WO2019185395A1 - Weichmagnetischer komposit-werkstoff, verwendungen dazu - Google Patents

Weichmagnetischer komposit-werkstoff, verwendungen dazu Download PDF

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WO2019185395A1
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Michael Krispin
Stefan Lampenscherf
Gotthard Rieger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/06—Cores, Yokes, or armatures made from wires

Definitions

  • Soft magnetic composite material uses for this purpose
  • the invention relates to a soft magnetic composite material, as well as its use in an electric motor, for example a reluctance motor, in a generator, in a transformer and / or as an equivalent to an electric roblech or electrical steel stack.
  • an electric motor for example a reluctance motor, in a generator, in a transformer and / or as an equivalent to an electric roblech or electrical steel stack.
  • a generator and / or a transformer come ferromagnetic cal materials in almost all embodiments, preferably in the form of electrical steel sheets for the magnetic flux guide to energy conversion and / or energy transfer used.
  • the electric sheets are usually stacked in layers and arranged perpendicular to the motor axis. In indoor runners, they are mounted on the axle.
  • the magnetization is preferably in the plane for physical reasons. To form the torque, it is necessary that the flow is guided GE curved within this plane of the electric sheet to form the poles. This is done by patterning, i. usually subtractive, e.g. achieved by punching.
  • a considerable part of the flux-carrying material is used without proper magnetic func tional property.
  • a sheet metal section of me chanical stability reasons includes unavoidable axial Verstre conditions.
  • the electric sheet is used unfavorably or without a magnetic function, and the motor torque is reduced.
  • a curved flux guidance for example rotationally and / or in 90 ° rectangular geometries, is desirable.
  • a reluctance motor is known, for example, from EP 2 838 180 A1.
  • the material of the poles so as a material with a magnetic preferred direction, a ferromagnetic material which shows a Koerzitivfeidschreib H less than 10 kA / m.
  • the reluctance motor within the design of a layered sheet metal structure along the axis of rotation of the sheet metal section usually - as mentioned above - produced by subtractive methods such as punching.
  • soft magnetic sintered metals also referred to as soft magnetic composites - SMCs
  • the directional flow is limited and the mechanical stability due to the brittle speed insufficient.
  • an arrangement of the Elelect- rug along the axis would be conceivable, but this leads to a considerable increase of eddy current losses along the axis of rotation.
  • the mechanical stability of the overall structure at high centrifugal forces is unfavorable. Due to the negative influences of a deformation and / or a bending of the electrical steel sheet - for example in the form of a trough - the magnetic properties are also impaired.
  • the object of the present invention is therefore to provide an opti mized material structure of mechanically loadable Konstrukti onstechnikstoff and magnetic flux-conducting material and a suitable manufacturing process that allows a simple curvature of the flux-conducting material for maximum use of Flus ses in the preferred direction to provide.
  • the subject matter of the invention is an anisotropic magnetic composite material which comprises a unidirectional (UD) and / or 2D fabric in a synthetic resin as matrix material.
  • UD unidirectional
  • 2D fabric in a synthetic resin as matrix material.
  • mag net composite material in electric motors, electrical sheets, reluctance motors, generators and / or in Transformato are Subject of the invention.
  • the first fibers include, for example, unidirectional UD ferromagnetic wire and / or unidirectional UD magnetic fibers and / or fiber bundles.
  • the first fibers are in particular of soft magnetic material, ie a material that can be easily magnetized in a magnetic field, such as iron, low carbon steel share, steel with silicon additive, nickel-iron alloys, cobalt-iron alloys, aluminum Iron alloys, aluminum-silicon-iron alloys, as well as any mixtures of such unidirectional soft magnetic wires, fibers and / or fiber bundles.
  • the first, soft magnetic fibers are arranged in one direction, be preferably substantially parallel, in particular at least un dangerous parallel, in particular arranged parallel in the fabric, so that anisotropy of the magnetic flux guide can be produced in the material.
