Anisotrop weichmagnetisches Material mit mittlerer Anisotro ^¬ pie und geringer Koerzitivfeidstärke sowie dessen Herstel- lungsverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein anisotrop weichmagne ^¬ tisches Material mit mittlerer Anisotropie und geringer Koer ^¬ zitivfeidstärke sowie dessen Herstellungsverfahren.

Anisotrop weichmagnetische Materialien sind dazu geeignet, insbesondere das Drehmoment in Reluktanzmotoren wirksam zu steigern. Damit wird diese Permanentmagnet-freie Motorklasse 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 derzeit verfügbaren Materialien, wie es beispielsweise NdFeB-weich ist, ist einerseits die obere erreichbare Permea ^¬ bilität bei <100 begrenzt, andererseits wird eine maximale Magnetisierung von ca. 1,5 T erreicht. Dadurch wird der Ef- fekt nur ungenügend ausgebildet. Weiterhin sind die mechani ^¬ schen und elektrischen Eigenschaften der Verbindung eingeschränkt, sowie die herstellbedingte Formgebung begrenzt.

Intern bekannter Stand der Technik sind magnetisch hoch ani- sotrope NdFeB-Verbindungen, die durch spezielle Prozessführung in der sogenannten uniaxialen leichten Richtung eine Koerzitivfeidstärke aufweisen, die in realen Flussführungs- Geometrien 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 . Gemäß dem internen Stand der Technik wird ein Permeabilitäts ^¬ unterschied in sogenannter schwerer Richtung zu leichter Richtung von μr = 1,6 zu μr < 60 und damit lediglich ungenügend erreicht. In Folge einer sehr hohen einachsigen Anisotropie der intermetallischen Verbindung NdFeB lässt sich die Permeabilität kaum steigern, da die Ummagnetisierung erst durch eine Keimbildung mit anschließender spontaner Rotation erreicht wird. Gleichzeitig ist die maximale Magnetisierung von NdFeB-weich auf 1,6 T begrenzt, und liegt deutlich unterhalb der von herkömmlicherweise eingesetztem FeSi-Blech. Die [1] offenbart, dass die Anisotropie von FeB Verbindungen experimentell bestimmt wurde. Fig. 4 zeigt eine Magnetisie ^¬ rungskurve senkrecht zu der leichten Ebene. Man sieht, dass man durch die Zusammensetzung unterschiedliche Sättigungsfel ^¬ der/Anisotropiefelder und entsprechend unterschiedlich An- fangssteigungen/Permeabilitäten einstellen kann. Man erreicht bis einige Zehntel Tesla Sättigungsfelder, während man bei NdFeB weich in der Gegend von einigen Tesla liegt. Diese Werte könnten für einen Reluktanzmotor noch ausreichen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein anisotrop weichmagnetisches Material mit mittlerer Anisotropie und ge ^¬ ringer Koerzitivfeidstärke bereit zu stellen, wobei in einer leichten Flussrichtung eine hohe Permeabilitätszahl, insbesondere im Bereich bis zu circa 300, und in einer zur leichten Flussrichtung senkrechten schweren Richtung eine mittlere Permeabilitätszahl, insbesondere im Bereich von circa 3 bis circa 10 geschaffen ist. Es soll ein geeignetes Herstellungs ^¬ verfahren für das Material zur Verfügung gestellt werden.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein anisotrop weichmagneti- sches Material mit mittlerer Anisotropie und geringer Koerzi- tivfeidstärke vorgeschlagen, wobei in einer leichten Flussrichtung eine hohe Permeabilitätszahl, insbesondere im Bereich bis zu ca. 300, und in einer zur leichten Flussrichtung senkrechten schweren Richtung eine mittlere Permeabilitäts- zeit, insbesondere im Bereich von ca. 3 bis ca. 10 bereitge ^¬ stellt wird, wobei entlang einer leichten Ebene des Materials, dieses mit der hohen Permeabilitätszahl erzeugt ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines anisotrop weichmagnetischen Materials mit mittlerer

