrößen, unterschiedlichen Seltenerdgehalten, insbesondere Dysprosiumgehalten, Terbiumgehalten,
Holmiumgehalten, Gadoliniumgehalten, Erbiumgehalten, Europiumgehalten usw., oder unterschiedlicher Zusammensetzung, also Volumenverteilung innerhalb der vorgegebenen Volumeneinheit, wird durch Sintern dieser Volumeneinheit der Permanentmagnet hergestellt. In diesem gesinterten Permanentmag- neten sind damit - je nach Anforderung an den Permanentmagneten - innerhalb des Magneten Bereiche unterschiedliche Gegenfeldstabilität und/oder Remanenz geschaffen. Es stellen sich somit innerhalb des Permanentmagneten örtlich unterschiedliche Eigenschaften ein.
Damit wird erfindungsgemäß eine radiale und/oder tangentiale Verteilung der magnetischen Eigenschaften des Permanentmagneten geschaffen. Vorteilhafterweise sind die Übergänge dieser Parameter zwischen den Bereichen stetig ausgebildet. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass an den jeweiligen Übergängen beispielsweise die Konzentrationen der Materialien lediglich allmählich und nicht schlagartig geändert werden.
Die Übergänge können sich aber auch in vorgebbaren Stufen ausbilden. Entscheidend ist dabei, wie genau die jeweiligen örtlichen Eigenschaften im Permanentmagneten einzustellen sind .
Als Ausgangsmaterialien werden insbesondere mindestens zwei Pulver vom Typ Nd2 - Fei4-B mit unterschiedlichen Seltenerdgehalten eingesetzt. Der Seltenerdgehalt der mindestens zwei Pulver unterscheidet sich vorzugsweise um mindestens 0,5 Gew.-%.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden als Ausgangsmaterialien mindestens ein Pulver vom Typ Nd2 - Fei4-B und weiterhin ein pulverförmiges Seltene-Erden- Material aus der Gruppe umfassend mindestens ein Seltenerdmetall, ein Seltenerdchlorid, ein Seltenerdfluorid, ein Seltenerdoxid, eingesetzt. Insbesondere wird Ausgangsmaterial umfassend mindestens ein Seltenerdelement aus der Gruppe umfassend Dysprosium, Terbium, Holmium, Gadolinium, Erbium, Europium, eingesetzt. Eine lokale Konzentration der einzelnen pulverförmigen Ausgangmaterialien in der Schüttung wird insbesondere derart unterschiedlich ausgebildet, dass zumindest an der Oberfläche des gebildeten Permanentmagneten ein erhöhter Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement ausgebildet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine lokale Konzentration der einzelnen pulverförmigen Ausgangmaterialien in der Schüttung derart unterschiedlich ausgebildet, dass zumindest an der Oberfläche des gebildeten Permanentmagneten im Bereich seiner Ecken und Kanten, entsprechend den Polrändern, und im Bereich eines Flächenschwerpunkts der größten Seitenfläche (n) des Permanentmagneten, entsprechend der Polmitte, ein erhöhter Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement ausgebildet wird.
Bevorzugt ist in den Bereichen mit erhöhten Gehalten an dem mindestens einen Seltenerdelement der Gehalt an dem mindestens einen Seltenerdelement im Vergleich zu den übrigen Bereichen um mindestens 0,5 Gew.-% erhöht.
Erfindungsgemäß ist nun eine optimale Ausnutzung der eingesetzten Rohstoffe, unter anderem der schweren Seltenen Erdelemente, wie z.B. Dysprosium oder Terbium, durch die gezielte Dotierung der Ausgangsmaterialien erreicht, so dass eine unnütze Aufwendung bzw. unnützer Einsatz derartiger Materialien vermieden wird.
Somit liegen die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Permanentmagnete vom Nd2-Fei4-B-Typ nur geringfügig über den bisherigen Herstellungskosten, da zur Herstellung der Permanentmagnete keine zusätzlichen Prozessschritte notwendig sind. Erfindungsgemäß wird die Dotierung bzw. Schüttung der verschiedenen Ausgangsmaterialien nunmehr gezielt durchge- führt, indem die Konzentrationen, die Verteilung, die
Partikelkorngrößen und die Dichte der Ausgangsmaterialien prozessual über geeignete Vorrichtungen gesteuert wird.
