WO2016020077A1 - Anisotrop weichmagnetisches komposit-material mit hoher anisotropie der permeabilität zur unterdrückung von querfluss und dessen herstellung - Google Patents

Anisotrop weichmagnetisches komposit-material mit hoher anisotropie der permeabilität zur unterdrückung von querfluss und dessen herstellung Download PDF

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soft magnetic
magnetic composite
composite according
fibrous structures
anisotropic soft
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PCT/EP2015/060313
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Manfred Rührig
Gotthard Rieger
Rolf Vollmer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01F1/0578—Alloys characterised by their composition containing rare earth metals and magnetic transition metals, e.g. SmCo5 and IIIa elements, e.g. Nd2Fe14B in the form of particles, e.g. rapid quenched powders or ribbon flakes pressed, sintered or bonded together bonded together

Definitions

  • the present invention relates to an anisotropic soft magnetic composite according to the preamble of the main claim and a method for producing an anisotropic soft magnetic composite according to the preamble of the independent claim.
  • a composite or composite material or composite material is a material that consists of two or more bonded materials.
  • Conventional soft magnetic composite materials usually consist of iron-based spherical pressed powders. The powder particles are electrically isolated from each other to suppress eddy currents. Eddy currents are one of the main causes of loss at high frequencies. In addition to the soft magnetic composite based on transition metals are at high frequencies still soft magnetic ferrites for a ⁇ set. These have small eddy current losses due to their high electrical resistance to metals. Al ⁇ lerdings ferrites oxide and ceramic materials and have due to the high oxygen content compared to magnetic metals inherently less magnetization ⁇ tion. Since magnetization is an important factor for many applications of soft magnetic materials, the application usually requires a compromise between the required magnetic moment, for example for flux guidance, and the loss characteristics. Conventional soft magnetic composite represents a compromise.
  • It consists of highly magnetic material, such as metallic iron, which is present in particle form with diameters of several ym.
  • the iron particles are superficially oxidized or they are provided with a protective layer, so that the electrical conduction between the particles is prevented. This suppresses eddy currents, making these materials suitable for use at high frequencies.
  • By the particle shape and the magnetic layer of the magnetic see insulation filling factor of the material is disadvantageously reduced, so that the Magne ⁇ mation does not reach the level of a cast or rolled iron sheet. This compromise is reached when low eddy current losses are required during use, for example at frequencies in the kHz range.
  • the powder form results in a further disadvantage of soft magnetic composite materials. Since the magnetic flux through the electrical insulation layer can not penetrate without loss, and as a result ofdiscentkopp ⁇ ment, resulting in the boundaries of the grains of the composite, which are perpendicular to the magnetization, inevitably a stray field, for example, in an annular weichmag ⁇ composite composite composite magnetically acts as a series circuit of many small air gaps. This is also referred to as an internal or distributed air gap. In consequence of these stray fields or inner air gaps occur, as with a real air gap in a magnetic annularly closed body or core to a hindrance of the magnetization, a reduced permeability or egg ⁇ ner shearing of the magnetization curve.
  • Bauele ⁇ easy magnetization and high permeability and permeability of the core mate ⁇ rials is aimed in general. It is this compromise one only when low eddy current losses are required for the application at the same time, for example, since the device at high frequencies to be operated, where the eddy currents can occupy a major share of the Ge ⁇ berichtsburg no action is taken.
  • Countermeasures can be, for example, a lamination or the use of powder cores.
  • a conventional composite consists of highly magnetic material, for example metallic iron, and is in the form of protective layers, for example oxidation layers, having particles with diameters of several micrometers.
  • the magnetic fill factor of the conventional composite is lowered and reached Magneti ⁇ tion as compared to a sheet iron smaller.
  • a further disadvantage is that the magnetic flux causes a stray field as a result of the electrical insulation layers at the boundary surfaces of the grains of the composite perpendicular to the magnetization.
  • these stray fields act as a series connection of a plurality of small air gaps. These are also called internal or distributed air gaps.
  • In a magnetically annularly closed body or core it is like a real air gap to a ⁇ A restriction of magnetization, a decreased permeability, or to a shearing of the magnetization curve.
  • inductive electrical components in particular a slight magnetization or ei ⁇ ne high permeability of the core material is desired.
  • the aforementioned disadvantages are only accepted if low eddy current losses ⁇ are required for an application simultaneously.
  • Anisotropically soft magnetic materials are particularly suitable for effectively increasing the torque in reluctance motors.
  • ⁇ isotropic soft magnetic materials In order for these permanent magnet freewheel classes for many applications attractive, since the lamination of reluctance machines for mechanical stability reasons contains unavoidable axial braces, occurs there in common ⁇ isotropic soft magnetic materials on a transverse magnetization, which reduces the torque.
  • this transverse magnetization to be suppressed by anisotropic soft magnetic Mate rial, on the other hand to in the flow direction is to be retained ⁇ ⁇ a slight Mag netisieriana and high permeability. It is therefore desirable to have a maximum permeability difference between the flux-carrying direction and perpendicular to this.
  • NdFeB soft material although the permeability perpendicular to the light direction is very small, ⁇ 2, but the comparatively still high coercive field strength in the easy direction limits the upper permeability, so that the desired effect on the torque is limited. In terms of cost structure, the material system is subject to the same price increases as permanent magnetic NdFeB.
  • the composite should be suitable for applications at high frequencies, for example in the kHz range, and be usable in reluctance machines. It should be effectively suppressed cross flows. A torque of reluctance motors should be effectively increased. There should be a maximum permeability difference difference between and perpendicular to a flux-carrying main magnetization direction. It should be a soft magnetic
  • the object is achieved by an anisotropic soft magnetic composite having the features of the main claim and by means of ei ⁇ nes method for producing an anisotropic soft magnetic ⁇ tables composite according to the independent claim.
  • an anisotropic soft magnetic ⁇ shear composite comprising a exhibiting in an operative magnetization lines along a main direction of magnetization of magnetic material with a relatively high permeability along the main direction of magnetization and relatively small permeability perpendicular to the main direction of magnetization, wherein the composite as a pack of, in particular diameter In the ym range and in particular a length-to-width ratio of about 900 to 1100 aufwei- send, soft magnetic fiber-like or fibrous structures is formed, whose longitudinal axes are oriented in the main magnetization direction, and the structures along the longitudinal axes electrically conductive and in Levels perpendicular to the longitudinal axes against each other are electrically isolated.
  • the starting point is a magnetic material which has a main magnetization direction along which it is to be magnetized during operation.
  • this direction is tangential to an annular magnetic core or torus, parallel to the ring circumference.
  • a composite material is proposed now, on the one hand has low eddy current losses, on the other hand easily ⁇ MAG along this main direction of magnetization is netisierbar.
  • magnetization takes place along the main magnetization direction
  • eddy currents always arise when the magnetization of the magnetic material changes over time.
  • the Magnetisie ⁇ tion of the magnetic material for example, takes place in the alternating field of an electrical exciter winding.
  • the eddy currents are directed in such a way that they counteract the magnetization change, ie try to prevent them.
  • the eddy currents generate a magnetic field which is directed opposite to the exciter field, and thus has the same direction on ⁇ as a endmagnet ensuedes field.
  • the size of the We ⁇ belstromfeldes is proportional to the conductivity of the materi- as, the temporal magnetization change dM / dt, namely the frequency of the exciter field and the surface of the circle ⁇ eddy current enclosed material cross-section ( ⁇ r 2 ).
  • Circles are interrupted, which can be technically achieved, for example by means of sheet metal by means of electrical insulation layers. More efficient than sheet metal is the interruption the current paths through insulating grain boundaries, because the We ⁇ belströme can be suppressed all the more effective, the smaller the maximum possible electrical circular currents can be formed. Since the opposing fields of the eddy currents associated with the surface of the vertebrae ( ⁇ r 2) is a Verklei ⁇ beautification of the conductive areas contiguous particularly efficient. A reduction in electrical conductivity would have a positive effect also, but does this le ⁇ diglich linearly in a relationship.
  • the formation of eddy currents ultimately depends only on those circular paths which can be excited in the plane perpendicular to the main magnetization direction.
  • causes an interruption of the paths along the direction of magnetization or the main magnetization with respect to eddy currents no advantage, since in this direction no eddy currents excited ⁇ who can.
  • the interruption of the electrical paths along the direction of magnetization causes an interruption of the magnetic flux along this direction, which is disadvantageous for use in inductive components, since it leads to stray fields and to a reduction of the permeability.
  • the task is solved in that the electrical paths in the two dimensions are interrupted perpendicularly to the main direction of magnetization, but not the magnetization along the Hauptmagnetisie ⁇ approach direction.
  • a composite body which consists of a dense packing of very thin soft magnetic fiber-like structures, wherein the axes of the fiber-like structures are oriented in the direction of the main magnetization direction of the composite body.
