WO2015118099A1

WO2015118099A1 - Magnetischer werkstoff

Info

Publication number: WO2015118099A1
Application number: PCT/EP2015/052495
Authority: WO
Inventors: Stephan Kronholz; Andreas Weller; Rainer Vor Dem Esche; Michael Sonnen
Original assignee: Enrichment Technology Company Ltd. Zweigniederlassung Deutschland
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2015-08-13
Also published as: EP3105764A1; EP3105764B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Material (3) mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, einen Permanentmagneten (5), einen Elektromotor (6) oder ein magnetisches Lager (7) mit diesem magnetischen Material (3) und ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten (5) aus diesem magnetischen Material (3). Das magnetische Material (3) umfasst dabei ein oder mehrere Seltenerdmetalle (RE) und ein oder mehrere Übergangsmetalle (TM) oder Übergangsmetalllegierungen (TML) zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes und einen Anteils aus mindestens einem Nanomaterial (2), vorzugsweise Nanoröhrchen, (2) zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des magnetischen Materials (3). Das verwendete magnetische Material (3) ermöglicht, dass der daraus gefertigte Permanentmagnet (5) in dem Elektromotor (6) oder dem magnetischen Lager (7) bei sehr hohen Drehzahlen betrieben werden kann und dennoch in der Lage ist, die dort auftretenden extremen Lasten unbeschadet zu überstehen.

Description

Magnetischer Werkstoff

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Material mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, auf einen Permanentmagneten, einen Elektromotor oder ein magnetisches Lager mit diesem magnetischen Material und auf ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten aus diesem magnetischen Material.

Hintergrund der Erfindung

Magnetische Materialien werden für diverse Zwecke verwendet, beispielsweise für Elektromotoren oder Magnetlager. In den entsprechenden Anwendungen können die Magnete sehr schnellen Drehungen ausgesetzt sein. Beispielsweise wirken in Rotoren mit elektromagnetischen Antrieben und/oder Lagern mit

Umdrehungszahlen von 20.000 Umdrehungen pro Minute extreme Lasten auf die eingesetzten Magnete. Üblicherweise werden in solchen Anwendungen starke Magnete aus NdFeB- oder SmCo verwendet. Solche Materialien haben eine Bruchdehnung von 0,1 - 0,15%. Sofern die Magnete aufgrund der

Rotationsgeschwindigkeit und der damit verbundenen Fliehkraft höhere

Materialdehnungen ertragen müssen, führt dies zu einer Zerstörung der

Geometrie und dadurch zu einer Reduzierung der Magnetisierbarkeit oder gar zum Funktionsverlust des Magneten. Dokument DE 10020946 A1 offenbart eine mechanische Verstärkung solcher Elektromotor-Motoren, indem um den Rotor des Elektromotors eine äußere Bandage zur zusätzlichen Fixierung und Vorspannung der Magnete am Rotor gewickelt wird, wobei die Vorspannung der Bandage den auf die Rotormagnete wirkenden Dehnungskräften entgegenwirkt und somit einen Rotor mit besseren mechanischen Eigenschaften bereitstellt, der für höhere Rotationsgeschwindigkeit dieses Elektromotors geeignet ist.

Die auf dem Rotor angeordnete Bandage stellt ein zusätzliches Bauteil im

Elektromotor dar, das zudem mit hoher Präzision und reproduzierbar auf dem Rotor angeordnet werden muss, damit die Elektromotoren zuverlässig für höhere Drehzahlen verwendet werden können. Somit kompliziert die Bandage das

Herstellungsverfahren und führt zu höheren Herstellungskosten. Außerdem erhöht die Bandage den Abstand zwischen Rotor (Läufer) und Stator, was die

Leistungsfähigkeit des Motors herabsetzt. Es wäre daher wünschenswert, einen leistungsfähigen Elektromotor oder ein magnetisches Lager zur Verfügung zu haben, das ohne zusätzliche Bauteile auskommt und dennoch für sehr hohe Drehzahlen einsetzbar ist. Weiterhin wünschenswert wären neuartige

magnetische Werkstoffe, die für noch höhere Belastungen ausgelegt werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen leistungsfähigen

Elektromotor und/oder ein magnetisches Lager bereitzustellen, die ohne

zusätzliche Bauteile für den Einsatz bei sehr hohen Drehzahlen geeignet sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein magnetisches Material zur Herstellung eines Seltenerd-Permanentmagneten umfassend ein oder mehrere Seltenerdmetalle und ein oder mehrere Übergangsmetalle oder Übergangsmetall-Legierungen zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes und einen Anteil aus mindestens einem Nanomaterial zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des magnetischen Materials.

