Title:
Segmentierte Permanentmagnete
Kind Code:
A1


Abstract:

Ein segmentierter Magnet ist offenbart, der erste und zweite Schichten von permanentmagnetischem Material und eine dazwischen liegende Isolationsschicht umfasst. Die Isolationsschicht kann ein Seltenerdelement und eine Keramikmischung mit mindestens ersten und zweiten Keramikmaterialien umfassen. Die Keramikmaterialien können ein Halogen und ein Erdalkalimetall, ein Alkalimetall oder ein Metall mit einer Oxidationsstufe +3 oder +4 umfassen. Das Seltenerdelement kann bis zu 30 Gew-% der Isolationsschicht umfassen. Der segmentierte Magnet kann ausgebildet sein durch ein Aufbringen der Isolationsschicht auf eine erste gesinterte Permanentmagnetschicht, ein Stapeln einer zweiten gesinterten Permanentmagnetschicht in Kontakt mit der Isolationsschicht und beabstandet von der ersten gesinterten Permanentmagnetschicht und ein Erwärmen des ausgebildeten Magnetstapels. Der Schritt des Erwärmens kann ein Glühen des Magnetstapels bei einer Glühtemperatur innerhalb von 100 °C des Schmelzpunkts der Keramikmischung umfassen. embedded image




Inventors:
Li, Wanfeng, Mich. (Novi, US)
Application Number:
DE102017200142A
Publication Date:
07/12/2018
Filing Date:
01/09/2017
Assignee:
Ford Global Technologies, LLC (Mich., Dearborn, US)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Dörfler, Thomas, Dr.-Ing., 50735, Köln, DE
Claims:
Segmentierter Magnet, der Folgendes umfasst:
eine erste Schicht von permanentmagnetischem Material;
eine zweite Schicht von permanentmagnetischem Material; und
eine Isolationsschicht, die die ersten und zweiten Schichten trennt und ein Seltenerdelement und eine Keramikmischung mit mindestens ersten und zweiten Keramikmaterialien umfasst.

Magnet nach Anspruch 1, wobei die Keramikmischung einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger ist als ein Schmelzpunkt der ersten und zweiten Keramikmaterialien.

Magnet nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste oder das zweite Keramikmaterial eine Verbindung mit einer Formel AH2 umfasst, wobei A ein Erdalkalimetall und H ein Halogen ist.

Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste oder das zweite Keramikmaterial eine Verbindung mit einer Formel MH3 umfasst, wobei M ein Metall mit einer Oxidationsstufe +3 und H ein Halogen ist.

Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste oder das zweite Keramikmaterial eine Verbindung mit einer Formel BH umfasst, wobei B ein Alkalimetall und H ein Halogen ist.

Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramikmischung einen Schmelzpunkt aufweist, der kleiner oder gleich 1.000 °C ist.

Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Seltenerdelement Teil einer Seltenerdlegierung oder einer Seltenerdverbindung ist.

Magnet nach Anspruch 7, wobei die Seltenerdlegierung NdCu und/oder NdAl und/oder DyCu und/oder NdGa und/oder PrAl und/oder PrCu und/oder PrAg umfasst.

Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Seltenerdelement bis zu 20 Gew-% der Isolationsschicht umfasst.

Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das permanentmagnetische Material in den ersten und zweiten Schichten ein Nd-Fe-B-Magnet und das Seltenerdelement in der Isolationsschicht Nd ist.

Verfahren zum Ausbilden eines segmentierten Magneten, insbesondere eines Magneten einem der vorhergehenden Ansprüche, das Folgendes umfasst:
Aufbringen einer Isolationsschicht auf eine erste gesinterte Permanentmagnetschicht, wobei die Isolationsschicht ein Seltenerdelement und eine Keramikmischung mit mindestens ersten und zweiten Keramikmaterialien umfasst;
Stapeln einer zweiten gesinterten Permanentmagnetschicht in Kontakt mit der Isolationsschicht und beabstandet von der ersten gesinterten Permanentmagnetschicht zum Ausbilden eines Magnetstapels; und
Erwärmen des Magnetstapels.

Verfahren nach Anspruch 11, wobei die ersten und zweiten Keramikmaterialien aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Folgendem besteht:
einer Verbindung mit einer Formel AH2, wobei A ein Erdalkalimetall und H ein Halogen ist;
einer Verbindung mit einer Formel MH3, wobei M ein Metall mit einer Oxidationsstufe +3 und H ein Halogen ist; und
einer Verbindung mit einer Formel BH, wobei B ein Alkalimetall und H ein Halogen ist.

Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Keramikmischung einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger ist als ein Schmelzpunkt der ersten und zweiten Keramikmaterialien.

Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Erwärmens ein Glühen des Magnetstapels bei einer Glühtemperatur innerhalb von 100 °C des Schmelzpunkts der Keramikmischung umfasst.

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, das ferner ein Aufbringen von Druck auf den Magnetstapel während des Schritts des Erwärmens umfasst.

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, das ferner ein Segmentieren der ersten und zweiten gesinterten Permanentmagnetschichten von einem gesinterten Blockmagneten vor dem Schritt des Aufbringens umfasst.

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Seltenerdelement bis zu 30 Gew-% der Isolationsschicht umfasst.

Description:

Diese Erfindung betrifft segmentierte Magnete, beispielsweise Nd-Fe-B-Magnete.

