Magnete Der richtige Dreh

Werkstoff- und Formoptimierung von Seltenerd-Dauermagneten treibt die Rotorenentwicklung in der Antriebstechnik voran. Seit Entdeckung der Neodym-Eisen-Bor-Magnetwerkstoffe (Nd-Fe-B) 1982 ist deren...

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Seit Entdeckung der Neodym-Eisen-Bor-Magnetwerkstoffe (Nd-Fe-B) 1982 ist deren Produktion ständig gestiegen. Weltweit wurden im Jahr 2002 rund 16 400 t gesinterte Magnete in verschiedenen Formen und Abmessungen gefertigt. Die hervorragenden magnetischen Eigenschaften haben vielseitige Anwendungen ermöglicht. So positionieren Magnetsysteme (Voice Coil Motors) die Schreib- und Leseköpfe in elektronischen Rechnern. In zahlreichen Motoren erzeugen Nd-Fe-B- oder Sm-Co-Werkstoffe die Magnetfelder. Magnete übertragen in Kupplungen das Drehmoment. In Messgeräten werden damit elektrische Ströme in akustische oder mechanische Signale umgewandelt.Die magnetischen Eigenschaften werden vom hohen magnetischen Moment des Übergangsmetalls Eisen oder Kobalt und von starken elektrischen Kristallfeldern erzeugt, welche die magnetischen Momente parallel zu einer Kristallachse ausrichten (magnetische Anisotropie). Die intermetallische Nd2Fe14B-Verbindung hat mit 1,6 Tesla eine sehr hohe magnetische Polarisation, eine Curie-Temperatur von 312 °C und eine Anisotropiefeldstärke von 5400 kA/m. Im Vergleich dazu ist bei der SmCo5-Verbindung die Polarisation mit 1,07 Tesla niedriger, dafür jedoch die Curie-Temperatur mit 720 °C höher und die Anisotropiefeldstärke mit 32000 kA/m extrem hoch.Basierend auf diesen hartmagnetischen Eigenschaften wurden gesinterte Nd-Fe-B-Magnete mit so hohen Koerzitivfeldstärken entwickelt, dass in Servomotoren Betriebstemperaturen bis zu 150 °C möglich sind. Bild 1 zeigt typische Entmagnetisierungskurven der gesinterten Magnete Vacodym 688 AP der Va-cuumschmelze GmbH & Co. KG (VAC), Hanau, bei unterschiedlicher Temperaturbelastung. Eine maximale Temperaturbelastung bis zu 230 °C ist möglich.Gesinterte Nd-Fe-B-Magnete haben ein mehrphasiges Gefüge, das aus hartmagnetischen Nd2Fe14B-Körnern, Nd-reichen Gefügebestandteilen und Nd-Oxiden besteht. Insbesondere die Nd-reichen Bestandteile sind chemisch sehr reaktiv und bilden mit Wasserdampf und Sauerstoff helle Nd-Hydroxide, die sich leicht von der Oberfläche lösen, was messbare Massenverluste verursacht. Bei dieser Korrosion entsteht Wasserstoff, der Hydride bildet und das Gefüge zusätzlich versprödet. Infolge der Substitution der Nd-reichen Gefügebestandteile durch nicht so reaktive Nd-Co-Cu-Al-Phasen konnte die Korrosion wesentlich verringert werden. Bild 2 zeigt die Massenverluste von gesinterten Nd-Fe-B-Magneten im Vergleich zu den neu entwickelten Magnetsorten Vacodym 6xx von VAC. Für einen weitergehenden Korrosionsschutz können die Magnete mit metallischen Schichten (Sn, Ni, Al, Ni und Sn), Elektrotauch- oder aluminiumhaltigen Sprühlacken geschützt werden.Erhöhte Leistungsdichten bei SynchronmotorenIn der Vergangenheit war die Gleichstrommaschine für drehzahlvariable Antriebe am besten geeignet, weil sie über Feldschwächung und Ankerspannungsstellung in der Drehzahl zu regeln ist. Der mechanische Kommutator erfordert aber einen hohen Wartungsaufwand. Dafür ist die Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine billig und robust. Die Wartungsintervalle werden durch die Lager bestimmt. Die Drehzahlregelung erfordert einen Umrichter. Die Leistungselektronik trägt durch geringe Schaltverluste bei immer höheren Spannungen und Strömen mit sinkenden Kosten dazu bei, dass neben elektronisch kommutierten Motoren die Synchron- und Asynchron-Drehfeldmaschinen immer attraktiver werden.Höchste Leistungsdichten sind mit Synchronmaschinen zu erzielen, die über Selten-Erd-Magnete (SE) erregt werden. Mit hochpoligen Maschinen (Grundwellenfrequenzen bis in den Kilohertz-Bereich hinein) lassen sich Direktantriebe mit hohem Drehmoment realisieren. Der robuste, wartungsarme Antrieb hat einen hohen Wirkungsgrad, eine große Regelgenauigkeit und Dynamik bei kleinstem Bauraum und Gewicht. Bei Direktantrieben entfallen Getriebe und damit deren Nachteile, wie Verluste, Wartung und Getriebelose sowie Geräusche. Diese Antriebe werden für rotatorische wie auch translatorische Bewegungen (Linearmotoren) gefertigt. Zu denen zählen typischerweise die Servomotoren für Werkzeugmaschinen und Roboter, aber auch Hochleistungsmotoren im Megawattbereich für Walzen, Schiffslenkpropeller und