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(11) | EP 2 521 143 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Magnetisch wirksamer Werkstoff |
| (57) Die Erfindung geht aus von einem magnetisch wirksamen Werkstoff, insbesondere für
elektrotechnische, magnetische und/oder elektronische Anwendungen. Es wird vorgeschlagen, dass der Werkstoff zumindest eine magnetisch wirksame Teilkomponente (10a-c) aufweist, die zellular ausgebildet ist und die eine Porenstruktur (12a-c) aufweist. |
Stand der Technik
[0002] Aus dem Stand der Technik sind bereits magnetisch wirksame Werkstoffe, insbesondere für elektrotechnische, magnetische und/oder elektronische Anwendungen, bekannt.
Vorteile der Erfindung
[0003] Die Erfindung geht aus von einem magnetisch wirksamen Werkstoff, insbesondere für elektrotechnische, magnetische und/oder elektronische Anwendungen.
[0004] Es wird vorgeschlagen, dass der Werkstoff zumindest eine magnetisch wirksame insbesondere erste Teilkomponente aufweist, die zellular ausgebildet ist und die eine Porenstruktur aufweist. Dadurch kann ein elektromagnetisches Schwingungsverhalten des Werkstoffs deutlich verbessert und ein vorzugsweise geringes Gewicht und eine im Vergleich zu einem Lamellenpaket hohe Quersteifigkeit erreicht werden. Vorzugsweise ist die magnetisch wirksame Teilkomponente dazu vorgesehen, eine mit einer elektromagnetischen und/oder magnetischen Schwingung empfangene Energie zumindest teilweise zu reflektieren, zu absorbieren und/oder zu leiten. Insbesondere soll unter "magnetisch wirksam" verstanden werden, dass der Werkstoff, bevorzugt die zellulare erste Teilkomponente, eine Permeabilitätszahl größer als 4, vorteilhaft größer als 40, besonders vorteilhaft größer als 100, aufweist. Vorzugsweise weist die magnetisch wirksame erste Teilkomponente eine ferromagnetische oder vorteilhaft ferrimagnetische Eigenschaft auf. Unter einer "Teilkomponente" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Komponente verstanden werden, die den Werkstoff zumindest teilweise formt. Vorteilhaft bildet die erste Teilkomponente zwischen 20 % und 80 %, besonders vorteilhaft zwischen 30 % und 70 %, eines Volumens des magnetisch wirksamen Werkstoffs. Bevorzugt ist der Werkstoff von zumindest der magnetisch wirksamen ersten Teilkomponente und von zumindest einer magnetisch weniger wirksamen, vorteilhaft unwirksamen, zweiten Teilkomponente gebildet. Vorteilhaft ist die zweite Teilkomponente zumindest teilweise von Luft, von einem Öl, von einem Kunststoff, von einem Harz und/oder von einem anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Stoff gebildet. Alternativ oder zusätzlich könnte die zweite Teilkomponente zumindest teilweise von einer Umgebung des Materials abhängig sein. Vorzugsweise bildet die magnetisch wirksame erste Teilkomponente eine zusammenhängende, insbesondere schwammartig zellulare Struktur. Bevorzugt ist die magnetisch wirksame erste Teilkomponente zumindest teilweise, vorteilhaft vollständig, aus einem metallischen Material gebildet. Insbesondere ist die magnetisch wirksame erste Teilkomponente aus einem, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Material, bevorzugt jedoch aus einem Eisenbasiswerkstoff, einem Stahl, einem Ferrit, aus Mumetall, aus einer Eisen-Silizium-Legierung, aus einem amorphen Metall und/oder aus einem nanokristallinen Metall. Insbesondere soll unter dem Begriff "zellular" verstanden werden, dass die magnetisch wirksame erste Teilkomponente mehrere Zellen aufweist. Vorteilhaft weisen die Zellen einen ähnlichen Aufbau auf. Vorzugsweise begrenzen die Zellen zueinander ähnliche Poren. Unter "ähnlich" soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass wenigstens 20 % der Zellen eine Pore mit einem Volumen begrenzen, das sich um weniger als 80 % von einem durchschnittlichen Volumen aller Poren unterscheidet. Unter einer "Porenstruktur" soll insbesondere eine Struktur verstanden werden, die mehrere Poren begrenzt. Insbesondere bildet die Porenstruktur Zellwände der Poren. Vorzugsweise ist die Porenstruktur als ein Porengerüst ausgebildet.