  • the faserähnli ⁇ chen structures are against each other as far as electrically insulated so that eddy currents in the plane perpendicular to the
  • the fiber-like structures are effectively prevented, and eddy currents can be excited only within the very thin fiber ⁇ like structures.
  • the diameter In this case, the fiber-like structures should be in the range of the typical particle sizes of soft magnetic composite materials, and indeed in the range of a few ym.
  • Structures can be applied to one another similar to those used in the case of soft magnetic composite. This results in a similarly effective vortex ⁇ current suppression and a similar good high frequency behavior as in typical soft magnetic composite materials.
  • the properties of a high permeability in the flow direction or main magnetization direction, with high anisotropy perpendicular thereto, for example, low permeability of ⁇ 5, and a high saturation magnetization ⁇ tion can be provided ,
  • the torque can be increased.
  • the power can be effectively increased at high speeds. Since the magnetic flow useful a small penetration depth into the rotor has, larger hollow shafts are possible. As a result of the homogeneous field distribution are less Drehmomentwellig- ness, a lower resonant excitation and a lower Ge ⁇ noise generation in comparison with the prior art possible. It is easy to realize external rotor motors compared to flow barrier cuts.
  • an anisotropic soft magnetic composite comprising magnetically extending a relatively large permeability magnetic material along a main magnetization direction along magnetizing lines
  • Main magnetization direction and small permeability relative to the main magnetization direction wherein the composite is produced as a packing of, in particular diameter in the ym range and in particular a length to width ratio of about 900 to 1100 having soft magnetic fiber-like or fibrous structures whose Longitudinal axes are oriented in or along or parallel to the main magnetization direction and the Struktu ⁇ ren along the longitudinal axes are electrically conductive and in planes perpendicular to the longitudinal axes against each other electrically insulated.
  • the fibrous structures may be amorphous or nanocrystalline fibers and a large permeability, in particular ⁇ 300 consist, in particular magnetostriction-free, soft magnetic alloys exist.
  • anisotropy In addition to the form anisotropy, this can be combined with an intrinsic anisotropy.
  • the properties of a high relative permeability ⁇ _:> 1000 in the flow direction at the same time high anisotropy perpendicular thereto, ie low permeability of ⁇ _: ⁇ 5, and high saturation ⁇ magnetization can be met.
  • the fibrous structures can be produced by means of wires, ribbons, rods or flakes as derived therefrom networks, wall stack, Ge ⁇ braid or powder composites.
  • the diameter of the fibrous structures may be greater than one
  • the fibrous structures can be incorporated by means of sintering, hot pressing or polymer bonding in a matrix, in particular NdFeB matrix.
  • the relatively large permeability can be> 1000 and relatively small permeability ⁇ 5.
  • a parallel alignment of the fibrous structures in a magnetic field and then a filling of cavities with a filler, in particular plastic, epoxy resin or impregnating resin are performed.
  • the percentage of magnetic components in the composite can be by means of subsequent removal of the test substance or by compaction ⁇ th, in particular mechanical work can be increased.
  • the alignment can be carried out by means of extrusion and compacting by means of rolling, pressing or calendering, or by means of heat treatment.
  • the alignment can be carried out while the fibrous structures are still movable and do not interfere with each other in the rotation.
  • a pre-orientation of the fibrous structures can already be embossed prior to alignment. According to a further advantageous embodiment, the
  • the fibrous structures can be produced by means of extrusion extrusion.
  • the fiber-like structures in particular wires, can be electrically insulated from one another by means of layers applied in situ or by subsequent coating.
  • the fiber-like structures can be electrically insulated from one another in such a way that nevertheless the proportion of the non-magnetic component in the composite has been minimized.
  • Figure 1 is a first illustration of the task of the invention
  • Figure 2 is a second illustration of the task of the invention
  • Figure 3 is an illustration of a conventional embodiment
  • Figure 4 is a representation of an embodiment of the invention.
  • Figure 5 shows a first embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN composite
  • Figure 6 is another view of the first embodiment of a composite according to the invention.
  • FIG. 7 shows a further illustration of a second exemplary embodiment of a composite according to the invention
  • FIG. 8 shows a further illustration of a composite according to the invention
  • FIG. 9 shows a further illustration of an embodiment of a composite according to the invention.
  • FIG. 10 shows a further illustration of a further exemplary embodiment of a composite according to the invention
  • FIG. 11 shows a further illustration of a further exemplary embodiment of a composite according to the invention
  • FIG. 12 shows a further illustration of a further exemplary embodiment of a composite according to the invention.
  • FIG. 13 shows a further illustration of a device according to the invention
  • FIG. 14 shows a first embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN method for producing a fiction, ⁇ composite.
  • FIG. 1 shows a representation with regard to the object according to the invention. It shows a section of a sheet metal ago ⁇ conventional reluctance motor. The arrows show respective ones
  • Main magnetization directions the material Wl along these main magnetization directions to allow a d-flow.
  • the gaps W2 are to hinder a q-flow.
  • a respective main magnetization direction is with a
  • the direction of the main magnetization may also be referred to as the easy direction. This direction runs parallel to the main magnetization direction HR.
  • the direction perpendicular to the main magnetization direction HR can be referred to as the heavy direction.
  • Figure 2 shows the reluctance motor according to Figure 1 now only as a plan view.
  • the main magnetization direction or slight direction HR According to the invention should be created between a main flux guiding HR magnetization direction and perpendicular to a maximum possible permeabilization ⁇ tuschsiereunter Kunststoff.
  • FIG. 3 shows a conventional embodiment of a conventional material composition.
  • anisotropic permeability has been produced by means of high intrinsic crystal anisotropy.
  • the exemplary embodiment shows a uniaxial anisotropy in a NdFeW soft magnetic material.
  • the heavy direction is shown as ⁇ vertical.
  • the easy direction is shown in parallel with ⁇ .
  • FIG. 4 shows a representation with regard to an embodiment of an anisotropic soft magnetic composite according to the invention.
  • the internal and shape anisotropy according to the prior art is further developed by a targeted improvement of the shape anisotropy.
  • Figure 4 shows an embodiment based on soft magnetic bands. The light direction is parallel to ⁇ and the heavy direction is indicated by ⁇ vertical.
  • the formula H a
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of a composite according to the invention.
  • the composite 1 has a plurality of fiber-like or fibrous structures, which are wires 5 according to this embodiment. These wires 5 are soft magnetic microwires, which are longitudinally aligned according to this Ausure ⁇ tion. The alignment takes place in or parallel to the main magnetization direction HR.
  • the required anisotropy is created by means of the shape of the fiber-like or fibrous structures.
  • a combination with an intrinsic anisotropy can take place.
  • Such a combination occurs when the oriented fiber-like structures, in the form of wires, tapes, rods or platelets and nets derived therefrom, tape stacks or powder components, are formed as high Fe-containing compounds.
  • the shape anisotropy according to the invention can advantageously be combined with the intrinsic anisotropy in high-Fe alloys and intermetallic compounds according to the prior art outside the rare earth compounds with a rare earth content> 25 wt%.
  • Entropy to average crystal-aniso- can be effected in Fe by adding boron and / or carbon more additional low egg ⁇ ne.
  • the fourth additional impressed anisotropically ⁇ pie a so-called induced anisotropy can also be imprinted.
  • induced anisotropies for wires 5 or bands can be induced thermally, magnetically, by means of pressure or temperature.
  • the material of the fiber-like structures has a small intrinsic coercive field strength. This is effected by the diameter of the fiber-like structures 3, which may be wires 5, being significantly larger than the diameter of the single-domain. In addition, the movement of domains should not be excreted, so-called Pinning centers, to be hindered in the material. The intrinsi ⁇ rule anisotropy in the material should be as small as possible. These properties should be optimally permeable amorphous or nano-crystalline fiber-like structures made of high-3, for example, magnetostriction, soft magnetic alloys having several microns in diameter and a length / width ratio of about 1000 very good ⁇ it fills.
  • an inventive composite 1 results in a lower permeability level of about 5.
  • the additional Ausbil ⁇ dung a macroscopic or partially intrinsic shape anisotropy by means such as rods or plates, can now be chosen such that a lower permeability level in the heavy direction from yr ⁇ 5 can be adjusted. Since the Koerzitivfeider in the main direction of magnetization HR and flow direction can be set comparatively low, an upper permeability in facilitated ⁇ ter direction> 1000 is attainable which is beyond a limiting for the application-area. Due to the high saturation magnetization of Fe-rich compounds, the combination with material systems of lower saturation magnetization but high average anisotropy is also possible.
  • FIG. 6 shows the exemplary embodiment according to FIG.
  • FIG. 6 shows on the right side a cross section through a wire 5 or a micro-wire, an electrically insulating layer or a covering 7 having a soft-magnetic core 9 or micro-core.
  • Figure 7 shows a further embodiment of an OF INVENTION ⁇ to the invention anisotropic soft magnetic composite 1.
  • the wires 5, or micro-wires are aligned in a circumferential direction.
