Mai 2012

Ferritmagnete für Mikromotoren

Kompakt, leistungsstark, wirtschaftlich

Extrem dünne und anisotrope TDK Ferritmagnete sind bei Abmessungen und Leistungsparametern mit Seltenerdmagneten vergleichbar. Mit den Magneten FB13B und FB14H lassen sich kostengünstige, drehmomentstarke Mikromotoren und Stellantriebe realisieren.

Die Nachfrage nach kleinen, leichten und trotzdem energiesparenden und leistungsstarken Elektromotoren steigt – vor allem bei Automobilanwendungen. Hier nimmt die Anzahl der verbauten Elektromotoren kontinuierlich zu. Die Magnetauswahl beeinflusst Größe, Gewicht und Energieeffizienz eines Elektromotors entscheidend. Die derzeit leistungsfähigsten Produkte sind gesinterte Neodym-Magnete mit zugesetztem Dysprosium (Dy) zur Verbesserung der intrinsischen Koerzitivkraft (HCJ). Seltenerdmetalle wie Neodym und vor allem Dysprosium stehen jedoch nur in sehr begrenzten Mengen zur Verfügung und sind entsprechend teuer.

TDK hat daher die Forschung nach Alternativen zu Seltenerdmaterialien intensiviert. Neben der Teilnahme an Forschungsprojekten mit Japans größter staatlicher F&E-Einrichtung, der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), für die Entwicklung von seltenerd-sparenden Motoren hat sich TDK auf die Entwicklung von leistungsstarken Magneten konzentriert, die auf weitaus größeren Vorkommen von Ferritrohstoffen basieren. Ziel ist es, Motoren mit hoher Leistung zu wettbewerbsfähigen Kosten für den Einsatz in Massenanwendungen zu realisieren. Dazu zählen etwa Kompressormotoren für Klimaanlagen sowie Mikromotoren in Elektrofahrzeugen.

Führender Anbieter von Ferritmagneten
TDK ist ein Wegbereiter auf dem Gebiet der Hochleistungsferritmagnete mit einem geringen Anteil von Seltenerdmetallen. So hat TDK bereits in den 1990er Jahren innovative Verbundmaterialien mit den zusätzlichen Spurenelementen Lanthan (La) und Kobalt (Co) eingeführt, welche die intrinsische Koerzitivkraft (HCJ) wesentlich verbessert haben. TDK bietet zahlreiche anisotrope Magnete an, die im Feucht- oder Trockenpressverfahren hergestellt werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Leistungsverbesserung bei gesinterten TDK Ferritmagneten

Spektrum der anisotropen TDK Magnete, die im Feucht- oder Trockenpressverfahren hergestellt werden.

Beide Verfahren haben Vorteile: Das trockene Pressen ermöglicht kleinere und komplexere Formen als das Feuchtpressen. Demgegenüber bieten feucht gepresste Magnete wie das Material FB12 eine höhere Leistung. Der Temperaturkoeffizient von FB12 beträgt nur ein Drittel seines Vorgängers FB6. Dadurch ist der Entmagnetisierungswiderstand bei niedrigen Temperaturen erheblich verbessert. Mit einem HCJ-Wert von 402 kA/m bei –40 °C ist dessen intrinsische Koerzitivkraft etwa 1,9 Mal so hoch wie bei FB6N. Somit kann der Permeanzkoeffizient (PC) klein und der Magnet extrem dünn gehalten werden.

Neben der überlegenen magnetischen Leistung feuchtgepresster Magnete weist diese Technologie auch Einschränkungen auf: Die kleinste Pressdicke beträgt 3 mm und es wird ein beträchtlicher Zuschlag für das Schleifen nach dem Kalzinieren benötigt. Der Nachteil liegt in dem zusätzlichen Prozessschritt Schleifen. Außerdem besteht das Risiko, dass sich die Festigkeit des Magnets beim Schleifen verschlechtert oder der Magnet sogar bricht. Bei Nutzung der konventionellen Trocken- oder Nasspressung müssen sich die Entwickler also entweder für einen dünnen Formfaktor oder eine höhere Magnetleistung entscheiden.

Neue Fertigungstechnologie für extrem dünne Ferritmagnete
Um dieses Problem zu lösen, hat TDK mit dem Material NS1 eine neue Fertigungstechnologie entwickelt. NS1 ist ein neues endabmessungsgenaues Pressverfahren zur Erzielung einer magnetischen Anisotropie in dünnen Materialien. Es gewährleistet, dass die Abmessungen und die Form des hergestellten Produkts dem Endprodukt bereits weitgehend entsprechen. Dadurch reduziert sich der Aufwand für die Endbearbeitung der Oberfläche bedeutend. Darüber hinaus sichert NS1 sogar bessere magnetische Kennwerte als das Nasspressverfahren. Das neue Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass es formgepresste Magnete mit einheitlicher Dichte und optimierter magnetischer Ausrichtung liefert. Daher bieten die neuen anisotropen Ferritmagnete FB13B und FB14H eine Magnetleistung, die der von Seltenerdmagneten nahekommt. Die Magnete können dabei sogar nur 1 mm dünn sein. Sie ebnen somit den Weg für die weitere Miniaturisierung von mehrpoligen Motoren (Tabelle 1).