[0005] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Porenstruktur zumindest teilweise geschlossen und/oder vorteilhaft zumindest teilweise offen ausgebildet ist, wodurch eine besonders hohe Festigkeit der magnetisch wirksamen ersten Teilkomponente bereitgestellt und/oder vorteilhaft die zweite Teilkomponente in die Poren eingebracht werden kann. Unter "offen ausgebildet" soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die magnetisch wirksame erste Teilkomponente miteinander verbundene Poren begrenzt. Unter "geschlossen ausgebildet" soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die magnetisch wirksame erste Teilkomponente die Poren relativ zueinander abgrenzt. Vorteilhaft ist die Porenstruktur zumindest teilweise offen ausgebildet.
[0006] Ferner wird vorgeschlagen, dass die Porenstruktur eine Wirkung mit einer hartmagnetischen oder weichmagnetischen Kennlinie aufweist, wodurch unter anderem eine besonders hohe Eigendämpfung der Teilkomponente erreicht werden kann. Vorzugsweise weist die magnetisch wirksame Teilkomponente eine weichmagnetische Kennlinie auf, wodurch ein vorteilhafter Einsatz des Werkstoffs in Vorrichtungen zur Energieübertragung und Energiekonvertierung möglich ist. Alternativ weist die magnetisch wirksame Teilkomponente eine hartmagnetische Kennlinie auf, wodurch unter anderem ein vorteilhafter Einsatz des Werkstoffs zur Abschirmung, Reflexion, Absorption von elektromagnetischen und/oder magnetischen Feldern und als Dauermagnet möglich sind. Unter einer "weichmagnetischen Kennlinie" soll insbesondere eine Kennlinie eines Materials verstanden werden, das eine Koerzitivfeldstärke kleiner als 1000 A/m aufweist. Unter einer "hartmagnetischen Kennlinie" soll insbesondere eine Kennlinie eines Materials verstanden werden, das eine Koerzitivfeldstärke größer als 1000 A/m aufweist.
[0007] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Porenstruktur zur Erzielung einer Texturierung mechanisch und/oder thermisch nachbehandelt ist, wodurch ein magnetisches Verhalten optimiert werden kann. Des Weiteren kann eine besonders hohe isotrope Festigkeit der Teilkomponente erreicht werden, insbesondere gegenüber einem Blechpaket eines vergleichbaren, konventionellen Magnetkerns. Insbesondere soll unter einer "Texturierung" verstanden werden, dass die magnetisch wirksame Teilkomponente entlang von zwei unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Strukturen aufweist. Vorzugsweise sind die Richtungen senkrecht zueinander ausgerichtet. Vorteilhaft weisen die von der magnetisch wirksamen Teilkomponente begrenzten Poren entlang der zwei unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche durchschnittliche Haupterstreckungen auf. Vorzugsweise weist die magnetisch wirksame Teilkomponente in den unterschiedlichen Richtungen eine unterschiedliche Permeabilitätszahl auf. Unter "nachbehandelt" soll insbesondere verstanden werden, dass die texturierte Teilkomponente aus einer untexturierten Teilkomponente hergestellt ist. Alternativ könnte die texturierte Teilkomponente direkt hergestellt werden. Vorzugsweise ist die Teilkomponente durch zumindest eine aufgebrachte Kraft texturiert. Bevorzugt ist die Teilkomponente durch zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Kräfte texturiert. Vorteilhaft ist die Teilkomponente während der Texturierung erwärmt. Des Weiteren kann durch die mechanische und/oder thermische Nachbehandlung eine Mikrostrukturierung der Porenstruktur erreicht werden. Insbesondere sind dem Fachmann als sinnvoll erscheinende, vorteilhafte Korngrenzen und Kristallstrukturen möglich, wodurch ein magnetisches Verhalten des Werkstoffs weiter optimiert werden kann.
[0008] Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Porenstruktur eine Texturierung aufweist, wodurch die magnetisch wirksame Teilkomponente Strahlen besonders gut absorbiert und/oder leiten kann. Insbesondere kann durch die Texturierung erreicht werden, dass der Werkstoff in den unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweist, wodurch Verluste insbesondere durch Wirbelströme minimiert werden können.
[0009] Ferner wird vorgeschlagen, dass die Porenstruktur Poren im Wesentlichen kantig begrenzt, wodurch eine besonders wirkungsvolle Texturierung erreicht werden kann. Insbesondere soll unter "kantig begrenzt" verstanden werden, dass die Poren begrenzende Bereiche der Porenstruktur eine Kante aufweisen. Die Porenstruktur begrenzt die Poren bevorzugt im Wesentlichen unstetig. Vorzugsweise begrenzt die Porenstruktur die Poren im Wesentlichen linsenförmig, wobei vorteilhaft an einer Schmalseite der Linsenform eine Kante angeordnet ist. Vorzugsweise begrenzt die Porenstruktur die Poren im Wesentlichen mit einer von einer ellipsoiden und insbesondere stetigen Form verschiedenen Form. Des Weiteren begrenzt die Porenstruktur die Poren im Wesentlichen mit einer von einem Quader verschiedenen Form. Unter "im Wesentlichen" sollen in diesem Zusammenhang insbesondere mehr als 50 % der Poren, bevorzugt mehr als 75 % der Poren, verstanden werden. Alternativ oder zusätzlich könnte unter "im Wesentlichen" mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 %, einer die Poren begrenzenden Fläche der Porenstruktur verstanden werden.