  • the composite material is present as a band in which the magnetic fibers / fiber bundles and / or wires are arranged in one direction.
  • tissue is understood to mean a unidirectional fiber reinforcement, whereby, of course, there is no tissue in the sense that fibers must be interwoven with one another
  • Two-dimensional network is always made up of at least two types of fibers.Any number of different fibers can be present next to each other.
  • the synthetic resin matrix is, for example, a thermoset or thermoplastic and insulating polymer such as egg nem epoxy resin or another, for the production of example suitable for the coating of electrical sheets suitable organic resin, paint, insulating varnish and / or filled, for example with ceramic particles, nanoparticles, mineral particles filled, varnish.
  • the composite material in addition to the first, unidirectional or 2D fibers and / or unidirectional or 2D wires before second fibers and / or fiber bundles, which serve for stabilization tion of the first fibers and / or wires.
  • first and two th fibers are in the composite material, the second fibers and / or fiber bundles transverse to the first unidirectional Fa fibers and / or fiber bundles.
  • the first and second fibers are at least partially interwoven with each other.
  • the second fibers include, for example, structurally stable fibers which serve to hold the first fibers in position, such as glass fibers, ceramic fibers, carbon fibers or carbon fibers, polymeric synthetic fibers and / or aramid fibers, wood and / or hemp fibers, and any mixtures the aforementioned fibers.
  • structurally stable fibers which serve to hold the first fibers in position, such as glass fibers, ceramic fibers, carbon fibers or carbon fibers, polymeric synthetic fibers and / or aramid fibers, wood and / or hemp fibers, and any mixtures the aforementioned fibers.
  • this resin-impregnated fabric of magnetic composite material impregnated with unhardened resin or infiltrated it has proven to be particularly advantageous if the impregnated fabric is processed into individual layers which, as still wet prepregs or not fully cured prepregs, are deposited on a mold, for example on a core of a reluctance motor, with or without Core dried and cured to the finished material and firmly connected to the core.
  • the core of a reluctance motor that encloses the axis of rotation is made, for example, of an organic polymeric material that bonds well with the synthetic resin that forms the matrix of prepreg layers.
  • the prepreg layers can, as well as the finished Komposit material, have any shape, so example, as a band, as a hose and / or ready-made La ge present.
  • a “layer” made of a composite material is referred to as “equivalent” to an electrical steel sheet and can be used technically as an “equivalent effecting agent”.
  • the magnetic flux conduction function is largely decoupled from the mechanical stability function. Nevertheless, for example, a rotor can be generated by the positive connection of the composite to the mechanical support system in one process step.
  • the first magnetic unidirectional fibers / fiber bundles and / or wires are uniformly distributed in the composite material.
  • the first magnetic tables unidirectional fibers / fiber bundles and / or wires are distributed unevenly in the composite material. Thereby for example, regions and / or zones of denser and less dense magnetization may be created in the composite material.
  • the first fibers are held in position by the second non-magnetic fibers. It is particularly advantageous if the second non-magnetic fibers are interwoven with the first unidirectional fibers / fiber bundles and / or wires.
  • anisotropic composite magnetic material In an engine equipped with such anisotropic composite magnetic material, significantly increased power is observed at high speeds. Large hollow shafts are possible because the magnetic flux has a small penetration depth into the rotor. Low torque ripple, low vibration excitation and low noise due to a homogeneous field distribution are possible.
  • the anisotropic magnetic composite material with the lightweight, structurally stable second fibers allows the construction of lightweight and robust rotors. Another advantage of the separation of the optimized magnetic flux guide from the mechanical stabilization lies in the further construction of the composite layers.
  • the anisotropic magnetic material made of impregnated fabric at least two fibers for the production of a Ele- Ele- roblechs still alloyed to a metal, such as silicon.
  • a metal such as silicon.