Windkraftgeneratoren. Anwendungsschwerpunkt ist die EnergieumwandlungAuf der Vermittlungsfunktion des magnetischen Feldes basiert die Wandlung von elektrischer in mechanische Energie (Motoren, Aktuatoren) oder umgekehrt (Generatoren, Sensoren) sowie von elektrischer in elektrische Energie (Transformatoren, Messwandler). Induktions- und Kraftwirkungsgesetz beschreiben die ablaufenden Prozesse. Die elektrischen Strompfade sind durch die Leiterbahnen (Wicklung) vorgegeben. Das Magnetfeld wird im weichmagnetischen Werkstoff geführt. Das Feld lässt sich elektrisch durch Spulen oder permanentmagnetisch erregen. Bei magnetischer Erregung entfallen die Stromverluste. Der Vorteil des Dauermagneten liegt daher in der höheren Energiedichte (weniger Platzbedarf). Nachteilig ist dagegen die fehlende einfache Veränderbarkeit des Feldes zur Drehzahlregulierung.Der Permanentmagnet hat eine potenzielle Energie und dient nur als Vermittler bei der Energiewandlung. Er ist nicht am Leistungsumsatz beteiligt, speist keine Energie in den Prozess ein und „verliert“ - bei richtiger Dimensionierung - seine Energie nicht.Für rotierende Antriebe haben sich Schalen und Quader als bevorzugte Magnetgeometrien herausgebildet. Die Stäbchenfertigung wurde bei VAC für hohe Stückzahlen kostenoptimiert zur technischen Reife gebracht. Bei diesem Fertigungsverfahren wird der Magnetpol durch tangentiales Aneinanderreihen mehrerer Stäbchen gebildet. Die dafür nötigen Fertigungsschritte sind: das Erzeugen hochkoerzitiver Werkstoffe, Pressen und Flachschleifen sowie Netshape ohne Schleifbearbeitung und Geometriekontrolle mit einem Videomaten.Namhafte Hersteller von Servomotoren setzen bei großen Stückzahlen auf dieses Design. Der modularen Längenstaffelung kann damit am besten Rechnung getragen werden. Die Magnetdicke wird motortechnisch und nicht durch die Herstellbarkeit bestimmt. Weitere Vorteile bestehen darin, dass sich unterschiedliche Achshöhen und Polzahlen mit einer Stäbchenform nur in unterschiedlicher Anzahl pro Polbreite darstellen lässt. Das Aufkleben der Magnete erfolgt wirtschaftlich nur automatisiert und im nicht magnetisierten Zustand, woraus sich noch andere Vorteile im Fertigungsablauf ergeben. Bei voller Belegung der Mantelfläche kann ohne Rücksichtnahme auf die Magnetkontur auch geschrägt magnetisiert werden, um Nutrastmomente zu unterdrücken.Bei kleinen Stückzahlen rentieren sich Klebeautomaten und die erforderliche Magnetisiertechnik nicht. Die Magnete müssen magnetisiert und von Hand montiert werden. Dafür sind aber nur polformgerechte Schalen geeignet. Bei besonderen Forderungen an Laufruhe und sinusförmiger Feldverteilung genügt die Stäbchentechnik den Ansprüchen nicht mehr. Für diese Fälle sind Schalenmagnete mit besonderer Profilgestaltung von Vorteil. Schalenmagnete können relativ kostengünstig als gerade Schale hergestellt werden, die jedoch engeren Randbedingungen hinsichtlich der Geometrie und des Abmessungsverhältnisses im Vergleich zu den Stäbchen unterliegt. Die Kosten erhöhen sich hauptsächlich durch Aufmaße und Schleifzeiten. So führen fehlende Führungs- und Anlageflächen zu einer Steigerung der Schleifkosten bei geschränkten Schalen aufgrund der erforderlichen Spannvorrichtungen, der separaten Schleifdurchgänge und der Umspannarbeiten für jede Seite. Im Vergleich zur geraden Schale sind die Schleifkosten um das Achtfache höher.Fertigungsoptimierte Schale eliminiert axiale KräfteFür dieses Problem hat die VAC eine weltweit patentierte Lösung gefunden: die fertigungsoptimierte Schale - wegen ihrer Form kurz „Schmetterling“ genannt (Bild 3). Diese Lösung hat außerdem den Vorteil, dass keine axialen Kräfte wie bei einer bisher üblichen einseitigen Schrägung entstehen und der Läufer beim Drehrichtungswechsel nicht mehr in der Lagerluft axial springt. Auch im rastmomentsensitiven Bereich der elektrischen Lenkhilfe bei PKW-Anwendungen wurden diese Schalen mit hervorragendem Ergebnis bemustert.Gegenwärtig ist kein Trend zugunsten von Stäbchen oder Schale zu verzeichnen. Auf Schalen entfällt bei VAC nur 1/3 des Umsatzes. Wenn jedoch im Automobilbau die X-by-Wire-Technik greift, wird der Anteil an Schalen stark ansteigen. Die meisten dieser Antriebe mit Leistungen über 200 W werden auf Basis von permanenterregten EC-Motoren konzipiert. Sie haben Nd-Fe-B-Magnete und einen Läuferdurchmesser unter 50 mm, der für Schalen bevorzugt gewählt wird. Auch darauf hat sich VAC eingestellt und die Netshape-Technik für Schalen weiterentwickelt.