Permanentmagnetmotoren werden häufig eingesetzt und können in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit von gesinterten Nd-Fe-B-Magneten sowie den Nutharmonischen können in den Magneten Wirbelstromverluste entstehen. Dies kann die Magnettemperatur erhöhen und die Leistung der Permanentmagnete beeinträchtigen, was zu einer entsprechenden Verringerung der Effizienz der Motoren führen kann. Bei dem Versuch, diese Probleme zu lösen und zu bewirken, dass die Magnete bei erhöhten Temperaturen funktionieren, können Magnete mit hoher Koerzitivfeldstärke in Motoren verwendet werden. Diese Magnete enthalten in der Regel teure schwere Seltenerdelemente (HRE - Heavy Rare Earth), wie z. B. Tb und Dy. Ein Verringern von Wirbelstromverlusten kann die Motoreffizienz verbessern und die Materialkosten können reduziert werden.

In mindestens einer Ausführungsform ist ein segmentierter Magnet bereitgestellt. Der Magnet kann eine erste Schicht von permanentmagnetischem Material; eine zweite Schicht von permanentmagnetischem Material; und eine Isolationsschicht, die die ersten und zweiten Schichten trennt und ein Seltenerdelement und eine Keramikmischung mit mindestens ersten und zweiten Keramikmaterialien umfasst, umfassen.

Die Keramikmischung kann einen Schmelzpunkt aufweisen, der niedriger ist als ein Schmelzpunkt der ersten und zweiten Keramikmaterialien. In einer Ausführungsform umfasst das erste oder das zweite Keramikmaterial eine Verbindung mit einer Formel AH2, wobei A ein Erdalkalimetall und H ein Halogen ist. In einer anderen Ausführungsform umfasst das erste oder das zweite Keramikmaterial eine Verbindung mit einer Formel MH3, wobei M ein Metall mit einer Oxidationsstufe +3 und H ein Halogen ist. In einer anderen Ausführungsform umfasst das erste oder das zweite Keramikmaterial eine Verbindung mit einer Formel BH, wobei B ein Alkalimetall und H ein Halogen ist.

Die Keramikmischung kann einen Schmelzpunkt aufweisen, der kleiner oder gleich 1.000 °C ist. Das Seltenerdelement kann Teil einer Seltenerdlegierung oder einer Seltenerdverbindung sein. Die Seltenerdlegierung kann NdCu und/oder NdAl und/oder DyCu und/oder NdGa und/oder PrAl und/oder PrCu und/oder PrAg umfassen. In einer Ausführungsform kann das Seltenerdelement bis zu 20 Gew-% der Isolationsschicht umfassen. Das permanentmagnetische Material in den ersten und zweiten Schichten kann ein Nd-Fe-B-Magnet sein und das Seltenerdelement in der Isolationsschicht kann Nd sein.

In mindestens einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Ausbilden eines segmentierten Magneten bereitgestellt. Das Verfahren kann ein Aufbringen einer Isolationsschicht auf eine erste gesinterte Permanentmagnetschicht, ein Stapeln einer zweiten gesinterten Permanentmagnetschicht in Kontakt mit der Isolationsschicht und beabstandet von der ersten gesinterten Permanentmagnetschicht zum Ausbilden eines Magnetstapels und ein Erwärmen des Magnetstapels umfassen. Die Isolationsschicht kann ein Seltenerdelement und eine Keramikmischung mit mindestens ersten und zweiten Keramikmaterialien umfassen.

In einer Ausführungsform können die ersten und zweiten Keramikmaterialien aus einer Gruppe ausgewählt sein, die aus Folgendem besteht: einer Verbindung mit einer Formel AH2, wobei A ein Erdalkalimetall und H ein Halogen ist; einer Verbindung mit einer Formel MH3, wobei M ein Metall mit einer Oxidationsstufe +3 und H ein Halogen ist; und einer Verbindung mit einer Formel BH, wobei B ein Alkalimetall und H ein Halogen ist.

Die Keramikmischung kann einen Schmelzpunkt aufweisen, der niedriger ist als ein Schmelzpunkt der ersten und zweiten Keramikmaterialien. Der Schritt des Erwärmens kann ein Glühen des Magnetstapels bei einer Glühtemperatur innerhalb von 100 °C des Schmelzpunkts der Keramikmischung umfassen. Das Verfahren kann ein Aufbringen von Druck auf den Magnetstapel während des Schritts des Erwärmens umfassen. Das Verfahren kann ein Segmentieren der ersten und zweiten gesinterten Permanentmagnetschichten von einem gesinterten Blockmagneten vor dem Schritt des Aufbringens umfassen. In einer Ausführungsform umfasst das Seltenerdelement bis zu 30 Gew-% der Isolationsschicht.

In mindestens einer Ausführungsform ist ein segmentierter Magnet bereitgestellt. Der Magnet kann eine erste Schicht von permanentmagnetischem Material; eine zweite Schicht von permanentmagnetischem Material; und eine Isolationsschicht umfassen, die die ersten und zweiten Schichten trennt und Folgendes umfasst: ein Seltenerdelement und eine Keramikmischung mit mindestens zwei Keramikmaterialien in einem eutektischen System. Die Keramikmischung kann einen Schmelzpunkt aufweisen, der innerhalb von 100 °C einer Temperatur des eutektischen Punkts des eutektischen Systems liegt. Das eutektische System kann ein binäres, ternäres oder quaternäres System sein.

In einer Ausführungsform ist mindestens eines der mindestens zwei Keramikmaterialien aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Folgendem besteht: einer Verbindung mit einer Formel AH2, wobei A ein Erdalkalimetall und H ein Halogen ist; einer Verbindung mit einer Formel MH3, wobei M ein Metall mit einer Oxidationsstufe +3 und H ein Halogen ist; und einer Verbindung mit einer Formel BH, wobei B ein Alkalimetall und H ein Halogen ist.

