Samarium-Kobalt (SmCo)UndNeodym-Eisen-Bor (NdFeB)sind metallische Werkstoffe mit niedrigem elektrischem Widerstand aufgrund ihrer hervorragenden Leitfähigkeit. Diese Eigenschaft ist jedoch für rotierende Maschinen wie Elektromotoren nachteilig, da sie zu Wirbelstromverlusten und damit einhergehender Erwärmung der Maschinen, einschließlich der Magnete, führt. Daher ist der Wirbelstromverlust in Magneten ein wichtiger Aspekt für Magnet- und Motorentwickler.
Um Wirbelstromverluste zu verstehen und zu reduzieren, müssen wir zunächst ihren Ursprung verstehen. Ein als „Skin-Effekt“ bekanntes Phänomen tritt auf, wenn Wechselstrom durch einen Leiter fließt und eine ungleichmäßige Verteilung der Stromdichte über den Leiterquerschnitt verursacht. Mit zunehmender Stromfrequenz konzentriert sich der Strom stärker an der Leiteroberfläche, wodurch der innere Strom reduziert wird – ein Phänomen, das als Skin-Effekt bekannt ist.
Wirbelströme verursachen den Skin-Effekt. Die Gesetze der elektromagnetischen Induktion besagen, dass elektrische Wechselfelder magnetische Wechselfelder erzeugen. Fließt ein Wechselstrom durch einen Leiter, induziert er innerhalb und um den Leiter wirbelartige Ströme, sogenannte Wirbelströme.
Näher an der Mitte des Leiters sind die induzierte elektromotorische Kraft und damit die Wirbelströme stärker, was den ursprünglichen Strom wirksamer behindert, was zu einer geringeren Stromdichte in der Mitte im Vergleich zur Oberfläche führt.
Da die induzierte elektromotorische Kraft mit der Frequenz zunimmt, wird der Skin-Effekt bei höheren Frequenzen stärker ausgeprägt. Bei sehr hohen Frequenzen fließt der Strom im Wesentlichen nur durch eine dünne Schicht an der Leiteroberfläche, wodurch der Querschnitt effektiv reduziert und das Material effektiv ausgenutzt wird.
Aufgrund des geringen elektrischen WiderstandesSmCoUndNdFeB-MagneteWirbelströme in magnetischen Wechselfeldern sind im Allgemeinen von Bedeutung. Diese Ströme führen aufgrund der Joule-Wärme zu einer Erwärmung der Magnete, was bei zu hohen Temperaturen möglicherweise zu einer thermischen Entmagnetisierung führt.
Das Ausmaß der Wirbelstromverluste hängt von der Art der Magnetfeldänderung, der Magnetbewegung, der Magnetform, der magnetischen Permeabilität und dem spezifischen Widerstand ab. Bei rotierenden Maschinen führen höhere Drehzahlen (entsprechend der Frequenz) und eine höhere magnetische Permeabilität in Kombination mit einem geringeren spezifischen Widerstand zu geringeren Eindringtiefen und höheren Verlusten. In Bereichen wie Elektrofahrzeugen und Aufzügen, wo die Drehzahlregelung entscheidend ist, erleiden Permanentmagnetmotoren, die von Wechselrichtern gesteuert werden, aufgrund hochfrequenter Oberwellen erhöhte Wirbelstromverluste, die zu einer thermischen Entmagnetisierung führen.
Um den Wirbelstromverlust in gesinterten NdFeB-Magneten zu reduzieren, wurden aus Sicht der Motorkonstruktion mehrere technische Methoden vorgeschlagen, wie etwa das Abschirmen von Säulen um den Magneten, die Segmentierung des Magneten und seine seitliche Isolierung.
Aus magnetischer Sicht ist die Verwendung von Verbundmagneten eine der effektivsten Möglichkeiten zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten im Motor. Das Vorhandensein eines Bindemittels und dessen erheblicher Volumenanteil erhöhen den spezifischen Widerstand von Verbundmagneten um 102bis 104Im Vergleich zu gesinterten Magneten ist dies um ein Vielfaches höher. Dies begrenzt jedoch die Leistung und die maximale Betriebstemperatur des Motors. Daher besteht der direkteste Ansatz darin, den spezifischen Widerstand der gesinterten Magnete selbst zu erhöhen.
Es gibt verschiedene Methoden, um den Widerstand von gesinterten Magneten zu erhöhen, wie zum Beispiel die Zugabe von Pulvern mit hohem Widerstand (wie Al2O3) oder durch Auftragen von SiO2Beschichtungen. Diese Methoden können jedoch die magnetischen Eigenschaften der gesinterten Magnete in gewissem Maße beeinträchtigen. Daher muss während des Magnetentwicklungsprozesses ein Gleichgewicht zwischen spezifischem Widerstand und magnetischer Leistung erreicht werden.
Veröffentlichungszeit: 10. November 2023