[0010] Eine Festigkeit des Werkstoffs kann weiter erhöht werden, wenn die magnetisch wirksame Teilkomponente freitragend ausgebildet ist. Unter "freitragend" soll in diesem Zusammenhang insbesondere sich selbst stützend verstanden werden.
[0011] Weist der Werkstoff eine die Teilkomponente tragende innere und/oder äußere Stützstruktur auf, kann die Festigkeit der Teilkomponente weiter erhöht werden. Unter einer "Stützstruktur" soll insbesondere ein Element verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, eine in Richtung der magnetisch wirksamen Teilkomponente wirkende Kraft zumindest teilweise abzuleiten. Vorzugsweise weist die Stützstruktur eine höhere mechanische Festigkeit als die magnetisch wirksame Teilkomponente auf.
[0012] Ferner kann eine insbesondere durch Magnetostriktion verursachte mechanische Schwingung des Werkstoffs durch ein innerhalb der Porenstruktur angeordnetes Füllmedium vorteilhaft gedämpft werden. Bevorzugt ist das Füllmedium von einem Öl oder einer ölhaltigen Flüssigkeit gebildet. Vorzugsweise bildet das Füllmedium eine magnetisch weniger wirksame, vorteilhaft unwirksame, Teilkomponente des Materials.
[0013] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Teilkomponente dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Schwingungen wesentlich zu absorbieren, wodurch eine Reflexion von elektromagnetischen Wellen vorteilhaft wesentlich verringert werden kann. Vorzugsweise ist eine Größe der Poren der Porenstruktur und insbesondere eine Texturierung auf eine vorgesehene Frequenz der elektromagnetischen Wellen abgestimmt.
Zeichnung
[0014] Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
[0015] Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Draufsicht auf einen magnetisch wirksamen Werkstoff,
- Fig.2
- eine Draufsicht auf den magnetisch wirksamen Werkstoff nach Figur 1 mit einer Texturierung und
- Fig. 3
- einen Halbschnitt durch den magnetisch wirksamen Werkstoff nach Figur 1 mit einer inneren und äußeren Tragstruktur.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0016] Figur 1 zeigt einen magnetisch wirksamen Werkstoff für elektrotechnische, magnetische und/oder elektronische Anwendungen. Der Werkstoff weist eine magnetisch wirksame Teilkomponente 10a auf. Die Teilkomponente 10a ist zellular ausgebildet. Ferner weist die Teilkomponente 10a eine Porenstruktur 12a auf. Die Porenstruktur 12a ist in der gezeigten Figur 1 isotrop. Ferner ist die Porenstruktur 12a als Mesostruktur ausgebildet. Auf die Teilkomponente 10a auftreffende elektromagnetische Strahlungen werden durch die Porenstruktur 12a zu einem großen Teil absorbiert. Die Teilkomponente 10a ist dabei aus einem metallischen Material gebildet. Das metallische Material ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Nickel-Eisen-Legierung. Es sind in diesem Zusammenhang jedoch auch andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Materialien denkbar, wie insbesondere Nickel oder Kobalt, bzw. Nickel- oder Kobaltlegierungen, wie Kobalt-Eisen-Legierungen. Ferner sind auch Materialen, wie Eisenbasiswerkstoffe, Ferrite, Stahl oder Eisen-Silizium-Legierungen, denkbar. Je nach Materialwahl weist die Porenstruktur 12a eine Wirkung mit einer hartmagnetischen oder weichmagnetischen Kennlinie auf. Ferner ist die Teilkomponente 10a je nach Materialwahl elektrisch wirksam.
[0017] Die Porenstruktur 12a zeichnet sich durch eine Vielzahl an Hohlräumen 14a, 16a aus, die Luft einschließen. Es ist in diesem Zusammenhang jedoch auch denkbar, andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Stoffe zur Füllung der Hohlräume 14a, 16a zu verwenden, wie insbesondere Flüssigkeiten oder inerte Gase. Je nach Anwendungsbereich des Werkstoffs ist die Porenstruktur 12a mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt, was zu einer Veränderung eines Volumengewichts des Werkstoffs und damit einer Veränderung eines Trägheitsmoments führt.
