Kleinmotoren und Stellantriebe Dünnere Ferrite, kleinere Motoren

Im Automobilbau beeinflusst jedes zusätzliche Gramm Gewicht den Energieverbrauch und damit die Umweltbelastung negativ. Dem lässt sich entgegenwirken, indem man beispielsweise möglichst leichte Klein- und Stellmotoren ins Fahrzeug einbaut. Ein neuer anisotroper Hochleistungs-Ferritmagnet für solche Anwendungen ist nur noch 1,0 mm dick.

Obwohl in den letzten Jahren Magnete aus dem Seltenerdmetall Neodym in Bezug auf Produktionswert die Spitze des Marktes erklommen haben, werden Ferritmagnete wegen der besseren Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien weiterhin in größeren Mengen produziert. Verbesserte Ferritmagnete können zur Lösung einiger Fragen beitragen, vor der unsere Gesellschaft heutzutage steht: Beispiele sind die Einsparung von Energie, der Umweltschutz und der sparsame Umgang mit Ressourcen.

TDK hat nun ein neues Produktionsverfahren mit dem Ferrit »FB12« als Ausgangsmaterial entwickelt. Mithilfe dieses Verfahrens kann das Unternehmen mit »FB13B« und »FB14H« anisotrope Hochleistungs-Ferritmagnete herstellen, die nur 1,0 mm dick sind. Diese neuen Magnete erlauben es nicht nur, Größe und Gewicht von Fahrzeugen mit Elektromotoren zu reduzieren, sondern sie ermöglichen auch mehr Freiheit und Flexibilität bei der Entwicklung einer Vielzahl von Motoren und Stellantrieben.

Magnete aus Strontiumferrit (Sr) werden häufig dort eingesetzt, wo hohe Magnetkräfte benötigt werden, denn Sr-Magnete zeichnen sich unter allen Ferritmagneten durch die höchste Restflussdichte (Br) und Koerzitivkraft (HCJ) aus. Sr-Ferrit wird durch die chemische Formel SrO6Fe2O3 beschrieben, wobei zusätzliche Spurenelemente die Eigenschaften verbessern.

Obwohl bereits viele Wissenschaftler umfassende Untersuchungen an einer großen Zahl verschiedener Materialzusammensetzungen durchgeführt hatten und viele glaubten, Ferritmagnete hätten bereits ihr maximales Potenzial erreicht, entwickelte TDK 1997 die Lanthan-Kobalt-Ferritmagnete (La-Co) der Serie »FB9«. Mit ihrer neuen Zusammensetzung bot sie erhebliche Verbesserungen gegenüber den Eigenschaften herkömmlicher Magnete.

So ließ sich mit FB9 das maximale Energieprodukt gegenüber der herkömmlichen Serie »FB6« um rund 30 Prozent steigern (Bild 1). Der Schlüssel, um das maximale Potenzial dieses Materials zu erschließen, lag in der Verfahrenstechnik, die eine der Kerntechnologien des Unternehmens ist. FB12, das TDK 2007 am Markt einführte, ist ein neuer Werkstoff, der die magnetischen Eigenschaften von FB9 noch übertrifft. Erreicht wurde das, indem man das Ferritpulver noch feiner mahlte und weiter homogenisierte und außerdem die Mikrostruktur besser steuern konnte (Bild 1).

Das Ergebnis: FB12 hat ein über 20 Prozent höheres maximales Energieprodukt als das FB9, wobei der Hersteller gleichzeitig die Beständigkeit gegen Entmagnetisierung im Tieftemperaturbereich signifikant verbessern konnte und so eine gleichmäßig stabile Leistung über einen Temperaturbereich von -40 °C bis +150 °C ermöglichte. Da es sich bei Ferrit um eine Art von Keramik handelt, war es mit den herkömmlichen Produktionsverfahren schwierig, Dicken von weniger als 3 mm herzustellen.

Die Nachfrage nach dünnen Magneten für kleinere und leichtere Gleichstrommotoren nimmt jedoch ständig zu. Daher hat TDK unter der Bezeichnung »NS1« ein neues Produktionsverfahren für Ferritmagnete entwickelt.

NS1 kombiniert das hauseigene Verfahren zum Füllen mit hoher Dichte mit dem Werkstoff FB12 als Ausgangsbasis, um dünne anisotrope Ferritmagnete mit hoher Leistung herzustellen.