Hierbei bezeichnet der Begriff„Seltenerd-Permanentmagnet" oder

Seltenerdmagneten einen Permanentmagneten, der im Wesentlichen aus

Übergangsmetallen oder Übergangsmetalllegierungen wie beispielsweise Fe-Bor und Seltenerdmetallen besteht. Solche Permanentmagnete zeichnen sich dadurch aus, dass sie gleichzeitig eine hohe magnetische Remanenz und eine hohe magnetische Koerzitivfeldstärke und damit eine hohe magnetische Energiedichte aufweisen. Beispiele von besonders starken Permanentmagneten aus dieser

Klasse sind Nd₂Fei₄B, SmCo₅ oder Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇, insbesondere Sm₂Coi₇. Es können beispielsweise aber auch Seltenerd-Übergangsmetall- Stickstofflegierungen wie beispielsweise Sm₂Fe₁₈N3 verwendet werden. Der Begriff„im Wesentlichen" bezeichnet die Möglichkeit, dass neben einem führenden Anteil an Seltenerdmetallen, Übergangsmetallen oder Übergangsmetall-Legierungen ein geringer Anteil an anderen Bestandteilen vorhanden ist, dessen Anteil so gering ist, dass er die magnetischen

Eigenschaften des Permanentmagneten für die jeweilige Anwendung gegenüber einem Permanentmagneten nur aus Seltenerdmetallen, Übergangsmetallen oder Übergangsmetall-Legierungen nicht so negativ beeinflusst, dass dieser für die Anwendung ungeeignet wird. In einer Ausführungsform kann das magnetische Material nur aus Seltenerdmetallen, Übergangsmetallen oder Übergangsmetall- Legierungen bestehen.

Der Begriff Übergangsmetall-Legierung bezeichnet dabei einen metallischen Werkstoff, der aus mindestens zwei Elementen besteht, beispielsweise Fe-B, Fe- Ni oder Fe-N. Der Begriff„Nanomaterial" bezeichnet dabei ein Material, die den mechanischen Verbund innerhalb eines gepressten Materials verbessern und eine Ausdehnung haben, die im Vergleich zur Ausdehnung des gepressten Materials um

Größenordnungen kleiner ist. Das Nanomaterial kann ein Material aus einem Bestandteil oder eine Mischung aus verschiedenen Bestandteilen (mehrere Nanomatenalien) sein. Nanomatenalien im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Nanostrukturen aus Kohlenstoff oder Bornitrid. Zu diesen

Nanostrukturen können beispielsweise hornförmig (sogenannte Nanohorns) oder anders geformte Schichten aus Graphen (einwandig oder mehrwandig) gehören. Erfindungsgemäße Nanomatenalien können auch Nanoröhrchen aus Kohlenstoff (Kohlenstoffnanorohrchen) oder Bornitrid,

Block-Copolymere oder Kernschalen-Partikel. In einer Ausführungsform umfasst das Nanomaterial Nanoröhrchen, vorzugsweise Kohlenstoffnanorohrchen

(sogenannte CNTs). In einer weiteren Ausführungsform kann das Nanomaterial ausschließlich aus Nanoröhrchen, vorzugsweise Kohlenstoffnanorohrchen, bestehen. Der Begriff„Nanoröhrchen" bezeichnet kleine röhrenförmige, nichtmagnetische Gebilde aus Kohlenstoff oder Bornitrid, die einen Durchmesser im Nanometerbereich haben. Die Wände der röhrenförmigen Gebilde bestehen nur aus Kohlenstoff oder Bornitrid, wobei beispielsweise bei Kohlenstoffnanorohrchen die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen (vorgegeben durch die sp²-Hybridisierung). Der Durchmesser der Nanorohrchen liegt meist im Bereich von 1 bis 50 nm, wobei die Länge der Nanorohrchen den Durchmesser um Größenordnungen übersteigen kann. Die Nanorohrchen können ein- und mehrwandig aufgebaut sein und offene oder geschlossene Rohrenden besitzen. Einwandige Nanorohrchen besitzen nur eine Lage aus dem jeweiligen Material (beispielsweise Kohlenstoffatomen bei Kohlenstoffnanorohrchen) als Wand, mehrwandige Röhrchen können dagegen eine Wand aus mehreren Lagen des jeweiligen Materials besitzen. Nanorohrchen besitzen zwar keine magnetischen Eigenschaften, dagegen aber überragende mechanische Eigenschaften. Beispielsweise haben einwandige

Kohlenstoffnanorohrchen bei einer Dichten von 1 ,3 bis 1 ,4 g/cm³ eine

Zugfestigkeit von 30GPa. Mehrwandige Kohlenstoffnanorohrchen haben bei einer Dichte von 1 ,8 g/cm³ eine Zugfestigkeit von bis zu 63 GPa. Gewöhnlicher Stahl hat im Vergleich dazu bei einer Dichte von rund 7,85 g/cm³ eine maximale

Zugfestigkeit von nur 2GPa.