[0018] Die Porenstruktur 12a ist teilweise offen und teilweise geschlossen ausgebildet. In einem Inneren der Porenstruktur 12a sind die Hohlräume 16a geschlossen ausgebildet. An einem Randbereich sind die Hohlräume 14a zu einer Umgebung hin geöffnet. Es ist in diesem Zusammenhang jedoch auch denkbar, alle Hohlräume der Teilkomponente 10a offen oder geschlossen auszubilden. Ein Durchmesser eines einzelnen Hohlraums beträgt etwa 1 mm. Je nach Anwendungsbereich sind jedoch auch andere Durchmesser der Hohlräume denkbar, wie insbesondere kleiner als 50µm oder größer als 5mm. Die Wahl des geeigneten Durchmessers hängt dabei insbesondere von einer Wellenlänge einer im Betrieb auftreffenden und zu absorbierenden Strahlung ab.
[0019] Der Werkstoff ist zu einer Anwendung in einem System mit einem Elektromotor, einem Transformator, einem Sensor, einem Absorptionselement, einem Elektromagnet und/oder einem Aktor vorgesehen. Er beeinflusst in dem System insbesondere Feldlinien und absorbiert elektromagnetische Strahlung.
[0020] In den Figuren 2 und 3 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den Figur 1 durch die Buchstaben b und c in den Bezugszeichen der Ausführungsbeispiele der Figuren 2 und 3 ersetzt. Bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, kann grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen werden.
[0021] Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Porenstruktur 12b einer Teilkomponente 10b zur Erzielung einer Texturierung mechanisch und thermisch nachbehandelt ist. Die Porenstruktur 12b weist im zweiten Ausführungsbeispiel eine anisotrope Texturierung 18b auf. Ferner ist die Teilkomponente 10b freitragend ausgebildet.
[0022] Eine auf die Teilkomponente 10b auftreffende Strahlung wird durch die Texturierung 18b zu einem Großteil absorbiert. Unter einem "Größteil" soll in diesem Zusammenhang insbesondere mehr als 80% verstanden werden.
[0023] Die Teilkomponente 10b ist dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Schwingungen wesentlich zu absorbieren, wodurch eine Reflexion von elektromagnetischen Wellen vorteilhaft wesentlich verringert werden kann.
[0024] In einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie in Figur 3 gezeigt, weist der Werkstoff eine eine erste Teilkomponente 10c tragende innere und äußere Stützstruktur 20c auf. Die Stützstruktur 20c ist aus Aluminium hergestellt. Es ist in diesem Zusammenhang jedoch auch denkbar, andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Materialien für die Stützstruktur 20c einzusetzen, wie insbesondere Kunststoffe, Glasfaserstoffe, Kohlenfaserstoffe und/oder weitere metallische Stoffe.
[0025] Durch Einbringen von einer zweiten Teilkomponente 22c in die erste Teilkomponente 10c wird die Eigendämpfung des Werkstoffs erhöht. Die zweite Teilkomponente 22c weist ein Öl, ein Gel und/oder ein anderes, dem Fachmann sinnvoll erscheinendes Dämpfungsmittel auf. Insbesondere bei einer Anwendung des Werkstoffs in einem durch einen Wechselstrom erzeugten magnetischen Feld wird eine Vibration des Werkstoffs gegenüber einem Werkstoff ohne eingebrachter zweiter Teilkomponente reduziert.
Bezugszeichen
1. Magnetisch wirksamer Werkstoff, insbesondere für elektrotechnische, magnetische und/oder
elektronische Anwendungen, gekennzeichnet durch zumindest eine magnetisch wirksame Teilkomponente (10a-c), die zellular ausgebildet
ist, die eine Porenstruktur (12a-c) aufweist.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (12a-c) zumindest teilweise offen und/oder geschlossen ausgebildet
ist.
3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (12a-c) eine Wirkung mit einer hartmagnetischen oder weichmagnetischen
Kennlinie aufweist.
4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (12a-c) zur Erzielung einer Texturierung (18b-c) mechanisch und/oder
thermisch nachbehandelt ist.
5. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (12a-c) eine Texturierung (18b-c) aufweist.
6. Werkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (12b-c) Poren im Wesentlichen kantig begrenzt.
7. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkomponente (10a-c) freitragend ausgebildet ist.
8. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Teilkomponente (10a-c) tragende innere und/oder äußere Stützstruktur (20c).
9. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein innerhalb der Porenstruktur (12a-c) angeordnetes Füllmedium (22c).
10. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkomponente (10a-c) dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Schwingungen wesentlich
zu absorbieren.
11. System mit einem Elektromotor, einem Transformator, einem Sensor, einem Absorptionselement,
einem Elektromagnet und/oder einem Aktor mit einem magnetisch wirksamen Werkstoff
nach einem der vorhergehenden Ansprüche.