Unter Remanenz, magnetischer Hysterese versteht man jene magnetische Flussdichte, die ein vorher durch ein externes Magnetfeld magnetisiertes Teilchen nach Entfernen des äußeren Feldes beibehält. Die magnetische Flussdichte wird in diesem Zusammenhang auch als Magnetismus bezeichnet.
Dysprosium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol DY und der Ordnungszahl 66. Es zählt zu der Gruppe der Lan- thanoide und ist damit ein Metall der Seltenen Erden. Dysprosium wird in Permanentmagneten verwendet und erhöht z.B. in Neodymeisen pro Permanentmagneten die Koerzitivfeidstärke und erweitert den nutzbaren Temperaturbereich.
Als magnetische Koerzitivfeidstärke bezeichnet man die magnetische Feldstärke die notwendig ist, um eine ferromagneti- sehe Substanz vollständig zu entmagnetisieren so dass der resultierende Gesamtfluss gleich Null ist. Je höher die Koerzitivfeidstärke ist, desto besser behält ein Magnet seine Magnetisierung, wenn er einem Gegenfeld ausgesetzt ist.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der schematisch dargestellten Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 einen prinzipiellen Längsschnitt einer dynamoelektri - sehen Maschine,
FIG 2 Permanentmagneten auf einem Rotor,
FIG 3 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Permanentmagneten,
FIG 4 einen Einsatz eines Permanentmagneten auf einem Rotor, FIG 5 Schichtungen eines Permanentmagneten.
FIG 1 zeigt in schematischen Längsschnitt eine dynamoelektrische Maschine 6 mit einem geblechten Stator 8, in dessen nicht näher dargestellten Nuten ein Wicklungssystem 9 untergebracht ist. Über einen Luftspalt 10 tritt zwischen einem Rotor 5 mit seltenerdhaltigen Permanentmagneten 1 vom Typ Nd2-Fei4-B und dem Stator 8 eine elektromagnetische Wechsel- Wirkung ein, die zu einer Rotationsbewegung (RB) einer Welle 7 um die Rotationsachse (RA) führt.
FIG 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Rotors 5, der an seiner Oberfläche Permanentmagnete 1 aufweist, die dort magnetische Pole 16 ausbilden. In diesem Fall bildet - in Umfangsrichtung betrachtet - jeder Permanentmagnet 1 einen Pol 16 aus. Die Permanentmagnete 1 weisen in ihrer Polmitte 11 eine radial größere Dicke auf als an ihrem Polrändern 12. Diese geometrische Ausgestaltung des Permanentmagneten 1 trägt zur Ausgestaltung eines sinusförmigen Luftspaltfeldes bei. Die magnetischen Pole 16 sind in Umfangrichtung betrachtet durch eine Pollücke 13 voneinander beabstandet.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Permanentmagneten 1 kann nunmehr das Luftspaltfeld weiter einer Sinusform angenähert werden. Dadurch reduzieren sich die Rastmomente der dynamoelektrischen Maschine 6.
Dabei wird der Permanentmagneten 1 gemäß FIG 3 aus unter- schiedlichen geschütteten Pulvern der Materialien A und Materialien B aufgebaut. Durch die vorgegebene Art der Schüttung, d.h. der Korngröße, der Verteilung, der Dichte der unterschiedlichen Materialien, kann nunmehr die Eigenschaften eines einzelnen Permanentmagneten 1 innerhalb seiner Volumen- einheit unterschiedlich ausgeführt werden. Dies bedeutet, dass an den Randbezirken eines Permanentmagneten 1, unabhängig von seiner Form, ob also nun quaderförmig oder schalenförmig eine andere Koerzitivfeidstärke oder Remanenz im Her- stellungsprozess einstellbar ist, wie in der Mitte des Perma- nentmagneten 1.
Figur 3 zeigt einen Permanentmagneten 1 mit Grundmaterial 3 vom Typ Nd2-Fei4-B. Das Grundmaterial 3 enthält gleichmäßig verteilt Elemente 2, wie Aluminium und Kobalt, um die Langzeitstabilität des Permanentmagneten 1 zu gewährleisten. Im Bereich der Oberfläche des Permanentmagneten 1 wurde ein erhöhter Gehalt an einem schweren Seltenerdelement 4, wie Dys- prosium oder Terbium, eingestellt. In Kernbereich des Permanentmagneten 1 ist dagegen der Gehalt an teurem Seltenerdelement 4 reduziert bzw. nahezu Null.