Weitere Ausführungen der Erfindung sind in den Zeichnungen offenbart.

  • 1 ist ein schematisches Beispiel eines Querschnitts eines gesinterten Magneten;
  • 2 ist eine Entmagnetisierungskurve eines gesinterten Nd-Fe-B-Magneten;
  • 3 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ausbilden eines segmentierten Magneten gemäß einer Ausführungsform; und
  • 4 ist ein Beispiel eines binären Phasendiagramms umfassend eine eutektische Reaktion für eine Mischung aus CaF2 und AlF3.

Wie erfordert, werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hier offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist.

Ein Ansatz zum Verringern von Wirbelstromverlusten ist, den Magneten in kleinere und dünnere Stücke zu schneiden oder zu teilen, und diese segmentierten Magnete anschließend zu einem Magneten in der gewünschten Größe mithilfe von Harz oder Epoxid zu verkleben. Um die Wirbelstromverluste zu verringern, sollte die Dicke von jedem segmentierten Magnetstück so klein wie möglich sein. Dies kann jedoch zu einem neuen Problem einer Verschlechterung der Eigenschaften nahe der Oberfläche des Magneten führen. Bei gesinterten Nd-Fe-B-Magneten ist bekannt, dass die Nd-reiche Phase für die Koerzitivfeldstärke des Magneten wichtig ist. Ein beispielhafter Querschnitt eines Magneten 10 ist in 1 gezeigt. Der Magnet 10 umfasst Körner 12, wie z. B. Nd2Fe14B-Körner, die durch Korngrenzen 14 getrennt sind. Die Körner nahe der Oberfläche 16 des Magneten neigen zu einem Fehlen der Nd-reichen Phase und neigen daher dazu, eine deutlich geringere Koerzitivfeldstärke aufzuweisen. Wird der Magnet 10 in kleinere Stücke geschnitten und/oder geschliffen, werden in die neu erzeugten Oberflächen Defekte eingeführt. Diese Defekte können Gitterdefekte, wie z. B. nichtgepaarte Bindungen, Verunreinigungen und/oder Punktdefekte, sowie größere Defekte oder Defekte auf Makroebene, wie z. B. erhöhte Oberflächenrauigkeit und/oder Rückstand aus dem Schneid-/Schleifprozess, umfassen. Im Allgemeinen verringert jede mechanische Beschädigung an dem Magneten, und somit an dem Nd2Fe14B-Gitter, das Anisotropiefeld des Magneten (und somit die Koerzitivfeldstärke).

Im Ergebnis sind in der Regel Knicke im zweiten Quadranten in den Hysteresekurven von gesinterten Nd-Fe-B-Magneten vorhanden. Sogar bei qualitativ hochwertigen Magneten mit schweren Seltenerdelementen (HRE - Heavy Rare Earth) ist der Knick noch zu sehen. Ein Beispiel ist in 2 gezeigt, die eine Entmagnetisierungskurve eines gesinterten Nd-Fe-B-Magneten mit hoher Koerzitivfeldstärke darstellt. Die Stärke des Knicks 18 kann basierend auf der Oberflächenrauigkeit und dem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Magneten variieren. Bei einem segmentierten Magneten liegen aufgrund der geringeren Dicke viel mehr Körner an einer Oberfläche frei. Diese Körner weisen im Allgemeinen eine deutlich geringere Koerzitivfeldstärke auf, was einen großen Knick im zweiten Quadranten der Hysteresekurve zur Folge haben kann. Daher kann die Leistung des Magneten deutlich schlechter als bei einem entsprechenden Blockmagneten mit derselben Zusammensetzung und Verarbeitungshistorie sein.

Die offenbarten segmentierten Permanentmagnete und Verfahren zum Ausbilden derselben können die Oberflächenweichheit und Beschädigung von gesinterten und segmentierten Nd-Fe-B-Magneten beseitigen, wobei dennoch segmentierte Magnete zu einem Magneten in Blockgröße kombiniert werden. Die offenbarten Magnete und Verfahren können die Koerzitivfeldstärke des gesinterten Nd-Fe-B-Magneten erhöhen und kombinieren zudem die Wärmebehandlung und den Kombinationsprozess zu einem Schritt.

Unter Bezugnahme auf 3 ist ein schematisches Verfahren zum Ausbilden eines segmentierten Magneten 20 gezeigt. Ein gesinterter Blockmagnet kann in kleinere gesinterte Magnetschichten 22 geschnitten oder segmentiert werden, ähnlich zu den oben beschriebenen segmentierten Magneten. Anstatt jedoch die Magnetschichten 22 mithilfe eines Epoxids zusammenzufügen, können Isolationsschichten 24 die Magnetschichten 22 trennen. Wie unten weiter im Detail beschrieben, können die Isolationsschichten 24 die beschädigten Oberflächen 26 der Magnetschichten 22, die während des Segmentierens erzeugt werden, „heilen“. Dementsprechend können die Oberflächen 26 der Magnetschichten 22 im Vergleich zu auf herkömmliche Weise zusammengefügten segmentierten Magneten (z. B. mithilfe von Epoxid) ein verbessertes Anisotropiefeld, und somit eine verbesserte Koerzitivfeldstärke, aufweisen.