  • the invention makes it possible for the first time to use an integrated magnetic composite material in an electric motor such as, for example, a reluctance motor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Komposit- Werkstoff, sowie dessen Verwendung in einem Elektromotor, beispielsweise einen Reluktanzmotor, in einem Generator, in einem Transformator und/oder als ein Elektroblech. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, ein integriertes magnetisches Komposit-Material in einem Elektromotor wie beispielsweise einem Reluktanzmotor einzusetzen.

Description

Beschreibung
Weichmagnetischer Komposit-Werkstoff, Verwendungen dazu
Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Komposit- Werkstoff, sowie dessen Verwendung in einem Elektromotor, beispielsweise einen Reluktanzmotor, in einem Generator, in einem Transformator und/oder als Äquivalent zu einem Elekt- roblech oder Elektroblech-Stapel .
In einem Elektromotor, einem Generator und/oder einem Trans formator kommen in fast allen Ausführungsformen ferromagneti sche Werkstoffe bevorzugt in Form von Elektroblechen für die magnetische Flußführung zur Energiewandlung und/oder Energie übertragung zum Einsatz. In Elektromotoren und/oder in Gene ratoren sind die Elektrobleche meist in Lagen gestapelt und senkrecht zur Motorachse angeordnet. Bei Innenläufern werden sie auf die Achse aufgezogen. Die Magnetisierung liegt aus physikalischen Gründen bevorzugt in der Ebene. Zur Ausbildung des Drehmoments ist es erforderlich, dass der Fluss innerhalb dieser Ebene des Elektroblechs zur Ausbildung der Pole ge krümmt geführt wird. Dies wird durch Strukturbildung, d.h. üblicherweise subtraktiv, z.B. durch Stanzen erreicht.
Aus Gründen der Verarbeitung mittels Stanzen und der Montage, insbesondere des Aufziehens auf die Achse oder aus anderen mechanischen Randbedingungen wird ein erheblicher Teil des flussführenden Materials ohne eigentliche magnetisch funktio nale Eigenschaft eingesetzt. Speziell in Reluktanzmotoren und/oder Reluktanzmaschinen umfasst ein Blechschnitt aus me chanischen Stabilitätsgründen unvermeidliche axiale Verstre bungen. Dadurch wird das Elektroblech in ungünstiger Weise oder ohne magnetische Funktion eingesetzt und das Motor- Drehmoment reduziert. In Transformatoren ist ebenfalls eine gekrümmte Flussführung, beispielsweise rotatorisch und/oder in 90° Rechteckgeometrien wünschenswert. Ein Reluktanzmotor ist beispielsweise aus der EP 2 838 180 Al bekannt. Dort wird als Material der Pole, also als Material mit einer magnetischen Vorzugsrichtung ein ferromagnetisches Material eingesetzt, das eine Koerzitivfeidstärke H kleiner 10 kA/m zeigt.
Beispielsweise wird im Falle des Reluktanzmotors innerhalb des Designs eines geschichteten Blechaufbaus längs der Dreh achse der Blechschnitt üblicherweise - wie oben erwähnt - durch subtraktive Verfahren wie Stanzen erzeugt. Durch den Einsatz weichmagnetischer Sintermetalle auch als Soft Mag- netic Composites - SMCs- bezeichnet, können zwar komplexere Formen erzeugt werden, jedoch ist aufgrund der Isotropie der Sinterkörper die gerichtete Flußführung nur eingeschränkt möglich und die mechanische Stabilität aufgrund der Sprödig keit unzureichend. Zwar wäre auch eine Anordnung der Elekt- robleche längs der Achse denkbar, aber dies führt zu einer erheblichen Erhöhung von Wirbelstromverlusten längs der Dreh achse. Zusätzlich ist die mechanische Stabilität des Gesamt- aufbaus bei hohen Zentrifugalkräften ungünstig. Durch die ne gativen Einflüsse einer Verformung und/oder einer Biegung des Elektroblechs - beispielsweise in Wannenform - werden auch die magnetischen Eigenschaften verschlechtert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen opti mierten Materialaufbau aus mechanisch belastbarem Konstrukti onswerkstoff und magnetisch flussführendem Material sowie ein geeignetes Herstellungsverfahren, das eine einfache Krümmung des flussführenden Materials zur maximalen Nutzung des Flus ses in Vorzugsrichtung ermöglicht, zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung der Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfin dung, wie er in den Ansprüchen und der Beschreibung offenbart ist, gelöst.