Tabelle 1: Entwürfe von Motoren mit konventionellen und TDK NS1-Ferritmagneten

MaterialFB6BFB9BFB13B
Anzahl der Pole224
Motordurchmesser [mm]403733,4
Motor-Volumenverhältnis [%]1008670
Dicke der Magnetwand [mm]5,03,51,9
Magnetgewichtsverhältnis, gesamt [%]1007240
Verglichen mit den konventionellen anisotropen Ferritmagnet-Materialien FB6B und FB9B
erlauben die neuen extrem dünnen Magneten FB13B und FB14H die Fertigung von mehr-poligen Bürsten-Mikromotoren, die 30 Prozent kleiner und 60 Prozent leichter sind.

Mehr Designfreiheit bei höherer Leistung
Die Nachfrage der Automobilindustrie nach kleineren und vor allem sehr leichten Motoren nimmt durch die Forderung nach weiterer Kraftstoffeinsparung und Senkung der CO2-Emissionen stets zu. Die dünnen Magnete FB13B und FB14H stellen bei der Entwicklung von mehrpoligen Miniaturmotoren eine wirtschaftliche Alternative zu Neodym-Magneten dar. Außerdem können so Motoren gebaut werden, die 30 Prozent kleiner und 60 Prozent leichter sind. Darüber hinaus besitzen die neuen Ferritmagnete eindeutige Vorteile bezüglich Wärme- und Korrosionsbeständigkeit sowie der Magnetisierbarkeit.

Abbildung 2: Drehmoment eines Mikromotors mit TDK FB13B-Magneten

Mikromotoren mit FB13B-Magneten können ein um bis zu 14 Prozent höheres Drehmoment bereitstellen (Messung an einem Motor mit 14 mm Durchmesser).

Bisher mussten trocken gepresste Magnete verwendet werden, da feuchtgepresste Magnete nicht dünn genug waren. Mit dem NS1-Verfahren hingegen können die Magnete FB13B und FB14H jetzt konventionelle, trocken gepresste dünne Magnete in Bürsten-Mikromotoren (Ø14 mm) ersetzen, die deren Motorleistung erheblich verbessern (Abbildung 2) und unter anderem in Automobilanwendungen Verwendung finden. Zudem erlaubt die vom NS1-Verfahren gewährleistete Formbarkeit die Fertigung von C-förmigen Magneten mit beidseitig tiefer gezogenen Schenkeln (Abbildung 3). Weiterhin bieten sie ein um 14 Prozent höheres Drehmoment als der gleichgeformte Typ FB5D. Damit erreichen die Motoren Leistungswerte, die denen von Motoren mit Neodym-Magneten vergleichbar sind.

Abbildung 3: Freiheit im Design ermöglicht größere Leistung

Das neue TDK Fertigungsverfahren NS1 bietet eine größere Freiheit im Design und erlaubt damit tiefer um den Rotor gezogene Magnetschenkel für ein wesentlich größeres Drehmoment.

Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis
Wegen der hervorragenden mechanischen und magnetischen Eigenschaften in Verbindung mit der jetzt möglichen dünnen Formgebung empfehlen sich die TDK Ferrit-Materialien FB13B und FB14H für den Einsatz in Motoren für elektrische Fensterheber, elektrisch verstellbare Sitze, Kraftstoffpumpen oder andere kleine Motoren und Stellglieder. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die wichtigsten magnetischen Eigenschaften der beiden Materialien.

 

Tabelle 2: Magnetische Eigenschaften der TDK Ferritmagnete FB13B und FB14H

MaterialFB13BFB14H
Remanenz BR [mT]475 ±10470 ±10
Koerzitivkraft HCB [kA/m]340 ±20355 ±20
Intrinsische Koerzitivkraft HCJ [kA/m]380 ±20430 ±20
Maximales Energieprodukt BH [kJ/m³]44,0 ±1,643,1±1,6
Temperaturkoeffizient von BR [%/K]-0,18-0,18

Die neuen leistungsstarken und dünnen Ferritmagnete sind eine gute Alternative zu Lösungen, die mit Seltenerdmetallen realisiert werden. Außerdem weisen Magnete auf Basis der Materialien FB13B und FB14H durch das optimierte Fertigungs- und Schleifverfahren ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis auf.

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