Die magnetischen Schichten 22 können aus jedem geeigneten hart- oder permanentmagnetischen Material ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann das magnetische Material ein Seltenerdelement, wie z. B. Neodym oder Samarium, umfassen. Beispielsweise kann das magnetische Material ein Neodym-Eisen-Bor (Nd-Fe-B)-Magnet oder ein Samarium-Cobalt (Sm-Co)-Magnet sein. Die spezifischen magnetischen Materialzusammensetzungen können Nd2Fe14B oder SmCo5 umfassen, jedoch versteht es sich, dass Varianten dieser Zusammensetzungen oder andere Permanentmagnetzusammensetzungen ebenfalls verwendet werden können. Andere Materialien und/oder Elemente können ebenfalls in dem magnetischen Material enthalten sein, um die Eigenschaften des Magneten (z. B. magnetische Eigenschaften, wie z. B. Koerzitivfeldstärke) zu verbessern, beispielsweise schwere Seltenerdelemente wie z. B. Y, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu.

Die Isolationsschichten 24 können aus jedem geeigneten Material ausgebildet sein, das einen elektrischen Widerstand aufweist, der größer als der der magnetischen Schichten 22 ist. In einer Ausführungsform können die Isolationsschichten 24 ein Keramikmaterial umfassen. Ein Beispiel eines Materials, das getestet wurde, ist Calciumfluorid (CaF2). Es wurde jedoch festgestellt, dass Isolationsschichten aus CaF2 relativ dick sein müssen, um einen geeigneten Widerstand bereitzustellen. Dicke Schichten von CaF2 bewirken jedoch, dass ein Magnet schlechte mechanische Eigenschaften aufweist, was auf den relativ hohen Schmelzpunkt von CaF2 zurückzuführen sein kann, der höher als die in der Regel für Nd-Fe-B-Magnete verwendeten Sinter- und Glühtemperaturen ist.

Es hat sich herausgestellt, dass Mischungen von Keramikmaterialien in den Isolationsschichten 24 verwendet werden können, die niedrigere Schmelzpunkte aufweisen können als die zugrunde liegenden Keramiken. Diese Mischungen können eutektische Reaktionen nutzen. Obwohl die Keramiken dazu neigen, hohe Schmelzpunkte aufzuweisen, kann die eutektische Reaktion zwischen Keramiken den Schmelzpunkt einer Keramikmischung deutlich reduzieren. Selbst wenn die Gesamtzusammensetzung der Mischung eines Systems nicht an oder nahe an dem eutektischen Punkt liegt, kann an der Oberfläche der Teilchen der Mischung der Schmelzpunkt deutlich verringert sein. Beim Verdichtungsprozess von Keramiken kann die Ausbildung einer flüssigen Phase die Verdichtungsrate verbessern und somit die Kohäsionskraft der Isolationsschichten erhöhen. Beim Flüssigphasensintern ist der Materialtransport durch einen durchgehenden flüssigen Korngrenzenfilm viel schneller und wird durch Kapillarkräfte unterstützt, die durch Hohlräume in der in den Zwischenräumen zwischen den Teilchen vorhandenen Flüssigkeit entstehen. Ferner kann ein Erhöhen des Flüssigphasenvolumens während des Sinterns die Wechselwirkung zwischen dem Magneten und den Isolationsschichten verbessern.

In einer Ausführungsform können die Isolationsschichten 24 eine Mischung aus (z. B. zwei oder mehreren) Verbindungen umfassend ein Erdalkalimetall und ein Halogen umfassen. Diese Verbindungen können eine Formel AH2, wie z. B. Difluoride, umfassen, wobei A ein Erdalkalimetall und H ein Halogen ist. Die Erdalkalimetalle können Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Radium (Ra) umfassen. Die Halogene können Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Iod (I) und Astat (At) umfassen. In mindestens einer Ausführungsform kann das Erdalkalimetall Calcium und/oder Magnesium sein. In mindestens einer Ausführungsform kann das Halogen Fluor (F) oder Chlor (Cl) sein. Mischungen können aus zwei oder mehreren aus jeder Kombination der oben genannten ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Mischung MgF2 und CaF2 umfassen.

Die Isolationsschichten 24 können auch Verbindungen mit einer Formel MH3, wie z. B. Trifluoride, umfassen, wobei M ein Metall mit einer Oxidationsstufe +3 und H ein Halogen ist. Verbindungen mit einer Formel MH4 können ebenfalls enthalten sein, wobei das Metall eine Oxidationsstufe +4 aufweist. Beispiele von Metallen M können Aluminium, Eisen, Zirkonium, Seltenerdelemente oder andere Metalle in den Aluminium- und Scandiumspalten des Periodensystems umfassen. Diese Verbindungen können mit AH2-Verbindungen wie oben beschrieben gemischt sein.

Zusätzlich zu den oben genannten Verbindungen kann die Mischung eine oder mehrere Verbindungen umfassend ein Alkalimetall und ein Halogen umfassen. Die Alkalimetalle können Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb) oder Caesium (Cs) umfassen. Dementsprechend kann die Mischung Verbindungen wie z. B. LiF, NaF, KF, LiCI, NaCl, KCl oder jede andere Kombination umfassen. Diese Verbindungen können eine Formel BH aufweisen, wobei B ein Alkalimetall und H ein Halogen ist.