  • FIG. 7 shows that the magnetic material of FIG. NEN annular or toroidal body forms and the
  • FIG. 8 shows a representation with regard to a composite 1 according to the invention, in which case an internal or induced magnetic anisotropy of Fe systems is used in addition to the shape anisotropy.
  • the right- value axis represents a dominant field in kA / m.
  • the high-value axis describes a flux density.
  • FIG. 8 shows the
  • Hysteresis loops measured at 1 kHz for a) Cu 89 r 7 B 4 ;
  • H a had a value of ⁇ 40 kA / m.
  • pressure, temperature and magnetic field strength induced magnetic anisotropically ⁇ pie.
  • the internal anisotropy is generated by means of the Fe systems.
  • Figure 9 shows an embodiment of a composite 1 according to the invention, in which Fe 3 B is used and seen by means of the combi nation ⁇ with the shape anisotropy to an average intrinsic anisotropy system executes. According to this system, H a ⁇ 630 kA / m.
  • Figure 10 shows a further embodiment of a composite OF INVENTION ⁇ to the invention 1.
  • the shape anisotropy of the invention is combined and generated entspre ⁇ sponding mean intrinsic anisotropy systems.
  • Fi gur ⁇ 10 shows the use of Sm2FeC.
  • Figure 10 shows the magnetization curves of directional Sm 2 Fei 7 C x powder samples obtained parallel and perpendicular to the orientation of the magnetic field at room temperature. H a ⁇ 1300 kA / m, for C 0.25.
  • Figure 11 shows a further embodiment of a composite 1. OF INVENTION ⁇ to the invention this purpose, the shape anisotropy is generated for example by means of a coiled wire.
  • the intrinsic anisotropy is provided, for example, by Fe-B or Fe-C.
  • a wire mesh is used which is unidirectional and Fe-based.
  • a Ha (total) 1160 kA / m results.
  • Bs 1.62 T
  • a yr 2.1 in the heavy direction and since Hc ⁇ 4.2 kA / m a yr> 300 results in the easy direction.
  • Figure 12 shows a further embodiment of a composite OF INVENTION ⁇ to the invention 1.
  • Figure 13 shows a further embodiment of a composite OF INVENTION ⁇ to the invention 1.
  • This anisotropic soft magnetic composite 1 is incorporated in a reluctance motor.
  • the rods 11 according to FIG. 12 are arranged along an optimum flow guidance.
  • the disadvantageous features of the conventional compound NdFeB be softened by the herein described Fe-based systematic me in accordance with the Figures 5, 6, 7, 11, 12 and 13 with the Kombina ⁇ tion high saturation magnetization, average crystal anisotropy or induced anisotropy and Corrected combination with form anisotropy.
  • the anisotropy field in the heavy direction can be adjusted in a targeted manner by addition of shape anisotropy.
  • Figure 14 shows an embodiment of an inventive ⁇ SEN method for producing an anisotropic weichmagne- tables composite 1.
  • a first step Sl he ⁇ follows generating the fibrous structures as fibers, wires, strips, rods or platelets. These can form nets, band stacks, braids or powder composites.
  • the fibrous structures are produced by melt extrusion.
  • a further step S2 a parallel alignment of the fibrous structures in a magnetic field and then filling of cavities by means of a filler, in particular plastic, Epoxy resin or impregnating resin.
  • the proportion of the magnetic component in the composite is increased by subsequent removal of the filler or by compacting, in particular mechanical pressing.
  • arranging in the most dense packages possible to achieve the highest possible magnetization along the main magnetization can be achieved. This can be achieved, for example, by aligning the fibers in parallel in a magnetic field and then impregnating the cavities with plastic / epoxy resin and the like. be achieved.
  • the orientation and densification can be improved by common methods such as mechanical working such as rolling, directional pressing, calendering or the like and by the influence of heat.
  • a soft magnetic ⁇ specific wires / fibers or fiber-like structures are preferably used by "melt extrusion" or melt extrusion made fibers.
  • the electrical insulation can by applied in situ, for example glass layers, or by subsequent coating, for example by means of SAMs? Be achieved.
  • the insulation coating is only made so thick that an effective suppression of the eddy currents is achieved, but on the other hand the proportion of the non-magnetic component in the composite material or composite material is as low as possible
  • Fibers with suitable fillers for example polymers or impregnating resins, in combination with methods for aligning the fiber-like structures, for example by means of extrusion molding closing appropriate removal of the fillers, which is a binder removal analogous to MiM / Catamold under ⁇ supported by mechanical working, for example pressing, be increased to the extent that the non-magnetic fraction is just still so large as or electrical insulation of the fiber ⁇ like structures To ensure fibers safely.
  • the orientation of the fiber-like structures or fibers can be improved by magnetic fields, as long as the fibers are still mobile and they do not interfere with each other in a Ro ⁇ tion. Due to the magnetic field, the fiber-like structures will preferentially orient themselves along the field lines. By means of a suitable production process, a certain pre-alignment can already be introduced, so that the orientation in the magnetic field is possible by means of relatively small rotational movements / reorientations. In toroidal soft magnetic cores or rings / cores, the Vororientie- tion could, for example, carried out by means of a centrifuge ⁇ the. In the case of laminar composites by layerwise application of the fiber / filler mixtures, for example by means of doctoring.
  • the invention relates to an anisotropic soft magnetic
  • Composite (1) comprising a magnetization in an operating ⁇ lines along a main direction of magnetization (HR) exhibiting magnetic material having a relatively large Permeabi ⁇ formality number along the main direction of magnetisation and relative permeability less perpendicular to the main direction of magnetization, wherein
  • the composite is formed as a packing of, in particular diameter in the micrometer range and in particular a length-to-width ratio of approximately 900 to 1100, weichmagneti see fiber-like structures (3) whose
  • Longitudinal axes are oriented in the direction of the main magnetization direction, and the fiber-like structures along the longitudinal axes are electrically conductive and in planes perpendicular to the longitudinal axes against each other electrically insulated.
  • the combination with an intrinsic (crystallographic) anisotropy may be necessary or useful for the formation of a sufficiently small permeability in the vertical direction.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen anisotropen weichmagnetischen Komposit (1) aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung (HR) aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabilitätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und relativ kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im Mikrometerbereich und insbesondere ein Länge-zu-Breite- Verhältnis von circa 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagnetischen faserähnlichen Strukturen (3) ausgebildet ist, deren Längsachsen in Richtung der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind, und die faserähnlichen Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Kombination mit einer intrinsischen ( kristallographischen) Anisotropie kann für die Ausbildung einer genügend kleinen Permeabilität in senkrechter Richtung notwendig bzw. nützlich sein.

Description

Beschreibung
Anisotrop weichmagnetisches Komposit-Material mit hoher Ani¬ sotropie der Permeabilität zur Unterdrückung von Querfluss und dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen anisotropen weichmagnetischen Komposit gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs .
Ein Komposit oder Kompositwerkstoff oder Verbundwerkstoff ist ein Werkstoff, der aus zwei oder mehr verbundenen Materialien besteht .
Herkömmliche weichmagnetische Komposit-Materialien bestehen aus meist Eisen-basierten kugelförmigen gepressten Pulvern. Die Pulverteilchen sind gegeneinander elektrisch isoliert, um Wirbelströme zu unterdrücken. Wirbelströme sind eine der Hauptverlustursachen bei hohen Frequenzen. Neben dem weichmagnetischen Komposit auf Basis von Übergangsmetallen kommen bei hohen Frequenzen noch weichmagnetische Ferrite zum Ein¬ satz. Diese weisen aufgrund ihres hohen elektrischen Widerstands gegenüber Metallen kleine Wirbelstromverluste auf. Al¬ lerdings sind Ferrite oxidische und keramische Materialien und besitzen wegen des hohen Sauerstoffanteils im Vergleich zu magnetischen Metallen inhärent eine geringere Magnetisie¬ rung. Da die Magnetisierung für viele Anwendungen von weichmagnetischen Materialien eine wichtige Größe darstellt, muss man in der Anwendung in der Regel auf einen Kompromiss zwischen benötigtem magnetischem Moment, und zwar beispielsweise zur Flussführung, und den Verlusteigenschaften eingehen. Herkömmliche weichmagnetischer Komposit stellt einen Kompromiss dar. Er besteht aus hochmagnetischem Material, beispielsweise metallischen Eisen, das in Partikelform mit Durchmessern von mehreren ym vorliegt. Die Eisenpartikel sind oberflächlich oxidiert bzw. werden diese mit einer Schutzschicht versehen, so dass die elektrische Leitung zwischen den Partikeln unterbunden wird. Dadurch werden Wirbelströme unterdrückt, was diese Materialien für die Anwendung bei hohen Frequenzen geeignet macht. Durch die Partikelform und durch die magneti- sehe Isolationsschicht wird der magnetische Füllfaktor des Materials nachteiliger Weise verkleinert, so dass die Magne¬ tisierung nicht das Niveau eines gegossenen oder gewalzten Eisenblechs erreicht. Diesen Kompromiss geht man ein, wenn die geringen Wirbelstromverluste bei der Anwendung, bei- spielsweise bei Frequenzen im kHz-Bereich gefordert sind.