Vorzugsweise wird der Übergang dieser unterschiedlichen Werte vom Rand bis in die Mitte des Permanentmagneten 1 stetig verlaufend gestaltet. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das Herstellungsverfahren in eine vorgebbare Anzahl von sich wiederholenden Einzelschritten unterteilt ist, wie schütten mit vorgebbaren Mischungsverhältnissen - sintern, mischen mit einem anderen abgewandelten Mischungsverhältnis - sintern .... Dies wird so oft wiederholt bis die Form des Permanentmagneten 1 gefüllt ist.
Aber auch die Bildung einer kompletten Schüttung (ohne Zwi- schensinterschritte) mit lediglich einem nachfolgenden Sinterschritt, bei dem der fertige Permanentmagnet gebildet wird ist möglich und im Hinblick auf den Energiebedarf zu bevorzugen . Es sind aber auch andere Herstellungsverfahren vorstellbar, um einen Permanentmagneten 1 mit einem vorgegebenen Mischungsverhältnis der oben genannten Ausgangsmaterialien zu erhalten . In FIG 4 ist der prinzipielle Einsatz eines Permanentmagneten 1 auf oder an einem Rotor 5 dargestellt. Dabei ist entscheidend, dass der Permanentmagnet 1 derartig ausgeführt ist, dass er eine optimale Magnetfeldverteilung im Luftspalt 10 einer dynamoelektrischen Maschine 6 schafft, bei vorgegebener Gegenfeldstabilität und/oder Temperaturkonstanz der Permanentmagnete 1. FIG 5 zeigt an einem Permanentmagneten 1, dass sowohl eine radiale Schichtung 14 und/oder eine tangentiale Schichtung 15 möglich ist. Damit werden die örtlichen notwendigen magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten 1 gezielt einge- stellt. In jeder einzelnen Schichtung 15, 14 lässt sich nun verfahrenstechnisch eine Verteilung von Ausgangsmaterialien beispielsweise gemäß FIG 3 einstellen. Es werden somit insbesondere die teuren Magnetmaterialien, wie beispielsweise Dysprosium lokal im Permanentmagneten 1 nur noch dort einge- setzt, wo sie für einen hocheffizienten Betrieb der dynamoelektrischen Maschine 6 erforderlich sind. Dies ist insbesondere im Bereich der Oberfläche des Permanentmagneten 1 und weiterhin im Bereich der Polmitte und/oder der Polränder der Fall .
Die Permanentmagnete 1 bilden dabei einzeln oder in Gruppen angeordnet einen magnetischen Pol 16 des Rotors 5. Über die axiale Länge des Rotors 5 betrachtet, sind die Permanentmagnete 1 zur Vermeidung von Rastmomenten zusätzlich versetzt oder mit einem vorgebbaren Schrägungs- oder Staffelwinkel angeordnet .
In einer Weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsform befinden sich die Permanentmagnete 1 in einer axialen Ausneh- mung des Blechpakets des Rotors 5, wobei dann die Permanentmagnete 1 auch als vergrabene Permanentmagnete 1 bezeichnet werden .
Am Herstellungsprozess der Permanentmagnete 1 ändert sich da- bei nichts.

Claims

Patentansprüche
1. Dynamoelektrische Maschine (6) mit einem mehrpoligen Rotor (5) der pro Pol (16) zumindest einen seltenerdhaltigen Perma- nentmagneten (1) vom Typ Nd2-Fei4-B aufweist, wobei ein geblecht ausgeführter Stator (8) mit einem in axial verlaufenden Nuten angeordneten Wicklungssystem (9) über einen Luft- spalt (10) mit den Polen (16) des Rotors (5) elektromagnetisch wechselwirkt und so eine Rotationsbewegung (RB) um eine Rotationsachse (RA) bewirkt, wobei der mindestens eine Permanentmagnet (1) in Rotationsbewegungsrichtung (RB) des Rotors (5) zumindest vier Bereiche unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften aufweist, die zu einer Polmitte (11) des durch den Permanentmagnet (1) gebildeten magnetischen Pols (16) symmetrisch angeordnet sind, wobei die Oberfläche des Permanentmagneten (1) derart gestaltet ist, dass ein sinusförmiges Luftspaltfeld entsteht, indem die Polmitte (11) einen radial geringeren Luftspalt (10) als die Polränder (12) aufweisen.
