DE2527461C2 - Verfahren zur Herstellung von anisotropen Segmentmagneten für elektrische Maschinen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von anisotropen Segmentmagneten für elektrische MaschinenInfo
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Description
VR _ A(A)
bei unsymmetrischem Aufbau (nur ein Magnetende aus hochkoerzitivem Magnetmaterial) der Gleichung
35
ι Λ
J
40
V 1
~Ve7 = T VA«
entsprechen, wobei
entsprechen, wobei
VÄ = Volumen der hochremanenten Ferritmasse,
Vces = Gesamtvolumen der Ferritmasse,
/Hc(R) = Koerzitivfeldstärke der hochremanenten
Ferritmasse und
/Hc (K) =* Koerzitivfeldstärke der hochkoerzitiven
Ferritmasse
55
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von anisotropen Segmentmagneten für
elektrische Maschinen, aus Ferriten des Bariums und/oder Strontiums.
Beim Einsatz von anisotropen Segmentmagneten aus Ferritwerkstoffen, beispielsweise in Kleinmotoren, ist es
schwierig, die Anforderungen nach höchstmöglichem magnetischem Fluß einerseits und hoher Koerzitivfeldstärke
zur Vermeidung von Entmagnetisierungserscheinungen andererseits zu erfüllen. Die Gefahr der
Entmagnetisierung besteht besonders an den Enden der Segmentmagnete, hier wiederum ausgeprägt beim
Anlaufen bei tiefen Temperaturen. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, ist es aus der FR-PS 11 67 248 bei
AlNiCo-Magneten bekannt, den Segmentmagneten aus mehreren Zonen mit Legierungen unterschiedlicher
Eigenschaften aufzubauen, wobei in der Magnetnitte
der Werkstoff mit der höchsten Remanenz und an den Magnetenden der Werkstoff mit der höchsten Koerzitivfeldstärke
angeordnet ist. Dies ist deshalb bei AINiCo ohne Schwierigkeiten möglich, weil die verschiedenen
Legierungen dieser Gruppe unbegrenzt miteinander legierbar sind, so daß diese Mischungen auch an den
Grenzflächen zweier Magnete ohne weiteres herbeigeführt werden können, z. B. durch Verschweißen oder
durch pulvermetallurgische Verfahrenstechniken. — Verfahren zum Herstellen von vorzugsgerichteten
Dauermagneten aus Barium- und/oder Strontiumferriten durch Naßpressen im Magnetfeld und anschließendes
Sintern und Schleifen sind z. B. aus der US-PS 30 85 291 bekannt Aus der US-PS 29 84 866 ist es auch
bekannt, bei einem vergleichbaren Verfahren das Preßgut über entsprechende Kanäle in den Preßhohlraum
zu führen, jedoch handelt es sich bei dem Preßgut um >;in Pulver, wobei ein den Kanal umgebendes
Wechselfeld dafür sorgt, daß das Pulver nicht zusammenbackt, und außerdem wird das Material nicht
durch Einspritzen, sondern durch Einsaugen mittels eines Gkichstromfeldes in den Hohlraum transportiert
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von aus mehreren Zonen
bestehenden Segmentmagneten anzugeben, die aus Ferriten des Bariums und/oder Strontiums bestehen. Es
ist nämlich nicht ohne weiteres möglich, das von den AlNiCo-Magneten her bekannte Verfahren auf derartige
Magnete aus Ferriten zu übertragen, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Bariumoder
Strontiumferriten unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften stark voneinander abweichen und zudem
die Bindung zwischen den einzelnen Zonen eine keramische Bindung ist, also von ganz anderer Art ist als
bei den AlNiCo-Magneten. Außerdem sollen die Segmentmagnete so hergestellt werden, daß es mit
ihnen möglich wird, Motoren zu bauen, die bezüglich Leistungsgewicht, Magnetafbmessungen, Geräuschentwicklung
und Entmagnetisierungsverhalten möglichst optimale Werte zeigen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs.
Eine besonders gute Ausnutzung der Magneteigenschaften
und damit eine Optimierung der Magnete erreicht man, wenn man die Volumenanteile der
Ferritmassen — im Falle eines aus zwei Ferritmassen bestehenden Segmentmagneten mit zur Magnetmitte
symmetrischem Aufbau — so wählt, daß sie der Gleichung
Vr _ ,HC(R)
entsprechen, wobei
Vr = Volumen der hochremanenten Ferritmasse, Vces — Gesamtvolumen der beiden Ferritmassen,
'R) = Koerzitivfeldstärke der hochremanenten
Ferritmasse und
'K) = Koerzitivfeldstärke der hochkoerzitiven Ferritmasse.