In einer Ausführungsform sind die Kohlenstoffnanorohrchen an ihrer Oberfläche funktionalisiert. Damit lassen sich die Kohlenstoffnanorohrchen leichter in das magnetische Material integrieren (bessere Vernetzung mit den magnetischen Materialanteilen im magnetischen Material). Die Funktionalisierung bezeichnet hierbei eine gezielte Anordnung von reaktiven Atomen oder reaktiven Molekülen als reaktive Endgruppen an der äußeren Oberfläche der Kohlenstoffnanorohrchen. Die reaktiven Endgruppen werden im magnetischen Material zum Vernetzen der Kohlenstoffnanorohrchen miteinander und mit den magnetischen Bestandteilen des magnetischen Materials verwendet, so dass das magnetische Material unter Verwendung von funktionalisierten Kohlenstoffnanorohrchen eine weiter verbesserte mechanische Stabilität im Vergleich zu magnetischen Materialien mit nicht-funktionalisierten Nanorohrchen besitzt. Vorzugsweise sind die

Kohlenstoffnanorohrchen durch Anordnung OH-Endgruppen oder Metallen wie beispielsweise Co, Fe oder Ni an der äußeren Oberfläche funktionalisiert. Man kann solche Endgruppen beispielsweise durch kovalente Modifizierung in äußere Oberfläche der Kohlenstoffnanorohrchen einbauen. Dazu behandelt man beispielsweise die Kohlenstoffnanorohrchen mit Salpetersäure HNO₃ woraufhin sich NH₂ und/oder OH-Endgruppen an der Oberfläche an bereits vorhandenen sogenannten Stone-Wales-Strukturdefekten der Kohlenstoffnanorohrchen anordnen. Diese Defekte sind Rotationen der kovalenten Bindung zweier benachbarter Kohlenstoffatome in der Wand der Kohlenstoffnanorohrchen. Ein anderes Verfahren zur Funktionalisierung von Kohlenstoffnanorohrchen ist eine Plasmabehandlung mittels eines nicht-thermischen Plasmas eines Prozessgases, das durch Anlegen einer Anregungsspannung ionisiert wird. Für die Abscheidung von Metallpartikeln, beispielsweise aus Co, Fe, Ni kann eine Microwellen- Plasmaabscheidung verwendet werden. So lässt sich beispielsweise kolloidales Eisen auf der äußeren Oberfläche der Kohlenstoffnanorohrchen abscheiden. Gleiches ist auch für andere Metalle möglich. Diese abgeschiedenen Metalle stellen mit dem Metallpulver im magnetischen Material eine mechanisch deutlich festere Vernetzung her als es mit nicht-funktionalisierten Kohlenstoffnanorohrchen der Fall wäre. Während große Kristalle aus dem erfindungsgemäßen magnetischen Material in Seltenerd-Permanentmagneten nur moderate Koerzitivfeldstärken zeigen, weisen dagegen Permanentmagnete mit einer einkristalliten Körnerstruktur im

magnetischen Material eine sehr hohe Koerzitivfeldstärke auf. Je höher die Koerzitivfeldstärke ist, desto schwerer ist ein Magnet umzumagnetisieren und desto stärker ist er. Wird das magnetische Material entsprechend gemischt, zu Pulver vermählen, gepresst und gesintert, so können die magnetischen Momente im Material durch das Anlegen eines externen Magnetfeldes während des

Herstellungsprozesses sehr anisotrop ausgerichtet werden, was zu den sehr guten Eigenschaften eines Seltenerd-Permanentmagneten führt. In einer

Ausführungsform umfasst das magnetische Material daher Körner nicht größer als Ι Ομιτι, bevorzugt nicht größer als 7μηη.

In einer Ausführungsform weisen die Nanorohrchen einen Durchmesser kleiner als 30nm, bevorzugt kleiner als 10nm, auf. Bei diesen Durchmessern verleihen die Nanorohrchen dem Material die verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere die gewünschte Festigkeit.