Durch die Pulverform ergibt sich ein weiterer Nachteil der softmagnetischen Komposit-Materialien . Da der magnetische Fluss durch die elektrische Isolationsschicht nicht verlust- frei dringen kann, und zwar in Folge der Austauschentkopp¬ lung, ergibt sich an den Grenzen der Körner des Komposites, die senkrecht zur Magnetisierung liegen, zwangsläufig ein Streufeld, das beispielsweise in einem ringförmigen weichmag¬ netischen Komposit-Verbundkörper magnetisch wie eine Serien- Schaltung von vielen kleinen Luftspalten wirkt. Man spricht hier ebenso von einem inneren bzw. verteilten Luftspalt. In Folge dieser Streufelder bzw. inneren Luftspalten kommt es, wie bei einem echten Luftspalt, in einem magnetisch ringförmig geschlossenen Körper oder Kern zu einer Behinderung der Magnetisierbarkeit, einer verringerten Permeabilität bzw. ei¬ ner Scherung der Magnetisierungskurve. In induktiven Bauele¬ menten wird in der Regel eine leichte Magnetisierbarkeit bzw. eine hohe Permeabilität bzw. Permeabilitätszahl des Kernmate¬ rials angestrebt. Man geht diesen Kompromiss lediglich dann ein, wenn für die Anwendung gleichzeitig geringe Wirbelstromverluste gefordert sind, beispielsweise da das Bauelement bei hohen Frequenzen betrieben werden soll, wo die Wirbelströme ohne entsprechende Gegenmaßnahmen einen Hauptanteil am Ge¬ samtverlust einnehmen können. Gegenmaßnahmen können bei- spielsweise eine Blechung oder die Verwendung von Pulverkernen sein. Ein herkömmlicher Komposit besteht aus hochmagnetischem Material, beispielsweise metallischem Eisen, und liegt in Form von Schutzschichten, beispielsweise Oxydationsschichten, aufweisenden Partikeln mit Durchmessern von mehreren Mikrometern vor. Nachteiliger Weise ist der magnetische Füllfaktor des herkömmlichen Komposits erniedrigt und die erreichte Magneti¬ sierung im Vergleich zu einem Eisenblech kleiner. Ein weiterer Nachteil ist, dass der magnetische Fluss infolge der elektrischen Isolationsschichten an den Grenzflächen der Kör- ner des Komposits senkrecht zur Magnetisierung ein Streufeld bewirkt. Beispielsweise bei einem ringförmigen weichmagneti¬ schen Kompositkörper wirken diese Streufelder wie eine Serienschaltung einer Vielzahl von kleinen Luftspalten. Diese werden ebenso als innere oder verteilte Luftspalte bezeich- net. In einem magnetisch ringförmig geschlossenen Körper oder Kern kommt es wie bei einem echten Luftspalt zu einer Ein¬ schränkung der Magnetisierbarkeit, einer verringerten Permeabilitätszahl beziehungsweise zu einer Scherung der Magnetisierungskurve. In induktiven elektrischen Bauelementen wird insbesondere eine leichte Magnetisierung beziehungsweise ei¬ ne hohe Permeabilitätszahl des Kernmaterials angestrebt. Die vorstehend genannten Nachteile werden lediglich dann akzeptiert, wenn für eine Anwendung gleichzeitig geringe Wirbel¬ stromverluste gefordert sind.
Anisotrop weichmagnetische Materialien sind dazu geeignet, insbesondere das Drehmoment in Reluktanzmotoren wirksam zu steigern. Damit wird diese Permanentmagnet-Freimotorklassen für viele Anwendungen attraktiv, da der Blechschnitt von Reluktanzmaschinen aus mechanischen Stabilitätsgründen unvermeidliche axiale Verstrebungen enthält, tritt dort in gängi¬ gen Isotropen-Weichmagnetwerkstoffen eine Quermagnetisierung auf, die das Drehmoment reduziert. Einerseits soll diese Quermagnetisierung durch anisotropes weichmagnetisches Mate- rial unterdrückt werden, andererseits soll eine leichte Mag¬ netisierbarkeit und hohe Permeabilität in Flussrichtung er¬ halten bleiben. Wünschenswert ist daher, ein maximaler Permeabilitätsunterschied zwischen flussführender Richtung und senkrecht zu dieser. In der Zeit verfügbaren Materialien, wie es beispielsweise NdFeB-weich ist, ist einerseits die obere erreichbare Permeabilität bei <100 begrenzt, andererseits wird eine maximale Magnetisierung von ca. 1,5 T erreicht. Da- durch wird der Effekt nur ungenügend ausgebildet. Weiterhin sind die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Verbindung eingeschränkt, sowie die herstellbedingte Formgebung begrenzt . Intern bekannter Stand der Technik sind magnetisch hoch anisotrope NdFeB-Verbindungen, die durch spezielle Prozessführung in der sogenannten uniaxialen leichten Richtung eine Koerzitivfeidstärke aufweisen, die in realen Flussführungs- Geometrieen nicht zu ausgeprägt dauermagnetischem Verhalten führen. In NdFeB-weichem Material ist zwar die Permeabilität senkrecht zur leichten Richtung sehr gering, und zwar <2, jedoch begrenzt die vergleichsweise immer noch hohe Koerzitiv- feldstärke in der leichten Richtung die obere Permeabilität, so dass der gewünschte Effekt auf das Drehmoment begrenzt ist. Bezüglich der Kostenstruktur ist das Materialsystem den gleichen Preissteigerungen wie dauermagnetisches NdFeB unterworfen .
Herkömmlicherweise wird ein Permeabilitätsunterschied in so- genannter schwerer Richtung zu leichter Richtung lediglich ungenügend erreicht. In Folge einer sehr hohen einachsigen Anisotropie der intermetallischen Verbindung NdFeB lässt sich die Permeabilität in leichter Richtung lediglich kaum steigern, da die Ummagnetisierung erst durch eine Keimbildung mit anschließender spontaner Rotation erreicht wird. Gleichzeitig ist die Sättigungsinduktion von NdFeB-weich begrenzt, und liegt deutlich unterhalb der von herkömmlicherweise einge¬ setztem FeSi-Blech. Weichmagnetische Komposit-Materialien, die aus gegenseitig elektrisch isolierten Körnern auf der Mikrometer-Skala bestehen, sind deshalb bei hohen Frequenzen geblechten Körpern deutlich überlegen, weil Bleche in Dimensionen unter 100 ym lediglich sehr aufwendig herstellbar sind. Diese sind deshalb kaum verfügbar bzw. sehr teuer. Sieht man von laminierten amorphen Bandkernen ab, deren typische Banddicke aber auf ca. 25 ym begrenzt ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen weichmagnetischen Komposit herzustellen, der für einen Betrieb in eine Hauptmagnetisierungsrichtung wirksam magnetisierbar ist und geringe Wirbelstromverluste aufweist. Der Komposit soll sich für Anwendungen bei hohen Frequenzen, beispielsweise im kHz- Bereich, eignen und in Reluktanzmaschinen verwendbar sein. Es sollen Querflüsse wirksam unterdrückt werden. Ein Drehmoment von Reluktanzmotoren soll wirksam vergrößert werden. Es soll ein maximaler Permeabilitätszahlsunterschied zwischen einer Fluss führenden Hauptmagnetisierungsrichtung und senkrecht zu dieser geschaffen sein. Es soll ein weichmagnetischer
Komposit vorgeschlagen werden, der gegenüber herkömmlichen weichmagnetischen Komposit-Materialien in eine Richtung eine verbesserte Magnetisierbarkeit aufweist.
Die Aufgabe wird durch einen anisotropen weichmagnetischen Komposit mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und mittels ei¬ nes Verfahrens zur Herstellung eines anisotropen weichmagne¬ tischen Komposits gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein anisotroper weichmagneti¬ scher Komposit vorgeschlagen, aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabilitätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und relativ kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im ym-Bereich und insbesondere eine Länge-zu-Breite-Verhältnis von ca. 900 bis 1100 aufwei- senden, weichmagnetischen faserähnlichen beziehungsweise faserartigen Strukturen ausgebildet ist, deren Längsachsen in der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind, und die Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Ausgangspunkt ist ein magnetisches Material, das eine Haupt- magnetisierungsrichtung aufweist, entlang derer es im Betrieb magnetisiert werden soll. Beispielsweise liegt diese Richtung bei einem ringförmigen Magnetkern oder Torus tangential, parallel zum Ringumfang. Erfindungsgemäß wird nun ein Verbundmaterial vorgeschlagen, das einerseits geringe Wirbelstromverluste aufweist, anderer¬ seits leicht entlang dieser Hauptmagnetisierungsrichtung mag- netisierbar ist. Im Betrieb, bei dem eine Magnetisierung entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung erfolgt, entstehen Wir- beiströme immer dann, wenn sich die Magnetisierung des Magnetmaterials zeitlich ändert. Dabei erfolgt die Magnetisie¬ rung des Magnetmaterials beispielsweise im Wechselfeld einer elektrischen Erreger-Wicklung. Dabei sind die Wirbelströme so gerichtet, dass sie der Magnetisierungsänderung entgegen wir- ken, diese also zu verhindern versuchen. Phänomenologisch erzeugen die Wirbelströme ein Magnetfeld, das dem Erregerfeld entgegen gerichtet ist, und somit die gleiche Richtung auf¬ weist, wie ein endmagnetisierendes Feld. Die Größe des Wir¬ belstromfeldes ist proportional zur Leitfähigkeit des Materi- als, zur zeitlichen Magnetisierungsänderung dM/dt, und zwar zur Frequenz des Erreger-Feldes und zur Fläche des vom kreis¬ förmigen Wirbelstrom umschlossenen Material-Querschnitts (~r2). Wie mit jedem Strom sind auch mit Wirbelströmen Verluste verbunden, so dass Wirbelströme unerwünscht sind.