Die oben genannten Verbindungen können in jeder Kombination gemischt sein, um binäre, ternäre oder quaternäre Systeme oder höher (z. B. Systeme mit 2, 3, 4 oder mehr Komponenten) auszubilden. Alle Systeme können einen Verbindungstyp umfassen (z. B. binäre oder ternäre Systeme, wobei alle Erdalkalimetall-Halogen- oder alle Alkalimetall-Halogen-Verbindungen sind), wie z. B. ein binäres System MgF2 und CaF2 oder ein ternäres System LiF-NaF-KF. Oder die Systeme können gemischt sein, wie z. B. ein binäres System mit einer Erdalkalimetall-Halogen- und einer Alkalimetall-Halogen-Verbindung oder ein ternäres System mit zwei von einem Typ und einem von dem anderen Typ. Gleichermaßen können Metall-Halogen-Verbindungen in Irgendeines der oben genannten aufgenommen sein.

Ein Phasendiagramm, das eine Mischung aus AlF3 und CaF2 zeigt, ist in 4 gezeigt. Die eutektische Temperatur für dieses System beträgt etwa 836 °C, was viel niedriger ist als jeder der einzelnen Schmelzpunkte mit 1.410 °C (CaF2) und 1.291 °C (AlF3). Die eutektische Zusammensetzung beträgt etwa 37,5 Mol-% AlF3.

Diese binären, ternären, quaternären oder höheren Systeme können eutektische Systeme sein. Die für die Isolationsmaterialmischung verwendete Gesamtzusammensetzung kann an oder nahe an dem eutektischen Punkt liegen, so dass der Schmelzpunkt der Mischung im Vergleich zu den zugrunde liegenden Komponenten verringert ist. Beispielsweise kann die Zusammensetzung innerhalb eines bestimmten Molverhältnisses des eutektischen Punkts liegen, wie z. B. 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 % oder 30 %. Dies ist sehr einfach für ein binäres System, wie z. B. AlF3 und CaF2, beschrieben. Der eutektische Punkt dieses Systems liegt bei etwa 37,5 Mol-% AlF3 und 62,5 % CaF2, daher kann die Zusammensetzung, bei einer Zusammensetzung, die innerhalb von 10 % des eutektischen Punkts liegt, 27,5 % bis 47,5 % AlF3 und 52,5 % bis 72,5 % CaF2 sein. Dasselbe kann bei anderen binären Systemen oder bei ternären und quaternären Systemen zutreffen. In einer Ausführungsform kann die Zusammensetzung der Mischung für das binäre System AlF3 und CaF2 30 % bis 60 % AlF3 im Molverhältnis und 40 % bis 70 % CaF2 im Molverhältnis sein.

Wie oben beschrieben, kann sogar, wenn die Zusammensetzung der Mischung keine eutektische Zusammensetzung ist, dennoch ein Schmelzen an der Oberfläche der Teilchen oder Pulver bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt auftreten. Dementsprechend können sogar relativ kleine Mengen einer zweiten oder zusätzlichen Verbindung das Sintern verbessern. Daher kann die Zusammensetzung mindestens 5 Mol-% einer zweiten oder zusätzlichen Verbindung, beispielsweise mindestens 10 Mol-%, 15 Mol-%, 20 Mol-% oder 25 Mol-%, umfassen. Die zweite oder zusätzliche Verbindung kann jede der Verbindungen in einem binären System sein. Beispielsweise kann, wenn die zweite Verbindung mit 10 Mol-% in dem System AlF3 und CaF2 vorhanden ist, die Zusammensetzung entweder 10 Mol-% AlF3 oder 20 Mol-% CaF2 sein. Dasselbe kann bei anderen binären Systemen oder bei ternären und quaternären Systemen zutreffen.

Anders ausgedrückt, die für die Isolationsmaterialmischung verwendete Gesamtzusammensetzung kann an oder nahe an dem eutektischen Punkt liegen, so dass der Schmelzpunkt der Mischung an oder nahe an der Temperatur des eutektischen Punkts liegt. Beispielsweise kann die Zusammensetzung derart ausgelegt sein, dass der Schmelzpunkt innerhalb einer bestimmten Temperatur der Temperatur des eutektischen Punkts liegt, wie z. B. innerhalb von 5 °C, 10 °C, 25 °C, 50 °C, 75 °C oder 100 °C. Wenn die Zusammensetzung dazu ausgelegt ist, einen Schmelzpunkt aufzuweisen, der innerhalb von 50 °C der Temperatur des eutektischen Punkts für eine Mischung aus AlF3 und CaF2 (eutektischer Punkt von 836 °C) liegt, dann kann die Zusammensetzung dementsprechend einen Schmelzpunkt von 786 °C bis 886 °C aufweisen. Da jedoch der eutektische Punkt in der Regel einen minimalen Schmelzpunkt (oder zumindest ein lokales Minimum) darstellt, kann die Zusammensetzung einen Schmelzpunkt von der Temperatur des eutektischen Punkts (836°C) bis 886 °C aufweisen.