In einer Ausführungsform beträgt der Gewichtsanteil des Nanomaterials im magnetischen Material mehr als 0,1 %, bevorzugt mehr als 1 %, bevorzugter mehr als 2%, noch bevorzugter mehr als 4%. Mit steigendem Gewichtsanteil des Nanomaterials im magnetischen Material verbessern sich dessen mechanische Eigenschaften wie beispielsweise die Zug- und Bruchfestigkeit. In einer

bevorzugten Ausführungsform beträgt der Gewichtsanteil des Nanomaterials im magnetischen Material weniger als 35%, bevorzugt weniger als 20%, bevorzugter weniger als 8%, noch bevorzugter weniger als 6%. Da das Nanomaterial nicht zu den magnetischen Eigenschaften beiträgt, sondern durch seine Anwesenheit die magnetisch wirksamen Anteile im magnetischen Material verdünnt, sollte zur simultanen Beibehaltung der guten magnetischen Eigenschaften des

magnetischen Materials neben den mechanischen Eigenschaften der Anteil des Nanomaterials nicht zu hoch sein.

In einer Ausführungsform besitzen die Nanorohrchen eine Länge kleiner Ι ,Ομηη, bevorzugt kleiner 0,1 μιτι. Für das Erreichen von guten magnetischen

Eigenschaften eines Permanentmagneten ist eine einkristallite Körnerstruktur des magnetischen Materials vorteilhaft. Damit die Nanorohrchen ihre stabilisierende mechanische Wirkung entfalten können, sollte deren Länge kleiner als die

Korngröße im magnetischen Material im späteren Permanentmagneten sein. Der stabilisierende Effekt wird dabei in erster Linie durch Nanorohrchen als oder in der Verbindungsmatrix erreicht. Die Nanorohrchen erhöhen dabei die Netzwerkdichte oder die Vernetzung der Matrix. Als Matrix wird hier das Material zwischen den Korngrenzen der einkristalliten Körner bezeichnet. Demgegenüber hat das

Einbringen der Nanorohrchen in die einkristalliten Körner einen nachrangigen Effekt auf die mechanischen Eigenschaften des magnetischen Materials.

Vorzugsweise sind dabei diese Nanorohrchen Kohlenstoffnanoröhrchen.

In einer Ausführungsform umfassen die Seltenerdmetalle des magnetischen Materials mindestens ein Element der Gruppe Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium, Gadolinium. In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Übergangsmetalle des magnetischen Materials mindestens ein Element der Gruppe Eisen, Cobalt, Nickel. Seltenerd-Permanentmagnete aus diesen

Elementen weisen die besten magnetischen Eigenschaften wie beispielsweise eine hohe Remanenzflussdichte B_r von bis zu mehr als 1 Tesla, eine hohe

Koerzitivfeldstärke H_c von bis zu 2000 kA/m bei Raumtemperatur, eine Energiedichte B_r ^*H_c von bis zu 440 kJ/m³ und eine Curie-Temperatur T_c von bis zu 800°C auf. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Material zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes im magnetischen Material Neodym- Eisen-Bor, vorzugsweise anisotrop gesintertes Nd₂Fe₁₄B. Die Rohstoffe für Nd-Fe- B-Magnete sind gegenüber SmCo-Magnete deutlich kostengünstiger, da der Anteil von Neodym in Seltenerdmetallerzen um ein Vielfaches höher ist als der von Samarium.

Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen Permanentmagneten aus einem magnetischen Material gemäß der vorliegenden Erfindung.

Permanentmagneten werden unter anderem für den Einbau in Elektromotoren oder Magnetlagern verwendet.

Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auch auf einen Elektromotor oder ein Magnetlager umfassend einen erfindungsgemäßen Permanentmagneten aus einem magnetischen Material gemäß der vorliegenden Erfindung. Insbesondere für Anwendungen bei hohen Drehzahlen, beispielsweise für Drehzahlen

(Umdrehungszahlen) im Bereich von 20.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr ist das verwendete magnetische Material des Permanentmagneten in dem

Elektromotor oder dem magnetischen Lager in der Lage, die dort auftretenden extremen Lasten unbeschadet zu überstehen. Die Festigkeit und Bruchzähigkeit reiner NdFeB- oder SmCo-Magnete konnte deutlich um 20 - 30% oder mehr über die Bruchdehnung von 0,1 - 0,15% ohne Nanomaterialien bzw. Nanoröhrchen (beispielsweise Kohlenstoffnanorohrchen) hinaus gesteigert werden. Damit führen die im Betrieb der Magnete aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit auftretenden Fliehkräfte und die dadurch verursachte höhere Materialdehnung nicht zu einer Zerstörung der Magnet-Geometrien oder gar der Funktion des Magneten.