Anisotropie und geringer Koerzitivfeidstärke vorgeschlagen, wobei in einer leichten Flussrichtung eine hohe Permeabilitätszahl, insbesondere im Bereich bis zu ca. 300, und in ei ^¬ ner zur leichten Flussrichtung senkrechten schweren Richtung eine mittlere Permeabilitätszahl, insbesondere im Bereich von ca. 3 bis ca. 10 bereitgestellt wird, wobei entlang einer leichten Ebene des Materials, dieses mit der hohen Permeabi ^¬ litätszahl erzeugt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Materialsystem können 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. Infolge der homogenen Feldverteilung werden eine geringere Drehmomentwelligkeit , eine geringere Schwinganregung und eine geringere Geräusch ^¬ entwicklung im Vergleich zum Stand der Technik möglich. Es sind gegenüber Flusssperrenschnitten leicht Außenläufermotoren zu realisieren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Material eisenhaltige Bor-Verbindungen, insbesondere Fe2B oder Fe3B, aufweisen .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Ei- sen zusätzlich durch Co, Cr oder Si teilweise substituiert und beispielsweise Fe1.4C0Q.6B sein.

Vorteil der FeB Legierungen ist, dass sie keine Seltenerdma ^¬ terialien enthalten und deshalb potentiell billig sind. Die Sättigungsmagnetisierung erreicht 1-3-1.6 T je nach Zusam- mensetzung und noch mehr, wenn man Fe teilweise durch Co substituiert. Das ist ein weiterer Vorteil gegenüber NdFeB weich .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Material ein System R2 (Co]__ _x M _x ) 17 mit

R=Seltenerdmetalle/M=Metall, insbesondere Ce/Fe, Nd/Fe,

Nd/Mn, Nd/Al, Gd/Fe, Dy/Fe, Er/Fe, Tm/Fe, Y/Fe, Y/Ni ausbil ^¬ den .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Er- zeugen des Materials als Pulver mit Partikelgrößen im Bereich von ca. 10 bis 100 ym ausgeführt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Erzeugen des Materials als Pulver mittels rasch Erstarren aus- geführt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Compoundieren des Pulvers in einem Magnetfeld ausgeführt wer ^¬ den . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Ausrichten des Pulvers in einem Magnetfeld ausgefüllt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Erzeugen eines Formkörpers mittels Heißpressen, Sintern oder eines polymerbasierten Kompaktierens ausgeführt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das polymerbasierte Kompaktieren mittels Metall-Spritzgießens (Metall Injection Molding) ausgeführt werden.

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 erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Figur 4 eine weitere Darstellung zu einem erfindungsgemäßen

Ausführungsbeispiel ;

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Verfahrens .

Figur 1 zeigt eine Darstellung hinsichtlich der erfindungsgemäßen Aufgabe. Dargestellt ist ein Blechschnitt eines her ^¬ kömmlichen Reluktanzmotors. Die Pfeile zeigen jeweilige

Hauptmagnetisierungsrichtungen, wobei 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 Hauptmagneti ^¬ sierung kann ebenso als leichte Richtung bezeichnet werden. Diese Richtung verläuft parallel zur Hauptmagnetisierungs ^¬ richtung HR. Die Richtung senkrecht zur Hauptmagnetisierungs ^¬ richtung HR kann als schwere Richtung bezeichnet werden. Figur 2 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 3 zeigt eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Aus- führungsbeispiels für das Material. Die gemäß der vorliegen ^¬ den Erfindung vorgeschlagenen chemischen Verbindungen sollen die Eigenschaften einer hohen Permeabilität in Flussrichtung bei gleichzeitig mittlerer Anisotropie μ_:<10 senkrecht dazu, sowie einer möglichst hohen Sättigungsmagnetisierung erfül- len. Dafür kommen hoch eisenhaltige Verbindungen in Frage, wie es beispielsweise Fe2B und das metastabile Fe3B sowie mit

Teilsubstitution durch Co, Cr, Si sind. Neben der geringen Rohstoffkosten und der hohen Sättigungsmagnetisierung von 1,3 bis 1,7 T beträgt das Anisotropiefeld in der leichten Ebene ca. 0,4 bis 0,7 T. Damit wird ein unteres Permeabilitätsniveau von μr ungefähr von 3 bis 5 erreicht. Das Koerzitivfeld der Legierung Fe3B wird in einigen Literaturstellen mit