Dementsprechend ist Gegenstand der Erfindung ein anisotroper magnetischer Komposit-Werkstoff, der ein Unidirektionales (UD) und/oder 2D - Gewebe in einem Kunstharz als Matrixmate- rial umfasst, wobei das Gewebe Fasern, Faserbündel und/oder Drähte, die magnetisch, unidirektional und in eine Richtung angeordnet sind, umfasst Außerdem sind Verwendungen des mag netischen Komposit-Werkstoffes in Elektromotoren, Elektroble- chen, Reluktanzmotoren, Generatoren und/oder in Transformato ren Gegenstand der Erfindung.
Die ersten Fasern umfassen beispielsweise unidirektionalen - UD - ferromagnetischen Draht und/oder unidirektionale - UD - magnetische Fasern und/oder Faserbündel. Die ersten Fasern sind insbesondere aus weichmagnetischem Material, also einem Material das sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lässt, wie beispielsweise Eisen, Stahl mit niedrigem Kohlen stoffanteil, Stahl mit Silizium-Zusatz, Nickel-Eisen- Legierungen, Cobalt-Eisen-Legierungen, Aluminium-Eisen- Legierungen, Aluminium-Silizium-Eisen-Legierungen, sowie be liebige Gemische derartiger unidirektionaler weichmagneti scher Drähte, Fasern und/oder Faserbündel. Die ersten, weich magnetischen Fasern werden in eine Richtung angeordnet, be vorzugt im Wesentlichen parallel, insbesondere zumindest un gefähr parallel, insbesondere parallel im Gewebe angeordnet, damit Anisotropie der magentischen Flußführung im Werkstoff erzeugt werden kann.
Beispielsweise liegt der Komposit-Werkstoff als Band vor, in dem die magnetischen Fasern/Faserbündel und/oder Drähte in eine Richtung angeordnet sind.
Als „Gewebe" wird hier, neben dem zweidimensionalen Netzwerk, auch eine unidirektionale Faserverstärkung verstanden, wobei natürlich kein Gewebe in dem Sinn vorliegt, dass Fasern mit einander verwoben sein müssen. Da die ersten Fasern unidirek tional vorliegen, ist vorliegend ein Gewebe im Sinne eines zweidimensionalen Netzwerkes immer aus zumindest zwei Arten Fasern aufgebaut. Es können dabei auch beliebig viele ver schiedene Fasern nebeneinander vorliegen. Die Kunstharzmatrix ist beispielsweise aus einem Duroplasti schen oder thermoplastischem und isolierendem Polymer wie ei nem Epoxidharz oder einem anderen, zur Herstellung von bei spielsweise der Beschichtung von Elektroblechen geeignetem organischen Kunstharz, Lack, Isolierlack und/oder gefülltem, beispielsweise mit Keramik-Partikeln, Nanopartikeln, minera lischen Partikeln gefülltem, Lack.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegen im Komposit-Werkstoff neben den ersten, unidirektionalen oder 2D-Fasern und/oder unidirektionalen oder 2D-Drähten noch zweite Fasern und/oder Faserbündel vor, die zur Stabilisie rung der ersten Fasern und/oder Drähte dienen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform mit ersten und zwei ten Fasern liegen im Komposit-Werkstoff die zweiten Fasern und/oder Faserbündel quer zu den ersten unidirektionalen Fa sern und/oder Faserbündel.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind dabei die ersten und zweiten Fasern zumindest teilweise mit einander verwoben.