Die Dicken liegen zwischen 1,0 mm und 2,5 mm. FB13B und FB14H sind Neuentwicklungen, bei denen das NS1-Verfahren zur Anwendung kommt.

Die Restflussdichte liegt bei etwa 475 mT (FB13B) beziehungsweise 470 mT (FB14H), die Koerzitivkraft bei zirka 380 kA/m (FB13B) beziehungsweise 430 kA/m (FB14H).

Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für die Miniaturisierung eines Motors durch Einsatz solch dünner, harter anisotropischer Ferrite mit hoher Leistung in einem mehrpoligen Motor.

Fast so gut wie Neodym-Magnete

Als Folge des zunehmenden Trends zur weiteren Miniaturisierung von Motoren in den letzten Jahren werden auch gebundene Neodym-Magnete mit ihrer vielseitigen Konfigurierbarkeit bei Anwendungen in Motoren häufig eingesetzt. Wenn Elektromotoren jedoch unter schwierigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, müssen gebundene Neodym-Magnete beschichtet werden, um ihre Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

Die dünnen anisotropen Hochleistungs-Ferritmagnete von TDK (FB13B, FB14H) nutzen die Eigenschaften des Ferrits mit seiner hervorragenden Wärme- und Korrosionsbeständigkeit, sodass eine zusätzliche Beschichtung wegfallen kann. Außerdem kann die Magnetisierung sehr einfach nach der Montage der Motoren vorgenommen werden (Tabelle 2).

 Gebundenes Neodym-System
 Ferrit
 
 anisotrop
isotrop
FB6B
FB13B
Restflussdichte Br
590 mT
740 mT
420 mT
475 mT
Koerzitivkraft HCJ
1100 kA/m
717 kA/m
300 kA/m
380 kA/m
Temperaturkoeffizient von HCJ
-0,50%/K
-0,40%/K
+0,30%/K
+0,11%/K
Wärmebeständigkeit
- (1)
- (1)
++
++
Korrosionsbeständigkeit
- (1)
- (1)
++
++
Freiheit der Konfiguration (Dicke)++-+
leichte Magnetisierbarkeit
- (2)
- (2)
++
++
Tabelle 2: Ein Vergleich von Neodym-Magneten, herkömmlichen Ferritmagneten und anisotropen Hochleistungswerkstoffen, die mit neuen Verfahren hergestellt werden ((1): Beschichtung nötig; (2): starkes Magnetfeld nötig)

Bild 2 zeigt ein Beispiel für den Ersatz eines gebundenen Neodym-Magneten durch einen FB13B/FB14H-Magneten.

Bei diesem Prozess musste die Dicke des Gehäuses beziehungsweise der magnetischen Auskleidung angepasst werden, eine Änderung bei den Durchmessern von Motor und Läufer war jedoch nicht nötig. Das NS1-Verfahren überschreitet die Grenzen herkömmlicher Techniken, erlaubt eine größere Freiheit bei der Konfiguration der Ferritmagnete und lässt auch spezielle Formen der Außenwände zu.

Dieses Verfahren ermöglicht es zum Beispiel, einen C-förmigen Motormagneten in einer bogenförmigen Konfiguration mit großem Radius einzusetzen, der um den Läufer herum angeordnet werden kann, ohne die Konstruktion des übrigen Motors ändern zu müssen.

Damit lässt sich der verfügbare Raum im Motorgehäuse optimal nutzen. Die Leistung des Motors liegt dank umfassender Ausnutzung der Vorteile des Werkstoffs FB13B/FB14H in der Größenordnung von Motoren mit Neodym-Magneten. 

Wie Bild 3 zeigt, nimmt das Anlaufdrehmoment des Motors durch den neuen Werkstoff erheblich zu, wobei die Kombination mit einer Bogenform mit großem Radius das Drehmoment noch weiter erhöht und damit in den Bereich von Neodym-Magneten bringt.

Durch die Optimierung der Orientierung der Partikel und die damit verbundene Verbesserung der Orientierung der Magnetisierung entsteht ein Ferritmagnet mit ganz besonderen Eigenschaften.

Die neuen Werkstoffe FB13B/FB14H - Ergebnisse der Werkstofftechnologie, der Verfahrenstechnologie und weiterer Kerntechnologien von TDK - machen dünne Hochleistungs-Ferritmagnete zur Realität. Sie leisten einen wesentlichen Anteil dabei, Motoren und Stellantriebe mit geringerer Größe und höherer Leistung herzustellen.