4,2kA/m angegeben. Damit liegt der obere Wert für die Permea ^¬ bilität bei ca. 300, also deutlich oberhalb der Werte für NdFeB-weich. In einem System R2 (Co _] __ _x M _x ) 17 mit R=Seltenerd- metall/M=beispielsweise Fe, Mn, AI usw. wird für diverse Zu ^¬ sammensetzung ebenfalls die Ausbildung einer leichten Ebene berichtet. Siehe hierzu [2] . Die nachteiligen Merkmale der Verbindung NdFeB-weich werden durch die hier beschriebenen erfindungsgemäßen Fe/Co-basier- ten Systeme mit mittlerer Kristalloanisotropie behoben, die bevorzugt in einer sogenannten leichten Ebene liegt. Dabei wird die Eigenschaft einer leichten Ebene im Gegensatz zur leichten uniaxialen Richtung genutzt. Innerhalb der Ebene ist eine Ummagnetisierung durch Rotation mit sehr geringen Verlusten möglich, und zwar aufgrund des niedrigen Koerzitiv- feldes und einer hohen Permeabilität. Um diese Kristalleigen ^¬ schaften in einem System Fe(Co)B mit mittlerer intrinsischer planarer Anisotropie nutzen zu können, sind entsprechende Herstellungsverfahren notwendig. Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komposits 1, wobei Fe ₃ B verwendet wird und mittels der Kombi ^¬ nation mit der Form-Anisotropie zu einem mittleren intrinsi ^¬ schen Anisotropie-System führt. Gemäß diesem System ist H _a ~ 630 kA/m. Figur 4 ist der [1] entnommen.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Um die erfindungsgemäßen Kristalleigenschaften im System Fe(Co)B mit mittlerer intrinsischer planarer Anisotropie nutzen zu können, muss ein geeignetes Kompaktierungsver- fahren eingesetzt werden, das eine makroskopische Orientie ^¬ rung der schweren Richtung ermöglicht und zu Formkörper höchstmöglicher Dichte führt. Dabei ist die Kristallitgröße im Formkörper im Gegensatz zu typischen Dauermagneten, bei denen sie als Voraussetzung für dauermagnetische Eigenschaf- ten notwendig ist, nicht erheblich. Zur Ausrichtung für einen Schritt S3 werden daher typischerweise Pulver im Bereich we ^¬ niger 10 bis 100 ym erzeugt, und zwar in einem zweiten

Schritt S2. Beispielsweise wird in einem System Fe (Co) 3B das

Pulver mittels Rascherstarrung erzeugt. Diese Pulver werden als solche oder bereits Compoundiert einer Magnetfeldausrich ^¬ tung unterzogen (S3) und mittels eines Heißpressens, Sinterns oder eines polymerbasierten Kompaktierungsverfahrens , bei ^¬ spielsweise ebenso Metall Injection Moulding (MIM) zu stabi- len Formkörpern mit der gewünschten Geometrie und magnetischen Vorzugsrichtung umgewandelt (S4) . Durch die Auswahl eines geeigneten Materials kann in einem ersten Schritt Sl entlang einer leichten Ebene des Materials, dieses mit einer ho- hen Permeabilitätszahl erzeugt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein anisotrop weichmagne ^¬ tisches Material und dessen Herstellung mit mittlerer Anisot ^¬ ropie und geringer Koerzitivfeidstärke, wobei in einer leich- ten Flussrichtung eine hohe Permeabilitätszahl, insbesondere im Bereich bis zu ca. 300 und einer zur leichten Flussrichtung senkrechten schweren Richtung eine mittlere Permeabilitätszahl, insbesondere im Bereich von ca. 3 bis ca. 10 be ^¬ reitgestellt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Material verwendet wird, das entlang einer leichten Ebe ^¬ ne eine hohe Permeabilitätszahl aufweist.

[1] W. Coene, F. Hakkens, R. Coehoor, D. B. de Mooij and C. de Waard, "Magnetocrystalline Anisotropy of Fe3B, Fe2B and Fe]_. ziCoQ.gB as studied by Lorentz Electron Microscopy, Sin ^¬ gular Point Detection and Magnetization Measurements", in Journal of Magnetism and Magnetic Materials 96 (1991) 189-196 North Holland, 0304-8853/91-Elsevier Science Publishers BV (North Holland)

[2] Kirchmayr, Burzo, Seite 362, Landolt-Börnstein, New Se- ries III/19d2