Die zweiten Fasern umfassen beispielsweise strukturstabile Fasern, die dazu dienen, die ersten Fasern in Position zu halten, wie beispielsweise Glasfasern, keramische Fasern, Kohlefasern oder Carbonfasern, polymere Kunststofffasern und/oder Aramidfasern, Holz und/oder Hanf-Fasern, sowie be liebige Gemische der vorgenannten Fasern.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird dieses mit Kunstharz imprägnierte Gewebe aus magnetischem Komposit- Werkstoff mit ungehärtetem Kunstharz imprägniert oder infil triert. Als insbesondere vorteilhaft hat sich dabei herausge stellt, wenn das imprägnierte Gewebe zu einzelnen Lagen ver arbeitet wird, die als noch feuchte Prepregs oder nicht voll ständig ausgehärtete Prepregs auf eine Form, beispielsweise auf einen Kern eines Reluktanzmotors, abgelegt, mit oder ohne Kern getrocknet und zum fertigen Werkstoff ausgehärtet und mit dem Kern fest verbunden werden. Der Kern eines Reluktanz motors, der die Drehachse umschließt, ist beispielsweise aus einem organischen polymeren Werkstoff, der sich gut mit dem Kunstharz, das die Matrix der Prepreg-Lagen bildet, verbin det. Die Prepreg-Lagen können, ebenso wie der fertige Kompo- sit-Werkstoff, eine beliebige Form aufweisen, also beispiels weise als Band, als Schlauch und/oder als konfektionierte La ge vorliegen.
Als „Äquivalent" zu einem Elektroblech wird vorliegend eine Lage aus einem Komposit-Werkstoff bezeichnet, die als „gleichwirkendes Mittel" technisch einsetzbar ist.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, dass ein Aufbau aus einem anisotropen magnetischen Komposit-Werkstoff aus einem unidirektionalen - UD - Gewebe mit einem Kern zu einem festen Verbund vernetzbar ist. Insbesondere ist es Erkenntnis der Erfindung, dass für die Polbildung beispielsweise eines Re luktanzmotors entsprechend der gekrümmten Flußführung der Magnetisierung der anisotrope magnetische Komposit-Werkstoff auf den Kern als Stapel aufgelegt und mit dem Kern vernetzbar ist .
Durch die Integration des anisotropen magnetischen Komposit- Werkstoffs wird die Funktion der magnetischen Flußführung von der mechanischen Stabilitätsfunktion weitgehend entkoppelt. Dennoch lässt sich beispielsweise ein Rotor durch die form schlüssige Anbindung des Komposits an das mechanische Träger system in einem Prozessschritt erzeugen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegen die ersten, magnetischen unidirektionalen Fasern/Faserbündel und/oder Drähte im Komposit-Werkstoff gleichmäßig verteilt vor.
Nach einer weiteren Ausführungsform liegen die ersten magne tischen unidirektionalen Fasern/Faserbündel und/oder Drähte ungleichmäßig verteilt im Komposit-Werkstoff vor. Dadurch können Bereiche und/oder Zonen mit dichterer und mit weniger dichter Magnetisierung im Komposit-Werkstoff erzeugt werden.
Bei dieser Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass durch die zweiten nicht-magnetischen Fasern die ersten Fasern in Position gehalten werden. Dabei ist es insbesondere vor teilhaft, wenn die zweiten nicht-magnetischen Fasern mit den ersten unidirektionalen Fasern/Faserbündel und/oder Drähten verwoben sind.
Bei einem derartig mit anisotropem magnetischem Komposit- Werkstoff ausgerüsteten Motor wird eine deutlich erhöhte Leistung bei hohen Drehzahlen beobachtet. Große Hohlwellen sind möglich, weil der magnetische Fluss eine geringe Ein dringtiefe in den Rotor hat. Geringe Drehmomentwelligkeit, geringe Schwinganregung und geringe Geräuschentwicklung durch eine homogene Feldverteilung sind möglich. Durch den aniso tropen magnetischen Komposit-Werkstoff mit den leichten strukturstabilen zweiten Fasern können leichte und robuste Rotoren aufgebaut werden. Ein weiterer Vorteil der Trennung der optimierten magnetischen Flußführung von der mechanischen Stabilisierung liegt im weiteren Aufbau der Komposit-Lagen .
