Magnete mit komplexen Feldverteilungen

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Magnete mit komplexen Feldverteilungen

Die spritzgegossenen Sensormagnete aus Hartferrit und SmCo sind in der typischen Mehrkomponentenbauweise hergestellt: Eingebettet wurden Metall- und Kunststoffelemente Bild: Max Baermann
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Spritzgegossene Dauermagnete gewinnen immer größere Marktanteile. Sie bieten vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten für magnetische Feld- und Kraftverteilungen und lassen sich kostengünstig herstellen. Hauptanwendungen sind zurzeit Sensoren und Kleinmotoren.
Der Werkstoff für spritzgegossene Dauermagnete besteht aus Mischungen feinster Magnetpartikel mit unterschiedlichen Polymeren. Der Volumenanteil des Magnetmaterials beträgt um die 60 %. Die Polymermagnete werden in der Regel auf handelsüblichen Spritzgießmaschinen hergestellt. Diese Produktionsmethode bietet Vorteile wie große geometrische Freiheit, Maßgenauigkeit, Möglichkeit zur Funktionsintegration und nicht zuletzt hohe Ausstoßleistung. Physikalisch zeichnen sich spritzgegossene Magnete durch die besondere Vielfalt im magnetischen Design aus. Somit eignen sie sich für anspruchsvolle Anwendungen wie Magnetsensoren und Kleinmotoren, aber auch für Kupplungen, Getriebe, Messinstrumente und andere Einsatzfälle.
Die vielfältigen Möglichkeiten beim Realisieren magnetischer Feld- oder Kraftverteilungen rühren daher, dass die Pulverpartikel im Magnetinnern in ihrer Richtung orientiert werden können. Dies bewerkstelligen Gleichstromspulen oder Permanentmagnete, die im Spritzgießwerkzeug implementiert sind. Durch das Magnetisieren während des Spritzgießens lassen sich komplexe Feldverläufe realisieren. Eine andere Methode besteht in der externen Magnetisierung außerhalb des Spritzgießwerkzeugs durch geschicktes Auslegen entsprechender Spulen. Beide Methoden werden eingesetzt, um Sensormagnete mit exakt definierbarem Schaltverhalten, hoher Linearität oder extremer Flankensteilheit zu fertigen. Selbst Signale mit Dreiecks- oder Trapezform lassen sich erzeugen. Bei magnetisch erregten Antrieben sind adäquate, an den Anker angepasste Feldformen notwendig, um die Geräuschbildung gering zu halten. Auch die Höhe des Rastmoments hängt davon ab. Mit den geschilderten Magnetisiermethoden können sogar räumlich unterschiedlich magnetisierte Bereiche innerhalb eines einzelnen Polymermagneten kombiniert werden.
Spritzgegossene Magnete lassen sich sowohl im Einkomponenten- als auch im Zweikomponenten-Spritzguss fertigen. Entsprechende Designinstrumente unterstützen den Herstellprozess lückenlos vom Spritzgießwerkzeug bis zur Applikation. Insbesondere für Sensorsysteme machen die Anwender in der Regel klare Vorgaben über die zu realisierenden Magnetfelder, wobei häufig nicht nur eine Komponente, sondern zwei oder alle drei Komponenten des Magnetfeldvektors ausgenutzt werden. Diese Spezifikationen sind beim rechnerischen Auslegen von Spritzgießwerkzeugen, Magnetisierspulen oder des gesamten Sensorsystems von Beginn an zu berücksichtigen.
Als Magnetpulver kommen üblicherweise Hartferrit- und Neodym-Eisen-Bor(NdFeB)-Werkstoffe zum Einsatz. Ferrite zeichnen sich durch ihren geringen Preis aus, bieten eine exzellente Feldstabilität und lassen sich leicht magnetisieren. Bei NdFeB-Legierungen profitiert der Anwender von der hohen magnetischen Stärke. In Sensoranwendungen werden teilweise die hochleistungsfähigen, aber sehr teuren Werkstoffe auf SmCo-Basis eingesetzt. Relativ neu am Markt ist der Werkstoff SmFeN, der sich durch eine hohe magnetische Stärke auszeichnet. Alnico ist aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern immer unbedeutender geworden.
Als Kunststoffe werden bei Spritzgussmagneten vor allem Polyamide verwendet, die hohe Füllstoff-Mengen aufnehmen können und sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Ist von den Polymermagneten eine hohe Temperaturstabilität gefordert, wird meist PPS als Binder eingesetzt. Zur Zeit erprobte, neuartige Polymersysteme basieren auf Duroplasten oder Elastomeren. Die Rohmaterialien enthalten neben dem Basispolymer und dem magnetischen Füllstoff meist Haftvermittler, Plastifizierhilfsmittel oder Thermostabilisatoren.
Thomas Schliesch Leiter Zentrale Entwicklung bei der Max Baermann GmbH, Bergisch Gladbach
3D-Vorgaben für Magnetfelder
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