Die Wirbelströme fließen kreisförmig im Abschnitt r um die gedachten Magnetisierungslinien. Um die kreisförmigen Wirbel bzw. Wirbelströme zu unterbinden um die damit verbundenen Verluste und das entstehende Gegenfeld möglichst gering zu halten, muss die elektrische Leitfähigkeit entlang dieser
Kreise unterbrochen werden, was man technisch beispielsweise mittels Blechung mittels elektrischen Isolationsschichten erreichen kann. Effizienter als Blechung ist das Unterbrechen der Strompfade durch isolierende Korngrenzen, weil die Wir¬ belströme umso wirkungsvoller unterdrückt werden können, je kleiner die maximal möglichen elektrischen Kreisströme gebildet werden können. Da die Gegenfelder der Wirbelströme mit der Fläche der Wirbel zusammenhängen (~r2) ist eine Verklei¬ nerung der leitfähigen zusammenhängenden Gebiete besonders effizient. Eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit hätte ebenfalls einen positiven Effekt, jedoch geht diese le¬ diglich linear in die Beziehung ein.
Bei allen Materialien kommt es bei der Bildung von Wirbelströmen letztendlich lediglich auf diejenigen Kreispfade an, die in der Ebene senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung angeregt werden können. Dagegen bewirkt eine Unterbrechung der Pfade entlang der Magnetisierungsrichtung bzw. der Hauptmagnetisierungsrichtung in Bezug auf Wirbelströme keine Vorteile, da in dieser Richtung keine Wirbelströme angeregt wer¬ den können. Die Unterbrechung der elektrischen Pfade entlang der Magnetisierungsrichtung bewirkt allerding eine Unterbre- chung des Magnetflusses entlang dieser Richtung, was für die Anwendung in induktiven Bauelementen nachteilig ist, da es zu Streufeldern und zu einer Verringerung der Permeabilität führt . Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nun dahingehend gelöst, dass die elektrischen Pfade in den beiden Dimensionen senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung unterbrochen werden, nicht jedoch die Magnetisierbarkeit entlang der Hauptmagnetisie¬ rungsrichtung. Dazu wird ein Verbundkörper vorgeschlagen, der aus einer dichten Packung sehr dünner weichmagnetischer faserähnlicher Strukturen besteht, wobei die Achsen der faserähnlichen Strukturen in Richtung der Hauptmagnetisierungsrichtung des Verbundkörpers orientiert sind. Die faserähnli¬ chen Strukturen sind dabei gegeneinander soweit elektrisch isoliert, dass Wirbelströme in der Ebene senkrecht zu den
Achsen der faserähnlichen Strukturen wirksam unterbunden werden, und Wirbelströme lediglich innerhalb der sehr dünnen fa¬ serähnlichen Strukturen angeregt werden können. Der Durchmes- ser der faserähnlichen Strukturen soll dabei im Bereich der typischen Korngrößen von weichmagnetischen Komposit- Materialien, und zwar im Bereich von wenigen ym liegen. Zur elektrischen Isolierung der elektrischen faserähnlichen
Strukturen gegeneinander können ähnliche Verfahren angewendet werden, wie sie auch bei weichmagnetischen Komposit verwendet werden. Somit ergeben sich eine ähnlich effektive Wirbel¬ stromunterdrückung und ein ähnlich gutes Hochfrequenzverhalten wie bei typischen weichmagnetischen Komposit-Materialien .
Dadurch, dass der erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbundkör¬ per bzw. Komposit aus ausgedehnten faserähnlichen Strukturen in Richtung der Hauptmagnetisierungsrichtung besteht, ist die Magnetisierbarkeit entlang dieser Richtung nicht mehr durch Korngrenzen behindert. Durch die - von den Enden der faserähnlichen Strukturen - fehlenden Korngrenzen entlang dieser Richtung, ergibt sich ein sehr kleiner innerer Entmagnetisie- rungsfaktor und die Permeabilität entlang dieser Hauptmagne¬ tisierungsrichtung wird nicht behindert. Dies wird dadurch unterstützt, dass das Material eine kleine intrinsische Koer- zitivfeidstärke aufweist.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Materialaufbau eines Komposits, der eine geeignete Form an Isotropie aufweist, können die Eigenschaften einer hohen Permeabilität in Flussrichtung bzw. Hauptmagnetisierungsrichtung, bei gleichzeitig hoher Anisotropie senkrecht dazu, beispielsweise geringer Permeabilitätszahl von <5, sowie eine hohe Sättigungsmagneti¬ sierung bereitgestellt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Materialsystem kann als Folge des Permeabilitätsunterschiedes im Reluktanzmaschinen folgende Vorteile bewirkt werden. Durch die höhere Differenz der
Induktivitäten in der Längsachse und der Querachse kann das Drehmoment erhöht werden. Durch eine höhere Drehzahlfestig¬ keit und ein geringes absolutes Induktivitätsniveau kann die Leistung bei hohen Drehzahlen wirksam erhöht werden. Da der magnetische Nutzfluss eine geringe Eindringtiefe in den Rotor hat, werden größere Hohlwellen möglich. In Folge der homogenen Feldverteilung werden eine geringere Drehmomentwellig- keit, eine geringere Schwinganregung und eine geringere Ge¬ räuschentwicklung im Vergleich zum Stand der Technik möglich. Es sind gegenüber Flusssperrenschnitten leicht Außenläufermotoren zu realisieren.
Zur Verkleinerung von in Form von Kreisen um die Magnetisierungslinien fließenden Wirbelströmen entlang der Kreise in Ebenen senkrecht zu der Hauptmagnetisierungsrichtung werden die zusammenhängenden leitfähigen Gebiete minimal ausgebildet und die Magnetisierbarkeit entlang der Hauptmagnetisierungs¬ richtung zumindest aufrecht zu erhalten. Dies wird mittels Formanisotropie geschaffen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits vorgeschlagen aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabiliätszahl entlang der
Hauptmagnetisierungsrichtung und kleiner Permeabilitätszahl relativ senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im ym-Bereich und insbesondere ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von ca. 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagnetischen faserähnlichen beziehungsweise faserartigen Strukturen erzeugt wird, deren Längsachsen in oder entlang oder parallel zu der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind und die Struktu¬ ren entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen amorphe oder nanokristalline Fasern sein und aus eine große Permeabilitätszahl, insbesondere <300 aufweisenden, insbesondere magnetostriktionsfreien, weichmagnetischen Legierungen bestehen.