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dem anisotropen magnetischen Werkstoff aus imprägniertem Ge webe zumindest zweierlei Fasern zur Herstellung eines Elekt- roblechs noch ein Metall zu legiert, beispielsweise Silizium. Damit wird der elektrische Widerstand erhöht und Wirbelstrom verluste reduziert. Zugleich reduzieren diese jedoch die Sät tigungsmagnetisierung und somit den leitbaren magnetischen Fluss .
Allerdings sind aufgrund der Flußführung in dünnen Drähten Wirbelstromverluste aufbaubedingt stark eingeschränkt und es kann auf Legierungselemente verzichtet werden. Dies lässt Werkstoffe mit höherer Sättigungsmagnetisierung zu und hat zusammen mit der günstigen Flußführung günstige Auswirkung auf die erreichbare Motorperformance. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, ein integriertes magnetisches Komposit-Material in einem Elektromotor wie bei spielsweise einem Reluktanzmotor einzusetzen.

Claims

Patentansprüche
1. Anisotroper magnetischer Komposit-Werkstoff, der ein Un- idirektionales (UD) und/oder 2D - Gewebe in einem Kunstharz als Matrixmaterial umfasst, wobei das Gewebe Fasern, Faser bündel und/oder Drähte, die magnetisch, unidirektional und in eine Richtung angeordnet sind, umfasst.
2. Komposit-Werkstoff nach Anspruch 1, der zweite Fasern und/oder Faserbündel, die nicht magnetisch sind, umfasst.
3. Komposit-Werkstoff nach Anspruch 2, bei dem zweite Fasern zur Stabilisierung der ersten Fasern eingesetzt sind.
4. Komposit-Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem unidirektionalen (UD) -Fasern und/oder das unidirekti- onale -UD - Gewebe und/oder die unidirektionalen -UD- Drähte gleichmäßig im Komposit-Werkstoff verteilt sind.
5. Komposit-Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zweite Fasern mit den unidirektionalen ersten Fa sern/Faserbündel und/oder Drähten zumindest zum Teil verwoben sind .
6. Komposit-Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten Fasern unidirektionale und magnetisierbare Drähte, Fasern und/oder Faserbündel aus einem weichmagneti schen Material umfassen.
7. Komposit-Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zweite Fasern organische und/oder anorganische struk turstabile Fasern wie beispielsweise keramische Fasern, Koh lefasern, polymere Kunststofffasern, Aramidfasern, und/oder Glasfasern sowie beliebige Mischungen der vorgenannten Fa sern, umfassen.
8. Komposit-Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, der ein organisches Kunstharz umfasst, das Duroplast oder Thermoplast ist.
9. Komposit-Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, der in Form vorgefertigter Prepreg-Lagen auf eine feste Form abgelegt und mehrere Prepreg-Lagen dort zu einem Laminatla- gen-Stapel gestapelt werden.
10. Komposit-Werkstoff nach Anspruch 9, wobei als feste Form der Kern eines Reluktanzmotors dient.
11. Komposit-Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Laminatlagen-Stapel aus Prepreg-Lagen auf dem Kern des Reluktanzmotors ausgehärtet wird.
12. Verwendung eines Komposit-Werkstoffes nach einem der vor stehenden Ansprüche 1 bis 11 in einem Elektromotor.
13. Verwendung eines Komposit-Werkstoffes nach einem der vor stehenden Ansprüche 1 bis 11 in einem Generator.
14. Verwendung eines Komposit-Werkstoffes nach einem der vor stehenden Ansprüche 1 bis 11 in einem Reluktanzmotor.
15. Verwendung eines Komposit-Werkstoffes nach einem der vor stehenden Ansprüche 1 bis 11 in einem Transformator.
16. Verwendung eines Komposit-Werkstoffes nach einem der vor stehenden Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung eines Äquiva lents zu einem Elektroblech und/oder einem Elektroblechsta- pel .
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