In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der für die Isolationsschichten verwendeten Mischungen kann der Schmelzpunkt variieren. Die Zusammensetzung der Isolationsmaterialmischung kann derart ausgelegt sein, dass der Schmelzpunkt kleiner oder gleich 1.100 °C, 1.050 °C oder 1.000 °C ist, beispielsweise 800 °C bis 1.100 °C, 850 °C bis 1.000 °C, 800 °C bis 950 °C, 850 °C bis 950 °C, 800 °C bis 900 °C, 900 °C bis 1.000 °C, 950 °C bis 1.000 °C, 800 °C bis 875 °C oder 800 °C bis 850 °C. Der Schmelzpunkt der Mischung kann niedriger als eine Sintertemperatur des magnetischen Materials sein. In einer Ausführungsform kann die Sintertemperatur des magnetischen Materials 1.000 °C bis 1.100 °C sein, beispielsweise 1.025 °C bis 1.075 °C oder etwa 1.060 °C. Der Schmelzpunkt der Isolationsschichten kann an oder nahe an der Glühtemperatur der Magnetschichten 22 liegen. Beispielsweise kann der Schmelzpunkt innerhalb von (z. B. ±) 10 °C, 25 °C, 50 °C, 75 °C oder 100 °C der Glühtemperatur liegen. Wenn die Glühtemperatur 900 °C beträgt und der Schmelzpunkt innerhalb von 25 °C liegt, kann der Schmelzpunkt daher 875 °C bis 925 °C betragen. Gleichermaßen kann die Glühtemperatur innerhalb von (z. B. ±) 10 °C, 25 °C oder 50 °C der Schmelztemperatur liegen. Wie oben beschrieben kann sogar, wenn die Zusammensetzung der Mischung keine eutektische Zusammensetzung ist (z. B. Molverhältnis von etwa 1:1 für MgF2 und CaF2 und 37,5 Mol-% AlF3 für AlF3 und CaF2), dennoch ein Schmelzen an der Oberfläche der Teilchen oder Pulver auftreten, wodurch der Materialtransport und die Verdichtung während des Sinterns verbessert werden.

Durch Verringern der Schmelztemperatur des Isolationsschichtmaterials kann die Isolationsschicht zumindest teilweise während einer Glüh-Wärmebehandlung nach dem Zusammenfügen der Magnetschichten 22 und der Isolationsschichten 24 schmelzen. Dieses Schmelzen kann die Adhäsionskraft zwischen den Magnet- und Isolationsschichten erhöhen, während zudem die Diffusion zwischen den Schichten verbessert wird. Hierdurch kann ein „Kleben“ (z. B. Zusammenfügen) der magnetischen Schichten 22 und das Glühen der magnetischen Schicht 22 in einem einzigen Schritt durchgeführt werden. Dieser Schritt kann das Aufbringen von Druck, beispielsweise senkrecht zu den gestapelten Schichten, umfassen. Der Druck kann erhöht werden, wenn die Schmelztemperatur der Isolationsschichten 24 höher als die Glühtemperatur ist. Im Gegensatz dazu kann der Druck verringert oder, in einigen Ausführungsformen, weggelassen werden, wenn die Schmelztemperatur der Isolationsschichten 24 niedriger als die Glühtemperatur ist.

In mindestens einer Ausführungsform können die Isolationsschichten 24 ein oder mehrere Seltenerdelemente (REE - Rare Earth Elements), Seltenerdlegierungen (REA - Rare Earth Alloys) oder Seltenerdverbindungen (REC - Rare Earth Compounds) umfassen. Seltenerdelemente können Cer (Ce), Dysprosium (Dy), Erbium (Er), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Holmium (Ho), Lanthan (La), Lutetium (Lu), Neodym (Nd), Praseodym (Pr), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Scandium (Sc), Terbium (Tb), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Yttrium (Y) umfassen, die leichte und schwere Seltenerdelemente umfassen. Seltenerdlegierungen können jede Legierung umfassen, die mindestens ein Seltenerdelement umfasst, und können Nicht-Seltenerdelemente umfassen. Gleichermaßen können Seltenerdverbindungen jede Verbindung umfassen, die mindestens ein Seltenerdelement umfasst, und können Nicht-Seltenerdelemente umfassen. Beispiele möglicher Seltenerdlegierungen können NdCu, NdAl, DyCu, NdGa, PrAl, PrCu und/oder PrAg umfassen. Die Seltenerdlegierungen können ein oder mehrere Seltenerdelemente sowie Kupfer und/oder Aluminium und/oder Gallium und/oder Silber umfassen. Die Seltenerdelemente, Seltenerdlegierungen und/oder Seltenerdverbindungen können mit anderen oben unter Bezug auf die Isolationsschichten 24 offenbarten Materialien gemischt sein. Beispielsweise können die Isolationsschichten 24 MgF2 und CaF2 und NdCu oder AlF3 und CaF2 und NdAl umfassen.

Die Seltenerdelemente, Seltenerdlegierungen oder Seltenerdverbindungen können als eine Art Kleber oder Bindemittel dienen, wenn sie mit den Isolationsmaterialien gemischt werden. Der Gesamtschmelzpunkt der Isolationsschichten 24 mit den Seltenerdelementen kann sich ebenfalls innerhalb der oben offenbarten Bereiche befinden. Wenn ein Schmelzen oder ein teilweises Schmelzen der Isolationsschichten auftritt, können die Seltenerdelemente in den Isolationsschichten 24 in die magnetischen Schichten 22 diffundieren. Wie zuvor beschrieben können die Oberflächen der segmentierten magnetischen Schichten erhebliche Beschädigung aus dem Segmentierungsprozess aufweisen. Die Diffusion der Seltenerdelemente aus den Isolationsschichten 24, wie z. B. Nd, können die Magnetschichten 22 durch Erhöhen der Konzentration von Nd an der Oberfläche des Magneten „heilen“. Nd-reiche Phasen sind sehr wichtig für die Koerzitivfeldstärke von Nd-Fe-B-Magneten; daher kann ein Erhöhen von Nd an der Oberfläche die Koerzitivfeldstärke an der Oberfläche der Magnetschichten 22 erhöhen. Die Seltenerdlegierungen, die einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen, können eine verbesserte Diffusion der Seltenerdelemente in die Oberfläche der Magnetschichten 22 ermöglichen.