Unter Verwendung des erfindungsgemäßen magnetischen Material werden somit leistungsfähige Elektromotoren oder magnetische Lager mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bereitgestellt, so dass diese Elektromotoren oder magnetische Lager für sehr hohe Drehzahlen zwischen 30000 Umdrehungen pro Minute bis zu 100000 Umdrehungen pro Minute eingesetzt werden können, was bei herkömmlichen magnetischen Materialien gemäß dem Stand der Technik ohne zusätzliche Maßnahmen wie zusätzliche angeordnete Bandagen nicht möglich ist.

Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Permanentmagneten mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Material umfassend die Schritte

Bereitstellen eines magnetischen Pulvers umfassend ein oder mehrere Seltenerdmetalle und ein oder mehrere Übergangsmetalle oder

Übergangsmetalllegierungen;

- Bereitstellen von mindestens einem Nanomaterial, vorzugsweise umfasst das Nanomaterial Nanoröhrchen, besonders bevorzugt sind die

Nanoröhrchen Kohlenstoffnanoröhrchen;

Vermischen des magnetischen Pulvers mit einem für die Erzielung der gewünschten magnetischen und mechanischen Eigenschaften geeigneten Anteil an bereitgestelltem Nanomaterial zur Bereitstellung des magnetischen

Materials;

Herstellen eines Vorformlings aus dem magnetischen Material mittels geeigneter Mahl-, und Pressschritte, vorzugsweise zusätzlich umfassend ein oder mehrere Schmelzschritte; und

- Sintern des magnetischen Materials mittels geeigneter Sinterschritte zur Herstellen des Permanentmagneten aus dem Vorformling.

Der Schritt des Bereitstellens von mindestens einem Nanomaterial kann in einer Ausführungsform mit Kohlenstoffnanoröhrchen als Nanomaterial den Schritt des Funktionalisierens der Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden im Rahmen der Funktionalisierung OH-Endgruppen oder Metallen an der äußeren Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhrchen angeordnet. Dazu können beispielsweise Techniken wie eine kovalente Modifizierung unter Einsatz von Säuren als Beispiel für eine Funktionalisierung mittels Nasschemie, mittels Plasmaabscheidung (beispielsweise Gasplasma, Mikrowellenplasma) oder mittels einer weiterführenden Funktionalisierung auf Basis eine

Vorfunktionalisierung unter Einsatz geeigneter Chemikalien verwendet werden. Die pulvermetallurgische Herstellung des magnetischen Materials kann verschiedene Prozessschritte umfassen. Einerseits kann das magnetische Material schmelzmetallurgisch hergestellt werden, wobei verschiedene

Vormaterialien verschmolzen und anschließend wieder gemahlen werden.

Andererseits können durch einen Reduktions- und Diffusionsprozess aus

Seltenerdoxiden und Metalle Legierungspulver als magnetisches Pulver hergestellt werden. In einer Ausführungsform werden durch einen Mahlschritt die Korngrößen im magnetischen Material auf kleiner 10μηη, bevorzugt auf kleiner 7μηη, begrenzt. Die dafür anzuwendenden Mahltechniken sind dem Fachmann bekannt.

Das Pulver aus (einkristalliten) Körnern aus dem erfindungsgemäßen

magnetischen Material wird durch Pressen in eine Form für das nachfolgende Sintern gebracht. Hierbei kann das magnetische Material mittels Formpressen in einem Presswerkzeug oder durch isostatisches Pressen in die gewünschte mechanische Form gebracht werden. Während des Pressens wird von außen ein ausreichend starkes Magnetfeld angelegt, um die magnetischen Momente der anisotropen Pulverpartikel unter Feldeinwirkung homogen mit einer stabilen Vorzugsrichtung auszurichten. Beim Pressen wird dabei das Material verdichtet und dadurch die Ausrichtung der magnetischen Momente im magnetischen Material fixiert. Der so geformte Permanentmagnet vor Beginn des Sinterns wird auch als Vorformling bezeichnet. Er besitzt allerdings noch eine geringere Dichte als nach Ende des Sinterprozesses, so dass der Vorformling noch eine größere geometrische Ausdehnung als der fertige Permanentmagnet besitzt. Das Sintern kann mittels verschiedener Sinterverfahren ausgeführt werden. Nach dem Sintern ist der Permanentmagnet in der Regel ca. 15 - 20% gegenüber dem Vorformling geschrumpft. Dadurch werden Dichten im gesinterten magnetischen Material von bis zu 7,6 g/cm³ erreicht. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren daher die Schritte

Pressen des magnetischen Materials unter Magnetfeldeinwirkung zur anisotropen Ausrichtung der magnetischen Momente im Vorformling; und Sintern des Vorformlings unter Schutzgas oder Vakuum bei Temperaturen zwischen 1030°C und 1 100°C. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren eine Temperaturbehandlung des verdichteten magnetischen Materials nach Abschluss des Sinterns bei einer Temperatur zwischen 600°C und 900°C. Bei diesen

