DE2527461C2 - Verfahren zur Herstellung von anisotropen Segmentmagneten für elektrische Maschinen - Google Patents

Description

V_R _ 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

V_Ä = 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 _ ,H_C(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 (,H_c , > ,Hc₂). Dagegen ist die Remanenz des Werkstoffs 2 höher als die des Werkstoffs 1 (B_r2> B_ri). 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 H_cz ist, wie aus F i g. 2 hervorgeht, abhängig von der Luftspaltentmagnetisierung Hl und der maximalen Feldstärke H_Gr. bei der der Knickpunkt der Funktion /= f(H) liegt. Das heißt, daß H_ez um so größer wird, je größer H_Gr und je kleiner H_L ist.

Eine Vergrößerung der maximalen Feldstärke Her ist aufgrund des gegebenen Energiegehaltes der Ferritwerkstoffe nur auf Kosten einer Verringerung der Remanenz B_r 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 B_r und Koerzitivfeldstärke iHc — maximiert werden, so ist es notwendig, da3 jeder Werkstoff voll mit der höchstzulässigen Entmagnetisierungsfeldstärke H_cz 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 H_ez\ und H_ezi 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

,H_ci > ,H,2 und B_r2 > B_r],

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

K_o„

(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 = v_R + ■

50 (8)

Gleichung (8) eingesetzt in (6) bzw. (7) gibt

V_Ges

iHAK) '

^_ = i ( <^Hc(^R) ι Λ
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: _tH_c = 320 kA/m, B_r = 350 mT,
Masse 2: ,H_c = 256 KA/m: ß_r = 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)

Patentansprüche:

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 B_r und an mindestens einem Segmentende derjenige mit der höchsten Koerzitivfeldstärke iH_c 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