25
Im folgenden soll kurz dargestellt werden, wie man zu
dieser Optimierungsgleichung gelangt Dazu sind dargestellt in
Fig. 1 die Seitenansicht eines Magnetsegmenten für
den Fall, daß es aus zwei Werkstoffen 1 u nd 2 besteht,
Fig.2 schematisch die Entmapnetisierungskurven der Werkstoffe 1 und 2.
Das Magnetsegment ist aus den beiden Ferritwerkstoffen 1 und 2 aufgebaut, wobei der Werkstoff 1 die
Enden bildet, während der Werkstoff 2 den übrigen Segmenthogen ausfüllt (Fig. 1). Wie aus Fig.2
ersichtlich, weist der Werkstoff 1 eine höhere Koerzitivfeidstärke auf als der Werkstoff 2 (,Hc ,
> ,Hc2). Dagegen ist die Remanenz des Werkstoffs 2 höher als
die des Werkstoffs 1 (Br2> Bri). Durch die größere
Koerzitivfeldstärke des Materials 1 wird an den Enden eine größere Beständigkeit gegen entmagnetisierende
Felder, durch die größere Remanenz 2 eine möglichst große Flußdichte des Segmentes erzielt.
Es läßt sich nun erreichen, daß dus magnetische
Verhalten der verschiedenen verwendeten Magnetmaterialien entsprechend der Beanspruchung des
Magneten über verschiedene Volumenanteile der Materialien den Anforderungen speziell angepaßt wird
derart, daß einerseits eine möglichst hohe Flußdichte, andererseits eine möglichst hohe Beständigkeit gegen
Entmagnetisierung mit dem kleinsten möglichen Magnetvolumen erzielt werden kann.
Die Beanspruchung des Magneten in einem Motor, die zu einer Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld
führt, nimmt von der Magnetmitte zu der Ablaufkante hin linear zu. Jedem Magnetmateriai kann
eine bestimmte, höchstzulässige Entmagnetisierungsfeldstärke zugemutet werden, ohne daß es irreversibel
entmagnetisiert wird. Diese zulässige Größe Hcz ist, wie
aus F i g. 2 hervorgeht, abhängig von der Luftspaltentmagnetisierung Hl und der maximalen Feldstärke HGr.
bei der der Knickpunkt der Funktion /= f(H) liegt. Das heißt, daß Hez um so größer wird, je größer HGr und je
kleiner HL ist.
Eine Vergrößerung der maximalen Feldstärke Her ist
aufgrund des gegebenen Energiegehaltes der Ferritwerkstoffe nur auf Kosten einer Verringerung der
Remanenz Br möglich, so daß sich die Werkstoffe in der
Flußdichte und in der Beständigkeit gegen Entmagnetisierung unterscheiden. Sollen nun in einem solchen
Magneten beide Größen — Flußdichte Br und Koerzitivfeldstärke
iHc — maximiert werden, so ist es notwendig, da3 jeder Werkstoff voll mit der höchstzulässigen
Entmagnetisierungsfeldstärke Hcz belastet
j wird.
Es läßt sich nun, wie hier nicht im einzelnen abgeleitet werden soll, zeigen, daß — für den Fall der Verwendung
zweier Ferritmaterialien 1 und 2; es !aßt sich in entsprechender Weise auch für noch mehr Ferritmaterialien
ableiten — die höchstzulässigen Entmagnetisierungsfeldstärken Hez\ und Hezi in einem bestimmten
Verhältnis zu den Volumenanteilen der einzelnen Werkstoffe stehen, indem nämlich folgende Optimierungsbedingung
gilt:
Geht man nun von konstanten- Luftspaltverhältnissen
aus, so ist
IU
15
35
40
45
TJ ÄS £/ J-I | und | Hez 2 ~ Ha, 2 ~ lHci, | mit | y = γ _|_ y | (2) |
so daß in erster Näherung gilt: | |||||
TT IT r^r Tf m 1^- I c\ · I c2 Gcs' 2 |
(3) | ||||
(4) | |||||
(5) |
Da
,Hci > ,H,2 und Br2
> Br],
20
60
«„, :H,!2- (K, + K2): V2.