Zusätzlich zu der Formanisotropie kann diese mit einer in- trinsischen Anisotropie kombiniert werden. Mit dem vorge¬ schlagenen Materialaufbau eines Komposits, dass eine geeigne¬ te Kombination von Formanisotropie und intrinsischer Anisot¬ ropie aufweist (z.B. Parallelität von geometrisch langer und kristallographisch leichter Achse) , können die Eigenschaften einer hohen Permeabilitätszahl μ_:>1000 in der Flussrichtung bei gleichzeitig hoher Anisotropie senkrecht dazu, das heißt geringer Permeabilitätszahl von μ_:<5, sowie hoher Sättigungs¬ magnetisierung erfüllt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können thermisch, magnetische oder mittels Verdichten zusätzliche
Anisotropien in das Material eingebracht werden. Zusätzlich zu der Form-Anistropie und der intrinsischen Anisotropie kön¬ nen thermisch, mittels Magnetfeld oder Druck oder Temperatur weitere sogenannte induzierte Anisotropien in die faserähnli¬ chen bzw. faserartigen Strukturen einbringen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen mittels Drähten, Bänder, Stäbchen oder Blättchen als daraus abgeleitete Netze, Wandstapel, Ge¬ flechte oder Pulver-Komposite erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Durchmesser der faserartigen Strukturen größer als ein
Eindomänendurchmesser sein und die Bewegung von Domänen sollte durch Ausscheidungen im Material nicht behindert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können zur Erzeugung einer mittleren Kristallanisotropie Legierungen mit einem Fe-Anteil, insbesondere zwischen 50 und 90 wt% aufwei¬ sen, wobei mindestens ein additiv, insbesondere Bor oder Koh¬ lenstoff, hinzugefügt sein kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen mittels Sintern, Heißpressen oder Polymerbinden in eine Matrix, insbesondere NdFeB-Matrix, eingearbeitet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die relativ große Permeabilitätszahl >1000 und relativ kleine Permeabilitätszahl < 5 sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein paralleles Ausrichten der faserartigen Strukturen in einem Magnetfeld und anschließend ein Füllen von Hohlräumen mit einem Füllstoff, insbesondere Kunststoff, Epoxidharz oder Tränkharz ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Anteil der magnetischen Komponenten im Komposit mittels anschließenden Entfernens des Prüfstoffs oder mittels Verdich¬ ten, insbesondere mechanischen Arbeiten, vergrößert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Ausrichten mittels Strangpressen und das Verdichten mittels Walzen, Pressen oder Kalandrieren, oder mittels Wärmebehandeln ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Ausrichten ausgeführt werden, während die faserartigen Strukturen noch beweglich sind und sich nicht gegenseitig in der Rotation behindern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vor dem Ausrichten bereits eine Vororientierung der faserartigen Strukturen eingeprägt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die
Vororientierung mittels einer Zentrifuge oder mittels Rakeln ausgeführt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen mittels Schmelzen Extrusion erzeugt werden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen, insbesondere Drähte mittels in situ aufgebrachten Schichten oder mittels nachträglichen Beschichtens gegeneinander elektrisch isoliert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die faserartigen Strukturen derart gegeneinander elektrisch isoliert werden, dass der Anteil der unmagnetischen Komponente im Komposit trotzdem minimal ausgebildet wurde.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Darstellung zur erfindungsgemäßen Aufgabe ;
Figur 2 eine zweite Darstellung zur erfindungsgemäßen Aufgabe ;
Figur 3 eine Darstellung zu einem herkömmlichen Ausführungsbeispiel;
Figur 4 eine Darstellung zu einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
Figur 5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen Komposits;
Figur 6 eine weitere Ansicht zum ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits;
Figur 7 eine weitere Darstellung zu einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits; Figur 8 eine weitere Darstellung zu einem erfindungsgemäßen Komposit ;
Figur 9 eine weitere Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Komposits;
Figur 10 eine weitere Darstellung zu einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits; Figur 11 eine weitere Darstellung zu einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits;
Figur 12 eine weitere Darstellung zu einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits;
Figur 13 eine weitere Darstellung eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels eines Komposits gemäß Figur 12; Figur 14 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungs¬ gemäßen Komposits.
Figur 1 zeigt eine Darstellung hinsichtlich der erfindungsge- mäßen Aufgabe. Dargestellt ist ein Blechschnitt eines her¬ kömmlichen Reluktanzmotors. Die Pfeile zeigen jeweilige
Hauptmagnetisierungsrichtungen, das Material Wl entlang dieser Hauptmagnetisierungsrichtungen einen d-Fluss ermöglichen soll. Dagegen sollen die Lücken W2 einen q-Fluss behindern. Eine jeweilige Hauptmagnetisierungsrichtung ist mit einem
Pfeil HR gekennzeichnet. Die Richtung der Hauptmagnetisierung kann ebenso als leichte Richtung bezeichnet werden. Diese Richtung verläuft parallel zur Hauptmagnetisierungsrichtung HR. Die Richtung senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung HR kann als schwere Richtung bezeichnet werden.
Figur 2 zeigt den Reluktanzmotor gemäß Figur 1 nun lediglich als Draufsicht. Ebenso hier ist die Hauptmagnetisierungsrich- tung bzw. leichte Richtung HR dargestellt. Erfindungsgemäß soll zwischen einer flussführenden Hauptmagnetisierungsrichtung HR und senkrecht dazu ein maximal möglicher Permeabili¬ tätszahlunterschied geschaffen sein.
Figur 3 zeigt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Materialzusammensetzung. Herkömmlicherweise wurde mittels einer hohen intrinsischen Kristall-Anisotropie eine anisotrope Permeabilität erzeugt. Das Ausführungsbei- spiel zeigt eine uniaxiale Anisotropie bei einem NdFeW- weichmagnetischen Material. Hierzu ist die schwere Richtung als μ senkrecht dargestellt. Die leichte Richtung ist mit μ parallel dargestellt. Herkömmlicherweise kann beispielsweise in der schweren Richtung eine Permeabilitätszahl μr = 1,26 bereitgestellt werden. Die relative Permeabilitätszahl in der schweren Richtung weist mit dem hier verwendeten Material, das ein anisotrop-weichmagnetisches Material ist, von μr = 60 auf . Figur 4 zeigt eine Darstellung hinsichtlich einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen anisotropen weichmagnetischen Komposits. Die innere und Form-Anisotropie gemäß dem Stand der Technik wird durch eine gezielte Verbesserung der Form-Anisotropie weiterentwickelt. Es werden faserähnliche Strukturen, wie es beispielsweise Drähte, Bänder oder Plätt¬ chen sind, verwendet, so dass mittels deren Form eine maxima¬ le Anisotropie erzeugt werden kann. Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel auf der Grundlage weichmagnetischer Bänder. Die leichte Richtung ist mit μ parallel und die schwere Richtung ist mit μ senkrecht angegeben. Es gilt die Formel Ha =
Ι/μο'Ν-Js. Bei Verwendung von Eisen ist Hamax ~ 1600 kA/m oder μr = 2. Weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beruhen auf der Verwendung von a) eines NiFe Nanodraht-Feldes oder Arrays, wobei Ha = 530 kA/m und daraus μΓ = 4 resultiert, b) mit einem Stapel von nanokristallinen Bändern, wobei ein Ha = 200 erhalten wird und daraus yr = 6 resultiert.
Figur 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Komposits. Der Komposit 1 weist eine Vielzahl von faserähnlichen oder faserartigen Strukturen auf, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel Drähte 5 sind. Diese Drähte 5 sind weichmagnetische Mikrodrähte, die gemäß diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel länglich ausgerichtet sind. Die Ausrichtung er- folgt im oder parallel zur Hauptmagnetisierungsrichtung HR. Erfindungsgemäß wird die geforderte Anisotropie mittels der Form der faserähnlichen bzw. faserartigen Strukturen geschaffen. Erfindungsgemäß kann zusätzlich eine Kombination mit einer intrinsischen Anisotropie erfolgen. Eine derartige Kombi- nation erfolgt, wenn die gerichteten faserähnlichen Strukturen, in Form von Drähten, Bändern, Stäbchen oder Plättchen und daraus abgeleiteten Netzen, Bandstapeln oder Pulver- Komponenten aufgebaut sind, als hoch-Fe-haltige Verbindungen erzeugt sind. Die erfindungsgemäße Form-Anisotropie kann vor- teilhaft mit der intrinsischen Anisotropie in hoch-Fe-halti- gen Legierungen und intermetallischen Verbindungen nach dem Stand der Technik außerhalb der seltenerdhaltigen Verbindungen mit einem Seltenerd-Anteil >25 wt% kombiniert werden. Ei¬ ne weitere zusätzliche geringe bis mittlere Kristall-Aniso- tropie kann in Fe mittels Zugabe von Bor und/oder Kohlenstoff bewirkt werden. Als vierte zusätzliche eingeprägte Anisotro¬ pie kann eine sogenannte induzierte Anisotropie zusätzlich eingeprägt werden. Beispielsweise lassen sich für Drähte 5 oder Bänder induzierte Anisotropien thermisch, magnetisch, mittels Druck oder Temperatur einbringen.