Während ein Hinzufügen von Seltenerdelementen/-legierungen/-verbindungen die magnetischen Eigenschaften und die Bindung zwischen den Magnet- und Isolationsschichten verbessern kann, weisen diese in der Regel einen sehr geringen elektrischen Widerstand auf, und sie in eine Isolationsschicht einzubringen, kann dem Zweck der Isolationsschicht entgegenstehen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Leitfähigkeit einer Mischung von metallischen und dielektrischen Materialien der Perkolationstheorie unterliegt. Daher kann die Leitfähigkeit der Isolationsschichten durch ein Steuern der Menge an Metall oder Legierungspulvern in der Mischung moduliert werden. Wenn das Volumenverhältnis der metallischen Komponente geringer als ein Schwellenwert ist, kann die Leitfähigkeit der Mischung nahezu Null sein. Wenn das Volumenverhältnis der metallischen Komponente über dem Schwellenwert liegt, kann die Leitfähigkeit der Mischung einer dielektrischen und einer metallischen Komponente in etwa ausgedrückt werden als: σ(ppc)μembedded image

Wobei µ der entscheidende Exponent ist, der das Verhalten der Leitfähigkeit bei variierendem Volumenverhältnis von Metall und Isolationsmaterialien beschreibt, p als das Volumenverhältnis der metallischen Komponente angesehen werden kann und pc der Schwellenwert ist, der die Ausbildung von weitreichenden Verbindungen einer Metallphase anzeigt. Daher können Seltenerdelemente/-legierungen/- verbindungen mit Isolationspulvern bis zu einer bestimmten Menge gemischt werden, um die mechanischen und/oder magnetischen Eigenschaften von segmentierten Magnetschichten zu verbessern, jedoch ohne die Leitfähigkeit auf ein inakzeptables Maß zu erhöhen. Wenn das Verhältnis der metallischen Pulver unter dem Schwellenwert liegt, wäre die Isolationsschicht immer noch dielektrisch. Wenn ein bestimmtes Maß an elektrischer Leitfähigkeit akzeptabel ist, kann der Anteil der Seltenerdelemente erhöht werden, bis dieses Maß erreicht ist. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, dass bei einem Gewichtsverhältnis von 20 Gew-% der spezifische Widerstand der Isolationsschicht immer noch bis zu 1,5×105Ω·cm betragen kann. In einer Ausführungsform können die Seltenerdelemente, Seltenerdlegierungen und/oder Seltenerdverbindungen 1 bis 30 Gew-% der Isolationsschichten 24 oder irgendeinen Teilbereich darin umfassen. Beispielsweise können die Seltenerdelemente, Seltenerdlegierungen oder Seltenerdverbindungen 5 bis 30 Gew-%, 5 bis 25 Gew-%, 10 bis 25 Gew-%, 15 bis 25 Gew-% oder etwa 20 Gew-% (z. B. ±5 Gew-%) umfassen.

Unter erneuter Bezugnahme auf 3 ist ein segmentierter gesinterter Magnet 20 im Querschnitt gezeigt. Der Magnet 20 kann mehrere magnetische Schichten 22 und eine oder mehrere Isolationsschichten (IL - Insulating Layers) 24 aufweisen. Die Isolationsschichten 24 können zwischen den magnetischen Schichten 22 angeordnet sein, um den elektrischen Widerstand des Magneten 20 zu erhöhen und Wirbelstromverluste zu reduzieren. Die Isolationsschichten 24 können in direktem Kontakt mit zwei beabstandeten und gegenüberliegenden magnetischen Schichten 22 sein. Die magnetischen und/oder Isolationsschichten 24 können eine einheitliche oder im Wesentlichen einheitliche Dicke (z. B. innerhalb 5 % der durchschnittlichen Dicke) aufweisen. Es können mehrere Isolationsschichten 24 vorhanden sein, beispielsweise eine Isolationsschicht 24 zwischen jedem Paar benachbarter magnetischer Schichten 22. In einer Ausführungsform können „x-1“ Isolationsschichten 24 vorhanden sein, wenn „x“ magnetische Schichten 22 vorhanden sind. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind drei magnetische Schichten 22 und zwei Isolationsschichten 24 vorhanden, jedoch kann jede geeignete Anzahl jeder Schicht vorhanden sein. Der Magnet kann mindestens zwei magnetische Schichten 22 derart umfassen, dass diese durch eine Isolationsschicht 24 getrennt sind. Es können jedoch 3, 4, 5, 10 oder mehr magnetische Schichten 22 vorhanden sein, die entsprechend 2, 3, 4, 9 oder mehr Isolationsschichten 24 umfassen können, die zwischen jedem Paar magnetischer Schichten 22 angeordnet sind.

In mindestens einer Ausführungsform kann bzw. können die Isolationsschicht(en) 24 relativ dünn sein. Beispielsweise kann bzw. können die Isolationsschicht(en) 24 eine Dicke (z. B. durchschnittliche Dicke) von 1 bis 1.000 µm oder jeden Teilbereich darin aufweisen. In einer Ausführungsform können die Isolationsschichten 24 eine Dicke von 5 bis 500 µm, 5 bis 300 µm, 5 bis 200 µm, 5 bis 150 µm, 5 bis 100 µm, 5 bis 50 µm, 5 bis 25 µm, 10 bis 500 µm, 10 bis 250 µm, 10 bis 150 µm, 25 bis 250 µm, 25 bis 150 µm, 50 bis 150 µm, 50 bis 100 µm oder 25 bis 100 µm aufweisen. Dicken außerhalb dieser Bereiche können jedoch ebenfalls möglich sein. In einer Ausführungsform kann die Dicke dick genug sein, um trotz der Oberflächenrauigkeit der magnetischen Schichten 22 eine durchgehende Schicht von Widerstandsmaterial bereitzustellen.