(D
Mit dieser Optimierungsbedingung ist es also möglichj über die Volumenanteile den Magneten
entsprechend seiner Beanspruchung durch ein entmagnetisierendes Feld zu optimieren.
wird der Werkstoff 1 als hochkoerzitiver und der
Werkstoff 2 als hochremanenter bezeichnet (wobei diese Bezeichnungen lediglich die relativen Verhältnisse
zum Ausdruck bringen sollen), so daß die Gleichung (4) übergeht in die oben bereits angegebene Gleichung
Ko„
(6)
30 wobei sich der Index R auf den hochremanenten und
der Index K auf den hochkoerzitiven Werkstoff/bezieht. Zur Berechnung der Volumenanteile der hochremanenten
Form ergibt sich daher bei symmetrischem Magnetaufbau die Gleichung:
-7m
(7)
Wird ein Magnetaufbau gewählt, bei dem nur die bezüglich der Rotordrehung ablaufende Magnetkante
aus hochkoerzitivem Magnetmaterial aufgebaut wird, dann vergrößert sich der Volumenanteil K« zu V'R und
es gilt
'i = vR + ■
50
(8)
Gleichung (8) eingesetzt in (6) bzw. (7) gibt
VGes
iHAK) '
^_ = i ( <Hc(R) ι Λ
GfJ ί \ Inc K&) J
GfJ ί \ Inc K&) J
(9)
(10)
Im folgenden Beispiel soll die Herstellung eines erfindungsgemäßen Segmentmagneten näher beschrieben
werden. Es werden zwei Strontiumferrite einge-
setzt, die jeder für sich zu Sintermagneten führen, die folgende Eigenschaften aufweisen:
Masse 1: tHc = 320 kA/m, Br = 350 mT,
Masse 2: ,Hc = 256 KA/m: ßr = 380 mT.
Masse 2: ,Hc = 256 KA/m: ßr = 380 mT.
Die Herstellung solcher Ferritqualitäten entspricht dem Stand der Technik.
Diese Massen werden getrennt nach bekannten Fertigungsverfahren aufbereitet und in eine pastöse
Form überführt, die etwa 23% Wasser enthält. Diese Massen werden nun mittels je einer Einspritzpumpe
über mehrere Einspritzkanäle in den Formhohlraum eingespritzt, wobei die Einspritzkanäle für die hochkoerzitive
Masse an den Magnetenden lind die für die hochremanente Masse am Scheitelpunkt des Segmentmagneten
angebracht sind. Aus der oben angegebenen Gleichung (7) errechnet sich der Anteil der hochremanenten
Masse Vr zu 0,8 · Ve«, d. h. 80% der gesamten
Masse muß aus der hochremanenten Masse bestehen, um den Magneten in optimaler Form zu erhalten.
Diesen Verhältnissen entsprechend werden die Kanalquerschnitte
ausgelegt. Die nun erfolgende Einspritzung der pastösen Massen erfolgt mit einer zeitlichen
Verschiebung: Zunächst wird die hochkoerzitive Masse an den Ablaufenden eingespritzt, und im Anschluß
daran die hochremanente Masse. Diese zeitliche Verschiebung ist notwendig, damit die hochremanente
Masse nicht an die Ablaufenden gedrückt wird und damit sich die Trennfugen der Massen möglichst radial
ausbilden.
Im Anschluß an das Einpressen der Massen werden diese entwässert und gepreßt. Zur Ausrichtung der
einzelnen Ferritteilchen wird ein Magnetfeld angelegt. Nach dem Pressen werden die Teile wieder entmagnetisiert,
bei 1200 bis 125O0C gesintert und schließlich geschliffen, wie dies bei der Herstellung von Sintermagneien
üblich ist. Es zeigte sich, daß die Verbindung zwischen den beiden Massesorten fließend ist und eine
Nahtstelle nicht zu erkennen war. Auch beim Schleifen der Magnete konnte kein Unterschied zu einem
Magneten, der aus einem einheitlichen Material hergestellt war, festgestellt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von anisotropen Segmentmagneten für elektrische Maschinen, wobei
die Magnete aus Zonen bestehen und die einzelnen Zonen aus Magnetwerkstoffen mit unterschiedlichen
magnetischen Eigenschaften gebildet werden und die Magnetwerkstoffe so gewählt sind, daß im
Segmentbogen derjenige mit der höchsten Remanenz Br und an mindestens einem Segmentende
derjenige mit der höchsten Koerzitivfeldstärke iHc
angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochremanente und eine hochkoerzitive
Magnetmasse aus Ferriten des Bariums und/oder Strontiums in pastöser Form hergestellt werden, daß
die beiden Massen über Ernspritzkanäte mittels zweier Einspritzpumpen zeitlich verschoben in einen
Hohlraum eingebracht werden, wobei zunächst die hochkoerzitive Masse einem oder beiden Segmentenden
und dann die hochremanente Masse dem Segmentbogen zugeführt wird, und daß anschließend
in an sich bekannter Weise der Formling entwässert, gepreßt, gesintert und geschliffen wird,
wobei während des Pressens ein magnetisches Feld zur Ausrichtung der Magnetteilchen angelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenanteile der verwendeten
Ferritmassen so gewählt werden, daß sie bei symmetrischem Aufbau des Magneten der Gleichung
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