Besonders vorteilhaft weist das Material der faserähnlichen Strukturen eine kleine intrinsische Koerzitivfeidstärke auf. Dies wird dadurch bewirkt, dass der Durchmesser der faserähn- liehen Strukturen 3, die Drähte 5 sein können, deutlich größer als der Eindomänendurchmesser ist. Zusätzlich sollte die Bewegung von Domänen nicht durch Ausscheidungen, sogenannter Pinning Zentren, im Material behindert werden. Die intrinsi¬ schen Anisotropien in dem Material sollten möglichst klein sein. Diese Eigenschaften sollten optimalerweise von amorphen bzw. nanokristallinen faserähnlichen Strukturen 3 aus hoch- permeablen, beispielsweise magnetostriktionsfreien, weichmagnetischen Legierungen mit mehreren Mikrometern Durchmesser und einem Länge/Breite-Verhältnis von ca. 1000 sehr gut er¬ füllt sein. Bei einem erfindungsgemäßen Komposit 1 ergibt sich ein unteres Permeabilitätsniveau von ca. 5. Die zusätzliche Ausbil¬ dung einer makroskopischen oder teilweise intrinsischen Form- Anisotropie mittels beispielsweise Stäben oder Plättchen, kann nun so gewählt werden, dass ein unteres Permeabilitäts- niveau in der schweren Richtung von yr< 5 eingestellt werden kann. Da die Koerzitivfeider in der Hauptmagnetisierungsrichtung HR bzw. Flussrichtung vergleichsweise niedrig eingestellt werden können, ist eine obere Permeabilität in leich¬ ter Richtung >1000 erzielbar, die jenseits eines für die An- wendung einschränkenden Bereichs ist. Infolge der hohen Sättigungsmagnetisierung Fe-reicher Verbindungen ist auch die Kombination mit Materialsystemen niedrigerer Sättigungsmagnetisierung, aber hoher mittlerer Anisotropie möglich. Figur 6 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 nun als einen Querschnitt senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung HR. In dem anisotropen weichmagnetischen Komposit 1 sind die Mikrodrähte als Ausführungsbeispiel von faserähnlichen oder faserartigen Strukturen 3 dargestellt. Figur 6 zeigt auf der rechten Seite einen Querschnitt durch einen Draht 5 bzw. Mik- rodraht, wobei eine elektrisch isolierende Schicht bzw. eine Umhüllung 7 einen weichmagnetischen Kern 9 beziehungsweise Mikro-Kern aufweist. Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen anisotropen weichmagnetischen Komposits 1. Dabei sind die Drähte 5, bzw. Mikrodrähte, in einer Umfangsrichtung ausgerichtet. Fig. 7 zeigt, dass das magnetische Material ei- nen ringförmigen oder toroiden Körper ausbildet und die
Hauptmagnetisierungsrichtung HR tangential parallel zum Umfang verläuft. Figur 8 zeigt eine Darstellung hinsichtlich eines erfindungsgemäßen Komposits 1, wobei zusätzlich zur Form-Anisotropie eine innere bzw. induzierte magnetische Anisotropie von Fe- Systemen genutzt wird. Mit der Rechtswertachse ist ein ein¬ prägendes Feld in kA/m dargestellt. Die Hochwertachse be- schreibt eine Flussdichte. Figur 8 zeigt die
Hystereseschleifen, die bei 1 kHz gemessen worden sind und zwar für a) Cu89 r7B4; und
b) (CUo, 975Feo, 025 ) 89Zr7B4.
Ha hatte hierzu einen Wert von ~ 40 kA/m. Mittels Druck, Temperatur und Magnetfeldstärke wurde eine magnetische Anisotro¬ pie induziert. Die innere Anisotropie wird mittels der Fe- Systeme erzeugt.
Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits 1, wobei Fe3B verwendet wird und mittels der Kombi¬ nation mit der Form-Anisotropie zu einem mittleren intrinsi- sehen Anisotropie-System führt. Gemäß diesem System ist Ha ~ 630 kA/m.
Figur 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Komposits 1. Ebenso entsprechend Figur 9 wird die erfindungsgemäße Form-Anisotropie kombiniert und entspre¬ chende mittlere intrinsische Anisotropie-Systeme erzeugt. Fi¬ gur 10 zeigt die Verwendung von Sm2FeC. Figur 10 zeigt die Magnetisierungskurven von gerichteten Sm2Fei7Cx Pulverproben, die parallel und senkrecht zur Ausrichtung des Magnetfeldes bei Zimmertemperatur erhalten wurden. Ha ~ 1300 kA/m, und zwar für C 0,25. Figur 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Komposits 1. Hierzu wird die Form-Anisotropie beispielsweise mittels eines gewickelten Drahtes 5 erzeugt. Die intrinsische Anisotropie wird beispielsweise mittels Fe-B oder Fe-C bereitgestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Drahtgitter verwendet, das in einer Richtung ausgeführt ist und Fe-basiert ist. Es ergeben sich entsprechende Berechnungen. Bei einer Annahme einer realen Form-Anisotropie Ha = 530 kA/m und einer inneren Anisotropie Fe-B von Ha = 630 kA/m ergibt sich ein Ha (gesamt) = 1160 kA/m. Mit Bs = 1,62 T ergibt sich ein yr = 2,1 in der schweren Richtung und da Hc<4,2 kA/m ergibt sich in der leichten Richtung ein yr>300. Ein weiteres interessantes Materialsystem ist x-Fe-C, wobei Bs = 2,1 T und da Hc<l kA/m ist, ergibt sich daraus für die leichte Richtung ein yr>2000.
Figur 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Komposits 1. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden Kompositmaterialien aus gerichteten Fe-Stäben 11 in einer Matrix 13 verwendet. Dabei ergeben sich folgende Be¬ rechnungen für Fe-Stäbe 11 im μ-Bereich in einer gerichteten NdFeB-Matrix 13. Dabei wird ein Volumenverhältnis von 1:1 an¬ genommen. Eine weitere Annahme ist die Form-Anisotropie der Fe-Stäbe von Ha = 400 kA/m und die Anisotropie der Matrix NdFeB, die exponentiell ist, von Ha>4900 kA/m, so dass sich eine Gesamt-Anisotropie aus dem Volumenbeitrag von Ha = 2650 kA/m ergibt. Weiterhin ist Bs = 1,85 T (Komposit) . Ha = 2650 kA/m, so dass sich in der schweren Richtung ein yr = 1,6 ergibt. Bei Hc<25 kA/m ergibt sich in der leichten Richtung ein yr>100. Die Einarbeitung von Fe-Stäbchen 11, Plättchen oder Drähten 5 beispielsweise in eine NdFeB-Matrix 13 mittels Sintern/Heißpressen oder Polymerbindung kann zu erhöhten Werten für die Sättigungsmagnetisierung und ein noch günstigeres unteres Permeabilitätsniveau von <2 herangezogen werden. Da- bei wird hier nicht eine Addition der Anisotropien sondern eine Mittelwertbildung durch die Streufeldkopplung der magnetischen Substrukturen, die die faserähnlichen Strukturen 3 sind, erzielt. Figur 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Komposits 1. Dieser anisotrope weichmagnetische Komposit 1 ist in einem Reluktanzmotor eingearbeitet. Gemäß dieser vorteilhaften Erweiterung sind die Stäbe 11 gemäß der Figur 12 entlang einer optimalen Flussführung angeordnet.
Die nachteiligen Merkmale der herkömmlichen Verbindung NdFeB- weich werden durch die hier beschriebenen Fe-basierten Syste- me gemäß den Figuren 5, 6, 7, 11, 12 und 13 mit der Kombina¬ tion hoher Sättigungsmagnetisierung, mittlerer Kristall- Anisotropie oder induzierter Anisotropie sowie Kombination mit Form-Anisotropie behoben. Neben den geringen Rohstoffkos¬ ten der Ausgangslegierung und der hohen Sättigungsmagnetisie- rung Fe-basierter Systeme von >1,8 T kann das Anisotropie- Feld in der schweren Richtung durch Addition von Form- Anisotropie gezielt eingestellt werden. Mittels Ausrichtung der magnetischen Substrukturen bzw. der faserähnlichen Strukturen entlang der optimalen Flussführung bzw. der Hauptmagne- tisierungsrichtung HR, wird eine besonders wirksame Unterdrü¬ ckung des Querflusses erreicht. Der Aufbau aus dünnen Drähten 5, Stäben 11, Netzen bzw. Drahtgeflechten oder Bandstapeln führt zudem zur Unterdrückung von Wirbelströmen und ermöglicht in der Regel eine einfache, mechanisch stabile Form- gebung, beispielsweise mittels Heißpressen oder Kunststoff¬ vergießen .
Figur 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens zur Herstellung eines anisotropen weichmagne- tischen Komposits 1. Mittels eines ersten Schrittes Sl er¬ folgt ein Erzeugen der faserartigen Strukturen als Fasern, Drähte, Bänder, Stäbchen oder Plättchen. Diese können Netze, Bandstapel, Geflechte oder Pulverkomposite ausbilden. Mit ei¬ nem weiteren Schritt S1.2 werden die faserartigen Strukturen mittels Schmelzextrusion erzeugt. Mit einem weiteren Schritt S2 erfolgt ein paralleles Ausrichten der faserartigen Strukturen in einem Magnetfeld und anschließend ein Füllen von Hohlräumen mittels einem Füllstoff, insbesondere Kunststoff, Epoxidharz oder Tränkharz. Mit einem weiteren Schritt S3 wird der Anteil der magnetischen Komponente im Komposit mittels anschließendem Entfernen des Füllstoffs oder mittels Verdichten, insbesondere mechanischem Drücken, vergrößert.