Temperaturen wird das magnetische Material in die Nähe oder über die Curie- Temperatur hinaus erhitzt, so dass sich durch Anlegen eines äußeren

Magnetfeldes die magnetischen Momente in eine der beiden anisotropen

Richtungen ausrichten lassen. Kurze Beschreibung der Abbildungen

Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt: Fig .1 : schematische Darstellung des (a) erfindungsgemäßen magnetischen

Materials und (b) des erfindungsgemäßen Permanentmagneten;

Fig.2: schematische Darstellung des (a) erfindungsgemäßen Elektromotors und (b) des erfindungsgemäßen Magnetlagers;

Fig.3: eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines

erfindungsgemäßen Permanentmagneten aus dem erfindungsgemäßen magnetischen Material.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung des (a) erfindungsgemäßen

magnetischen Materials und (b) des erfindungsgemäßen Permanentmagneten. Das magnetische Material 3 zur Herstellung eines Seltenerd-Permanentmagneten 5 umfasst ein oder mehrere Seltenerdmetalle RE und ein oder mehrere

Übergangsmetalle TM oder Übergangsmetalllegierungen TML zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes sowie in dieser Ausführungsform Nanorohrchen als Nanomaterial 2 (beispielsweise Kohlenstoffnanoröhrchen) zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des magnetischen Materials 3. Mit

Seltenerdmetallen RE wie Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium, Gadolinium und Übergangsmetallen TM wie Eisen, Cobalt, Nickel lassen sich Permanentmagnete (siehe Fig. 1 (b)) mit Remanenzflussdichten B_r von bis zu mehr als 1 Tesla, Koerzitivfeldstärken H_c von bis zu 2000 kA7m bei

Raumtemperatur, Energiedichten B_r ^*H_c von bis zu 440 kJ/m3 und Curie- Temperaturen T_c von bis zu 800°C herstellen, insbesondere wenn das Material zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes im magnetischen Material 3

Neodym-Eisen-Bor das magnetische Material 3 Körner nicht größer als 10μηη, bevorzugt nicht größer als 7μηη umfasst. Mit Nanorohrchen 2 (beispielsweise Kohlenstoffnanoröhrchen) im magnetischen Material 3 lassen sich die

Bruchdehnungen des Permanentmagneten 5 deutlich über 0,1 - 0,15% wie bei Permanentmagneten nach dem Stand der Technik hinaus steigern, ohne dass dabei zusätzliche Komponenten wie äußere zusätzliche Bandagen um die

Permanentmagnete herum angelegt werden müssen, insbesondere wenn die Nanorohrchen 2 einen Durchmesser kleiner als 30nm, bevorzugt kleiner als 10nm, besitzen, der Gewichtsanteil des Nanomaterials 2 im magnetischen Material 3 mehr als 0,1 % beträgt, bevorzugt mehr als 1 %, bevorzugter mehr als 2%, noch bevorzugter mehr als 4%, dabei allerdings weniger als 35%, bevorzugt weniger als 20%, bevorzugter weniger als 8%, noch bevorzugter weniger als 6% beträgt und die Nanorohrchen 2 eine Länge kleiner Ι ,Ομηη, bevorzugt kleiner Ο,δμηη, besonders bevorzugt kleiner 0,1 μιτι besitzen

Fig.2 zeigt eine schematische Darstellung des (a) erfindungsgemäßen

Elektromotors 6 und (b) des erfindungsgemäßen Magnetlagers 7. Für

Anwendungen bei hohen Drehzahlen, beispielsweise für Drehzahlen

(Umdrehungszahlen) im Bereich von 20.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr ist das verwendete magnetische Material 3 des Permanentmagneten 5 in dem Elektromotor 6 oder dem magnetischen Lager 7 in der Lage, die dort auftretenden extremen Lasten unbeschadet zu überstehen. Die Bruchfestigkeit reiner NdFeB- oder SmCo-Magnete von 0,1 - 0,15% konnte mit der Verwendung des

erfindungsgemäßen magnetischen Materials bei der Herstellung des

Permanentmagneten 5 deutlich um mindestens 20% - 30% gesteigert werden. Damit führen die im Betrieb der Elektromotoren 6 oder Magnetlager 7 aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit auftretenden Fliehkräfte und die dadurch

verursachte höhere Materialdehnungen im magnetischen Material 3 nicht zu einer Zerstörung der Magnet-Geometrien oder gar der Funktion des Permanentmagneten 5. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen magnetischen Materials 3 werden somit leistungsfähige Elektromotoren 6 oder magnetische Lager 7 mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bereitgestellt, so dass diese leistungsfähigen Elektromotoren 6 oder magnetische Lager 7 für höhere Drehzahlen eingesetzt werden können, als das bei herkömmlichen magnetischen Materialien gemäß dem Stand der Technik möglich wäre. Somit werden die verbesserten mechanischen Eigenschaften ohne zusätzliche

Komponenten, die an die Permanentmagnete 5 oder Elektromotoren 6 oder Magnetlager 7 anzubringen sind, erreicht.

