Weichmagnetische Werkstoffe

Weichmagnetische Werkstoffe mit geringen Kernverlusten und hoher Leistungsdichte sind eine Schlüsseltechnologie für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und energieeffiziente Mobilitätssysteme. Am Fraunhofer IFAM entwickeln und fertigen wir weichmagnetische Bauteile auf Basis innovativer pulvermetallurgischer Technologien, die neue Freiheitsgrade in Design und Funktionalität eröffnen.

Unsere Near-Net-Shape-Fertigungsstrategien ermöglichen die wirtschaftliche Herstellung komplexer Geometrien mit gezielt einstellbaren Eigenschaftsprofilen, insbesondere im Hinblick auf Frequenzverhalten und thermische Stabilität.

Pulvermetallurgische Fertigung weichmagnetischer Bauteile

Additiver Siebdruck von Elektroblechen

Der additive Siebdruck ermöglicht die Fertigung von Elektroblechen in nahezu endkonturgetreuer Form mit maßgeschneiderter Legierungszusammensetzung und Dicke.

Durch die Verringerung der Blechdicke (d < 200 µm) und die Erhöhung des Siliziumgehalts (z. B. Fe-6,5Si) lassen sich Wirbelstromverluste deutlich reduzieren, insbesondere bei höheren Frequenzen. Dies ermöglicht hocheffiziente Stator- und Rotorkonstruktionen für elektrische Antriebe.

Darüber hinaus ermöglicht der Multimaterial-Siebdruck die Herstellung von Elektroblechpaketen.

© Fraunhofer IFAM Dresden
Verluste in Abhängigkeit der Frequenz (Fe-6.5Si)

Nanokristalline Komponenten mittels FAST/SPS

Amorphe Bänder werden mittels FAST (Field Assisted Sintering Technology) / SPS zu nanokristallinen weichmagnetischen Bauteilen verarbeitet.

Die hohen Aufheizraten ermöglichen eine präzise Einstellung des Gefüges sowie die Verarbeitung sogenannter „High-B“-Legierungen. Dadurch lassen sich nanokristalline Werkstoffe mit einer Sättigungsflussdichte deutlich oberhalb von 1,2 T realisieren, die die Leistungsfähigkeit konventioneller Legierungen übertreffen.

Diese Technologie ermöglicht:

Einstellbare magnetische Eigenschaften
Höhere Sättigungsflussdichte als bei herkömmlichen nanokristallinen Kernen
Kompakte und komplexe Geometrien

Nanocrystalline Components by FAST/SPS — © Fraunhofer IFAM Dresden
Hysteresekurven von Ringbandkernen aus Vitroperm und Nanomet, die mit FASTS/SPS verdichtet wurden, sowie Bilder und Querschliffe von b) Nanomet-Flockenkernen und c) verdichteten gewickelten Toroiden.

Weichmagnetische Verbundwerkstoffe

Isotrope weichmagnetische Verbundwerkstoffe werden durch Pressen elektrisch isolierter weichmagnetischer Pulver hergestellt. Die magnetischen Eigenschaften lassen sich gezielt über Partikelgröße, Partikelform und Zusammensetzung des Pulvers an die jeweilige Anwendung anpassen.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Werkstoffe ist ihr isotropes Verhalten: Im Gegensatz zu bandbasierten Materialien weisen sie keine Vorzugsrichtung des magnetischen Flusses auf und ermöglichen somit eine dreidimensionale magnetische Flussführung.

Soft Magnetic Composites — © Fraunhofer IFAM Dresden
Querschliffe von a) einem siebgedruckten Fe-6,5Si-Sandwich, b) einem Pulververbundwerkstoff (SMC) und c) einem gewalzten Elektroblechpaket M270-35A.

Charakterisierung weichmagnetischer Werkstoffe und Komponenten

Eine umfassende Charakterisierung bildet die Grundlage für die anwendungsspezifische Optimierung weichmagnetischer Werkstoffe und Bauteile. Sie ermöglicht ein tiefes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Gefüge, Verarbeitung und magnetischen Eigenschaften.

Magnetische Charakterisierung

Die magnetischen Eigenschaften werden durch die Messung von B-H-Kurven an Bändern oder Ringkernen unter Wechsel- und Gleichfeldbedingungen ermittelt (B-H-Analysatoren, LCR-Messgeräte). Frequenzabhängige Verluste können bis zu einer Frequenz von 1 MHz bestimmt werden. Dies umfasst die Verlusttrennung und die Messung charakteristischer Verlustkurven.

Mikrostrukturelle und pulvertechnische Charakterisierung

Mikrostrukturelle Untersuchungen werden mittels Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt, um funktionelle Eigenschaften mit der Mikrostruktur in Zusammenhang zu bringen.

Die umfassende Pulvercharakterisierung in unserem akkreditierten Labor umfasst:

Partikelgrößenverteilung
Morphologie
Verunreinigungsanalyse

Dies ermöglicht eine systematische Optimierung vom Pulver bis zum Endprodukt.

Die Arbeitsgruppe »Weichmagnetische Werkstoffe« von Dr. Inge Lindemann erforscht die pulvermetallurgische Fertigung anwendungsrelevanter Werkstoffkonzepte für die Herstellung verlustoptimierter weichmagnetischer Komponenten. In der Abteilung »Pulvermetallurgie« verfügt die Gruppe über umfassendes Know-how und neueste Technologien der Pulverprozessierung, die auch die generative Fertigung berücksichtigt. Die Anwendungsfelder reichen von modernen Energiewandlern in elektrischen Maschinen und Leistungselektronik.

Das Projekt „WeiMag – Gezielte Eigenschaftsverbesserung durch innovative Pulvertechnologien“ wird intern über das Fraunhofer Attract Programm gefördert.