Zusätzlich können ein Anordnen in möglichst dichten Packungen zur Erreichung einer möglichst hohen Magnetisierung entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung erreicht werden. Dies kann beispielsweise durch paralleles Ausrichten der Fasern in ei- nem Magnetfeld und anschließendem Tränken der Hohlräume mit Kunststoff/Epoxidharz und dergl . erreicht werden. Die Ausrichtung und Verdichtung kann zusätzlich durch gängige Verfahren, beispielsweise mechanisches Bearbeiten, wie Walzen, gerichtetes Pressen, Kalandrieren oder ähnliches und durch den Einfluss von Wärme verbessert werden. Als weichmagneti¬ sche Drähte/Fasern bzw. faserähnlichen Strukturen werden vorzugsweise mittels „melt extrusion" bzw. Schmelzextrusion hergestellte Fasern verwendet. Die elektrische Isolierung kann mittels in situ aufgebrachten, beispielsweise Glasschichten, oder durch nachträgliche Beschichtung beispielsweise mittels SAMs? erreicht werden. Idealerweise wird die Isolationsbe- schichtung lediglich so dick ausgeführt, dass zwar eine wirkungsvolle Unterbindung der Wirbelströme erreicht wird, aber andererseits der Anteil der unmagnetischen Komponente im Kompositmaterial bzw. Verbundmaterial so gering wie möglich ist. Die Herstellung des Verbundkörpers 1 kann beispielsweise mittels Kompoundierung der faserähnlichen Struktur bzw. Fasern mit geeigneten Füllstoffen, beispielsweise Polymeren oder Tränkharzen, in Kombination mit Verfahren zur Ausrich- tung der faserähnlichen Strukturen erfolgen, beispielsweise mittels Strangpressen. Die Magnetisierung des Materials kann mittels anschließender geeigneter Entfernung der Füllstoffe, die eine Entbinderung analog zur MiM/Catamold ist, unter¬ stützt durch mechanische Bearbeitung, beispielsweise Pressen, soweit erhöht werden, dass der unmagnetische Anteil gerade noch so groß ist, um eine elektrische Isolierung der faser¬ ähnlichen Strukturen bzw. Fasern sicher zu gewährleisten. Die Ausrichtung der faserähnlichen Strukturen bzw. Fasern kann durch Magnetfelder verbessert werden, solange die Fasern noch beweglich sind und diese sich nicht gegenseitig in einer Ro¬ tation behindern. Infolge des Magnetfeldes werden die faserähnlichen Strukturen sich bevorzugt entlang der Feldlinien orientieren. Durch einen geeigneten Herstellungsprozess kann schon eine gewisse Vorausrichtung eingebracht werden, so dass die Ausrichtung im Magnetfeld durch relativ geringe Drehbewe- gungen/Umorientierungen möglich ist. Bei toroidalen weichmagnetischen Kernen bzw. Ringen/Kernen könnte die Vororientie- rung beispielsweise mittels einer Zentrifuge ausgeführt wer¬ den. Bei flächigen Verbundkörpern durch lagenweises Aufbringen der Faser/Füllstoffmixturen, beispielsweise mittels Rakeln. Die Erfindung betrifft einen anisotropen weichmagnetischen
Komposit (1) aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungs¬ linien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung (HR) aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabi¬ litätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und rela- tiv kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei
der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durchmesser im Mikrometerbereich und insbesondere ein Länge-zu-Breite- Verhältnis von circa 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagneti- sehen faserähnlichen Strukturen (3) ausgebildet ist, deren
Längsachsen in Richtung der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind, und die faserähnlichen Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Kom- bination mit einer intrinsischen ( kristallographischen) Anisotropie kann für die Ausbildung einer genügend kleinen Permeabilität in senkrechter Richtung notwendig bzw. nützlich sein .

Claims

Anisotroper weichmagnetischer Komposit (1) aufweisend ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung (HR) aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabilitätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und relativ kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungsrichtung, wobei
der Komposit als eine Packung von, insbesondere Durch¬ messer im Mikrometerbereich und insbesondere ein Länge- zu-Breite-Verhältnis von circa 900 bis 1100 aufweisen¬ den, weichmagnetischen faserartigen Strukturen (3) ausgebildet ist, deren Längsachsen in der Hauptmagnetisie¬ rungsrichtung orientiert sind, und die faserartigen Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen amorph oder nanokristallin sind und aus eine große Permeabilitätszahl, insbesondere größer 300, aufweisenden, insbesondere magnetostrikti- onsfreien, weichmagnetischen Legierungen bestehen.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
thermisch, magnetisch oder mittels Verdichten zusätzliche Anisotropien in das Material eingebracht wurden.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen mittels Fasern, Drähten (5) , Bänder, Stäben (11) oder Plättchen als daraus abgeleite- te Netze, Bandstapel, Geflechte oder Pulver-Komposite erzeugt sind.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Durchmesser der faserartigen Strukturen größer als ein Eindomänendurchmesser ist und die Bewegung von Domänen nicht durch Ausscheidungen im Material behindert ist .
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen Legierungen mit einem Fe- Anteil, insbesondere größer 50 Gewichts-% und kleiner 90 Gewichts-%, aufweisen und mindestens ein Additiv, insbe¬ sondere Bor oder Kohlenstoff, aufweisen.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen mittels Sintern, Heißpressen oder Polymerbindung in eine Matrix (13), insbesondere NdFeB-Matrix, eingearbeitet sind.
Anisotroper weichmagnetischer Komposit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die relativ große Permeabilitätszahl größer 1000 und die relativ kleine Permeabilitätszahl kleiner 5 ist.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits aufweisend
ein in einem Betrieb Magnetisierungslinien entlang einer Hauptmagnetisierungsrichtung aufweisendes magnetisches Material mit relativ großer Permeabilitätszahl entlang der Hauptmagnetisierungsrichtung und relativ kleiner Permeabilitätszahl senkrecht zur Hauptmagnetisierungs¬ richtung, wobei der Komposit als eine Packung von, ins¬ besondere Durchmesser im Mikrometerbereich und insbesondere ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von circa 900 bis 1100 aufweisenden, weichmagnetischen faserartigen Strukturen erzeugt wird, deren Längsachsen in der Hauptmagnetisierungsrichtung orientiert sind, und die faserartigen Strukturen entlang der Längsachsen elektrisch leitend und in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen amorph oder nanokristallin sind und aus eine große Permeabilitätszahl, insbesondere größer 300, aufweisenden, insbesondere magnetostrikti- onsfreien, weichmagnetischen Legierungen bestehen.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
thermisch, magnetisch oder mittels Verdichten zusätzliche Anisotropien in das Material eingebracht werden.
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 9, 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen mittels Fasern, Drähten, Bänder, Stäbchen oder Plättchen als daraus abgeleitete Netze, Bandstapel, Geflechte oder Pulver-Komposite er¬ zeugt werden (Sl) .
Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der faserartigen Strukturen größer als ein Eindomänendurchmesser gewählt wird und die Bewegung von Domänen nicht durch Ausscheidungen im Material behindert ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen Legierungen mit einem Fe-
Anteil, insbesondere größer 50 Gewichts-% und kleiner 90 Gewichts-%, aufweisen und mindestens ein Additiv, insbe¬ sondere Bor oder Kohlenstoff, aufweisen. 15. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen mittels Sintern, Heißpressen oder Polymerbindung in eine Matrix, insbesondere NdFeB-
Matrix, eingearbeitet werden (S2).
16. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der vorhergehenden Ansprü- che 9 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die relativ große Permeabilitätszahl größer 1000 und die relativ kleine Permeabilitätszahl kleiner 5 ist. 17. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass
ein paralleles Ausrichten der faserartigen Strukturen in einem Magnetfeld und anschließend ein Füllen von Hohl- räumen mit einem Füllstoff, insbesondere Kunststoff,
Epoxidharz oder Tränkharz, ausgeführt werden (S2).
18. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil der magnetischen Komponente im Komposit mit- tels anschließendem Entfernen des Füllstoffs oder mittels Verdichten, insbesondere mechanischem Bearbeiten, vergrößert wird (S3) .
19. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagne- tischen Komposits gemäß Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ausrichten mittels Strangpressen und das Verdichten mittels Walzen, Pressen oder Kalandrieren, oder mittels Wärmebehandeln ausgeführt wird.
20. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 17, 18 oder 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ausrichten ausgeführt wird, während die faserartigen Strukturen noch beweglich sind und sich nicht gegenseitig in der Rotation behindern.
21. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 17, 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Ausrichten bereits eine intrinsische kristallog- raphische Vororientierung der faserartigen Strukturen eingeprägt wird. 22. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vororientierung mittels einer Zentrifuge oder mit¬ tels Rakeln ausgeführt wird.
23. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Strukturen mittels Schmelzextrusion er zeugt werden (S1.2).
24. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen, insbesondere Drähte (5) , mittels in situ aufgebrachten Schichten (7) oder mittel nachträglichem Beschichten gegeneinander elektrisch iso liert werden (S1.2) .
25. Verfahren zur Herstellung eines anisotropen weichmagnetischen Komposits gemäß einem der Ansprüche 9 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass
die faserartigen Strukturen derart gegeneinander elektrisch isoliert wurden, dass der Anteil der unmagneti¬ schen Komponente im Komposit trotzdem minimal ausgebil¬ det wurde.
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