2. Dynamoelektrische Maschine (6) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest an der dem Luftspalt (10) zugewandten Oberfläche des Permanentmagneten (1), insbesondere an den Polrändern (12) und in der Polmitte (11) , unterschiedliche Werte von Koerzitiv- feidstärke und/oder Remanenz vorhanden sind.
3. Dynamoelektrische Maschine (6) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest an der dem Luftspalt (10) zugewandten Oberfläche des Perma- nentmagneten (1), insbesondere an den Polrändern (12) und in der Polmitte (11) , Bereiche mit erhöhten Gehalten an mindestens einem Seltenerdelement aus der Gruppe Dysprosium, Terbium , Holmium, Gadolinium, Erbium, Europium, vorliegen, .
4. Dynamoelektrische Maschine (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in den Bereichen mit erhöhten Gehalten an dem mindestens einen Seltenerdelement der Gehalt an dem mindestens einen Selten- erdelement im Vergleich zu den übrigen Bereichen um mindestens 0,5 Gew.-% erhöht ist.
5. Dynamoelektrische Maschine (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Permanentmagnete (1) an der Oberfläche des Rotors (5) oder in axial verlaufenden Ausnehmungen eines Blechpakets des Rotors (5) angeordnet sind.
6. Verfahren zur Herstellung von seltenerdhaltigen Permanentmagneten (1) vom Typ Nd2-Fei4-B für Rotoren (5) dynamoelektrischer Maschinen (6) nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Schüttung unterschiedlicher vorgegebener Ausgangsmateria- len mit unterschiedlichen Seltenerdgehalten in eine vorgegebene Volumeneinheit, die im Wesentlichen der Endform des Permanentmagneten (1) entspricht,
Schüttung derart, dass durch die Art der Schüttung dieser Ausgangsmaterialien in der Volumeneinheit die Eigenschaften des Permanentmagneten (1) wie Remanenz und/oder Koer- zitivfeidstärke lokal innerhalb der Volumeneinheit gezielt beeinflusst werden,
Sintern des Ausgangsmaterialgemisches der Volumeneinheit, zeitgleiches oder zeitversetztes Aufmagnetisieren des in der Volumeneinheit befindlichen Ausgangsmaterialgemisches .
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Ausbildung der Schüttung pulver- förmige Ausgangsmaterialien eingesetzt werden, , die sich hinsichtlich mindestens eines Parameter, wie der
Partikelkorngrößeund/oder Dichte, unterscheiden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Ausgangsmaterialien mindestens zwei Pulver vom Typ Nd2-Fei4-B mit unterschiedlichen Seltenerdgehalten eingesetzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich der Seltenerdgehalt der mindestens zwei Pulver um mindestens 0,5 Gew.-% unterscheidet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Ausgangsmaterialien mindestens ein Pulver vom Typ Nd2-Fei4-B und weiterhin ein pulverförmiges Seltene-Erden-Material aus der Gruppe umfassend mindestens ein Seltenerdmetall, ein Seltenerdchlorid, ein Seltenerdfluorid, ein Seltenerdoxid, eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Ausgangsmaterial umfassend mindestens ein Seltenerdelement aus der Gruppe umfassend Dysprosium, Terbium, Holmium, Gadolinium, Erbium, Europium, eingesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine lokale Konzentration der einzelnen pulverförmigen Ausgangmaterialien in der Schüttung derart unterschiedlich ausgebildet wird, dass zumindest an der Oberfläche des gebildeten Perma- nentmagneten ein erhöhter Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement ausgebildet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine lo- kale Konzentration der einzelnen pulverförmigen Ausgangmaterialien in der Schüttung derart unterschiedlich ausgebildet wird, dass zumindest an der Oberfläche des gebildeten Permanentmagneten im Bereich seiner Ecken und Kanten, entsprechend den Polrändern, und im Bereich eines Flächenschwerpunkts der größten Seitenfläche (n) des Permanentmagneten, entsprechend der Polmitte, ein erhöhter Gehalt an mindestens einem Seltenerdelement ausgebildet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in den Bereichen mit erhöhten Gehalten an dem mindestens einen Seltenerdelement der Gehalt an dem mindestens einen Seltenerd- element im Vergleich zu den übrigen Bereichen um mindestens 0,5 Gew.-% erhöht ist
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