Um den Magneten 20 auszubilden, kann ein Blockmagnet, der zuvor gesintert wurde, in dünnere Stücke oder Schichten 22 geschnitten, segmentiert oder anderweitig geteilt werden. In Abhängigkeit von der Rauigkeit der Schichten kann nach dem Segmentieren ein Polier- oder Schleifschritt folgen. Der Blockmagnet kann ein Seltenerdmagnet, wie z. B. ein Nd-Fe-B- oder Sm-Co-Magnet, sein. Nachdem die Schichten 22 ausgebildet sind, kann eine Isolationsschicht 24 auf die Magnetschicht 22 aufgebracht, aufgetragen oder angeordnet werden. Die Isolationsschicht 24 kann eine Mischung aus Materialien umfassen, die Isolationsmaterialien und „Klebstoff“-Materialien wie oben beschrieben umfassen können. Beispielsweise können die Isolationsmaterialien AH2- und/oder MH3-Materialien, wie z. B. Ca/MgF2 und/oder AlF3, umfassen. Wie oben beschrieben, können diese Mischungen im Vergleich zu ihren einzelnen Bestandteilen verringerte Schmelzpunkte aufweisen.

Die Isolationsschichten 24 können als ein Pulver, eine Suspension, ein Sprühmittel, eine Flüssigkeit, eine Platte, ein Grünkörper oder in jeder anderen geeigneten Form aufgebracht werden. Wenn die Schicht beispielsweise als ein Pulver aufgebracht wird, können die Magnetschichten 22 in eine Form platziert werden und das Isolationspulver kann auf oder über einer Magnetschicht aufgetragen werden. Das Pulver kann nivelliert, gepresst oder anderweitig einheitlich gemacht werden, bevor eine andere Magnetschicht 22 auf oder über die Isolationspulverschicht platziert wird. Diese Schritte können wiederholt werden, bis eine gewünschte Anzahl an Isolationsschichten 24 eine gewünschte Anzahl an Magnetschichten 22 trennt.

Sobald der Stapel an Magnetschichten 22 und Isolationsschichten 24 ausgebildet ist, kann ein Koaleszenzprozess durchgeführt werden. Dieser Prozess kann ein Erwärmen des Magnetstapels und gegebenenfalls ein Aufbringen von Druck (z. B. senkrecht zu den gestapelten Schichten, wie gezeigt) umfassen. Dieser Prozess kann bei derselben Temperatur und/oder über dieselbe Dauer wie der herkömmliche Glühprozess durchgeführt werden, und kann daher den Glühprozess ersetzen. Bei dem offenbarten Magnetstapel kann die Wärmebehandlung auch bewirken, dass sich die gesinterten magnetischen Schichten 22 und die ungesinterten Isolationsschichten 24 aneinander binden. Die Bindung kann durch Diffusion aufgrund der Wärmebehandlung, die an oder nahe an dem Schmelzpunkt des Isolationsmaterials stattfindet, entstehen. In mindestens einer Ausführungsform entsteht die Bindung ohne irgendeinen Klebstoff oder ein Harz, wie z. B. Polymere oder Epoxide. Die Isolationsschicht kann in einer Ausführungsform nur aus anorganischen Materialien (z. B. Keramiken) und Metall(en) bestehen.

Die Seltenerdelemente, Seltenerdlegierungen oder Seltenerdverbindungen an oder nahe an den segmentierten Oberflächen des Magneten können die in den Oberflächen der magnetischen Schichten 22 als Ergebnis des Segmentierungsprozesses entstandene Beschädigung „heilen“. Seltenerdelemente, wie z. B. Nd, können aus dem Isolationsmaterial in die Oberfläche der magnetischen Schichten 22 diffundieren, wodurch die Menge an Nd-reicher Phase an der Oberfläche erhöht und die Koerzitivfeldstärke der Schichten erhöht wird. Druck kann ebenfalls aufgebracht werden, um die Bindung zwischen den Isolationsschichten und den magnetischen Schichten zu verbessern. Höhere Drücke können aufgebracht werden, wenn die Isolationsmaterialien einen Schmelzpunkt aufweisen, der höher als die Wärmebehandlungstemperatur ist. Geringere Drücke (oder kein Druck) können bzw. kann aufgebracht werden, wenn die Isolationsmaterialien einen Schmelzpunkt aufweisen, der genauso hoch oder niedriger als die Wärmebehandlungstemperatur ist.

Die offenbarten Magnete können für jede magnetische Anwendung verwendet werden, in der Hart-/Permanentmagnete verwendet werden. Die Magnete können vorteilhaft sein, wenn Wirbelströme entstehen. In einer Ausführungsform können die Magnete in Elektromotoren oder Generatoren verwendet werden, wie sie z. B. in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen verwendet werden. Die offenbarten Magnete und Verfahren zum Ausbilden derselben können die Temperatur des Magneten verringern, so dass eine geringere Koerzitivfeldstärke des Magneten erforderlich ist. Daher sind weniger schwere Seltenerdmaterialien erforderlich, was die Kosten von Elektromotoren verringert. Zudem wird Energie gespart, was den Kraftstoffverbrauch/die Reichweite (MPG - Miles Per Gallon) von Elektrofahrzeugen verbessern kann.

Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung gebrauchten Worte eher Worte der Beschreibung als der Einschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.