Fig.3 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines

erfindungsgemäßen Permanentmagneten 5 aus dem erfindungsgemäßen magnetischen Material 3. Das Verfahren umfasst dabei das Bereitstellen B1 eines magnetischen Pulvers 1 umfassend ein oder mehrere Seltenerdmetalle RE und ein oder mehrere Übergangsmetalle TM oder Übergangsmetalllegierungen TML, das Bereitstellen B2 mindestens eines Nanomaterials 2, das Vermischen VM des magnetischen Pulvers 1 mit einer für die Erzielung der gewünschten

magnetischen und mechanischen Eigenschaften geeigneten Menge (Anteil) an Nanomaterial 2 zur Bereitstellung des magnetischen Materials 3, das Herstellen HV eines Vorformlings 4 aus dem magnetischen Material 3 mittels geeigneter Mahl-, und Pressschritte M, P, vorzugsweise zusätzlich umfassend ein oder mehrere Schmelzschritte S, und das Sintern Sl des magnetischen Materials 3 mittels geeigneter Sinterschritte Sl zur Herstellen des Permanentmagneten 5 aus dem Vorformling 4. Der Mahlschritt M kann dabei beispielsweise zur Begrenzung von Korngrößen im magnetischen Material 3 auf kleiner 10μηη, bevorzugt auf kleiner 7μηη, verwendet werden. Der Pressschritt P für das magnetische Material 3 wird unter Magnetfeldeinwirkung MF zur anisotropen Ausrichtung der

magnetischen Momente im Vorformling 4 angewendet. Das angelegte äußere Magnetfeld ist dabei ein homogenes Feld zur parallelen Ausrichtung möglichst vieler der magnetischen Momente im magnetischen Material 3. Beim Pressen P wird somit das magnetische Material 3 verdichtet und die Ausrichtung der magnetischen Momente im magnetischen Material 3 fixiert. Das Sintern Sl des Vorformlings 4 wird beispielsweise unter Schutzgas oder Vakuum bei

Temperaturen zwischen 1030°C und 1 100°C ausgeführt. Nach dem Sintern Sl ist der Permanentmagnet 5 in der Regel ca. 15 - 20% gegenüber dem Vorformling 4 geschrumpft und besitzt eine stabile Form. Dadurch werden Dichten im

gesinterten magnetischen Material 3 von bis zu 7,6 g/cm³ erreicht. Als letztem Schritt des Verfahrens in dieser Ausführungsform wird eine

Temperaturbehandlung TB am verdichteten magnetischen Material 3 nach Abschluss des Sinterns Sl bei einer Temperatur zwischen 600°C und 900°C ausgeführt. Bei diesen Temperaturen wird das magnetische Material in die Nähe oder über die Curie-Temperatur erhitzt, so dass sich durch optionales Anlegen eines äußeren Magnetfeldes MF (gestrichelter Pfeil) die magnetischen Momente in eine der beiden anisotropen Richtungen im gesinterten magnetischen Material 3 ausrichten lassen.

Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden.

Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.

Liste der Bezugszeichen magnetisches Pulver

Nanomaterial bzw. Kohlenstoffnanorohrchen

erfindungsgemäßes magnetisches Material

Vorformling

Permanentmagnet

Elektromotor

magnetisches Lager

Bereitstellen eines magnetischen Pulvers

Bereitstellen von Kohlenstoffnanorohrchen

Herstellen des Vorformlings

Mahlschritt, Mahlprozess, Mahlen

Magnetfeldeinwirkung

Pressschritt, Pressprozess, Pressen

Seltenerdmetalle

Schmelzschritt, Schmelzprozess

Sintern, Sinterschritt

Temperaturbehandlung nach erfolgtem Sintern

Übergangsmetalle

Übergangsmetalllegierungen

Vermischen von magnetischem Pulver und Kohlenstoffnanorohrchen

Claims

Patentansprüche:

1. Ein magnetisches Material (3) zur Herstellung eines Seltenerd- Permanentmagneten (5) umfassend ein oder mehrere Seltenerdmetalle (RE) und ein oder mehrere Übergangsmetalle (TM) oder

Übergangsmetalllegierungen (TML) zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes und einen Anteil aus mindestens einem Nanomaterial (2) zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des magnetischen Materials (3).

2. Das magnetisches Material (3) nach Ansprüche 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Gewichtsanteil des Nanomaterials (2) im magnetischen Material (3) mehr als 0,1 % beträgt, bevorzugt mehr als 0,5%, bevorzugter mehr als 2%, noch bevorzugter mehr als 4% beträgt.

3. Das magnetisches Material (3) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Gewichtsanteil der Nanoröhrchen (2) im magnetischen Material (3) weniger als 35%, bevorzugt weniger als 20%, bevorzugter weniger als 8%, noch bevorzugter weniger als 6% beträgt.

4. Das magnetisches Material (3) nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Nanomaterial Nanoröhrchen (2), bevorzugt

Kohlenstoffnanoröhrchen, umfasst, vorzugsweise weisen die Nanoröhrchen (2) einen Durchmesser kleiner als 100nm, besonders bevorzugt kleiner als 10nm, auf.

5. Das magnetisches Material (3) nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Nanoröhrchen (2) eine Länge kleiner 1 ,Ομιτι, bevorzugt kleiner 0,5 μιτι, besitzen.

6. Das magnetisches Material (3) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Nanorohrchen Kohlenstoffnanorohrchen sind, die an ihrer äußeren Oberfläche funktionalisiert sind, vorzugsweise durch Anordnung OH- Endgruppen oder Metallen an der äußeren Oberfläche.

7. Das magnetisches Material (3) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Seltenerdmetalle (RE) mindestens ein Element der Gruppe

Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium, Gadolinium umfassen.

8. Das magnetisches Material (3) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Übergangsmetalle (TM) mindestens ein Element der Gruppe Eisen,

Cobalt, Nickel umfassen

9. Das magnetisches Material (3) nach einem der Ansprüche 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Material zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes im magnetischen Material (3) Neodym-Eisen-Bor umfasst.

10. Das magnetisches Material (3) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass das magnetische Material (3) Körner nicht größer als 10μηη, bevorzugt nicht größer als 7μηη umfasst.

1 1 . Ein Permanentmagnet (5) aus einem magnetischen Material (3) nach

Anspruch 1 .

12. Ein Elektromotor (6) oder Magnetlager (7) umfassend einen

Permanentmagneten (5) aus einem magnetischen Material (3) nach

Anspruch 1 .

13. Ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten nach Anspruch 1 1 mit einem magnetischen Material nach Anspruch 1 umfassend die Schritte Bereitstellen (B1 ) eines magnetischen Pulvers (1 ) umfassend ein oder mehrere Seltenerdmetalle (RE) und ein oder mehrere

Übergangsmetalle (TM) oder Übergangsmetalllegierungen (TML);

Bereitstellen (B2) von mindestens einem Nanomaterial (2), vorzugsweise umfasst das Nanomaterial Nanoröhrchen (2), besonders bevorzugt sind die Nanoröhrchen Kohlenstoffnanoröhrchen; Vermischen (VM) des magnetischen Pulvers (1 ) mit einem für die Erzielung der gewünschten magnetischen und mechanischen

Eigenschaften geeigneten Anteil an bereitgestelltem Nanomaterial (2) zur Bereitstellung des magnetischen Materials (3);

Herstellen (HV) eines Vorformlings (4) aus dem magnetischen Material (3) mittels geeigneter Mahl-, und Pressschritte (M, P), vorzugsweise zusätzlich umfassend ein oder mehrere Schmelzschritte (S); und

Sintern (Sl) des magnetischen Materials (3) mittels geeigneter Sinterschritte (Sl) zur Herstellen des Permanentmagneten (5) aus dem Vorformling (4).

14. Das Verfahren nach Anspruch 13, des Weiteren umfassend den Schritt des Mahlens (M) des magnetischen Materials (3) zur Begrenzung von

Korngrößen im magnetischen Material (3) auf kleiner 10μηη, bevorzugt auf kleiner 7μηη.

15. Das Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, des Weiteren umfassend die Schritte

Pressens (P) des magnetischen Materials (3) unter

Magnetfeldeinwirkung (MF) zur anisotropen Ausrichtung der magnetischen Momente im Vorformling (4); und

- Sintern (Sl) des Vorformlings (4) unter Schutzgas oder Vakuum bei

Temperaturen zwischen 1030°C und 1 100°C.

16. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, des Weiteren

umfassend eine Temperaturbehandlung (TB) des verdichteten magnetischen Materials (3) nach Abschluss des Sinterns (Sl) bei einer Temperatur zwischen 600°C und 900°C.