Sowohl Samarium-Kobalt als auch Neodym-Eisen-Bor sind metallische Werkstoffe. Aufgrund der hervorragenden Leitfähigkeit metallischer Werkstoffe ist ihr spezifischer Widerstand sehr gering. Dies ist für rotierende Maschinen wie Elektromotoren ungünstig, da es zu Wirbelstromverlusten und damit zu einer Erwärmung der rotierenden Maschinen, einschließlich der Magnete, führt. Daher müssen Wirbelstromverluste in rotierenden Maschinen von den Konstrukteuren von Magneten und Motoren berücksichtigt werden. Heute werden wir untersuchen, was Wirbelstromverluste in Magneten sind und wie sie vermieden werden können.
Um Wirbelstromverluste zu verstehen und zu reduzieren, müssen wir zunächst verstehen, wie sie entstehen. Dazu ist die Einführung des Konzepts des Skin-Effekts erforderlich.
Skin-Effekt (oder Hautkonzentrationseffekt): Wenn Wechselstrom durch einen Leiter fließt, ist die Stromdichteverteilung über den Leiterquerschnitt ungleichmäßig. Mit steigender Frequenz konzentriert sich der Strom zunehmend auf der Leiteroberfläche, während der Strom im Inneren des Leiters abnimmt. Dieses Phänomen wird als Skin-Effekt bezeichnet. Je höher die Frequenz, desto stärker ist der Skin-Effekt.
Die Ursache des Skin-Effekts sind Wirbelströme. Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion erzeugt ein elektrisches Wechselfeld ein magnetisches Wechselfeld. Fließt Wechselstrom durch einen Leiter, entsteht im und um den Leiter ein magnetisches Wechselfeld, das Wirbelströme in Form einer wirbelartigen Struktur im Inneren des Leiters induziert.
Je näher man sich dem Zentrum des Leiters nähert, desto höher ist die induzierte elektromotorische Kraft (EMK), die durch das magnetische Wechselfeld im Leiter erzeugt wird. Je stärker der Wirbelstrom ist, desto stärker wirkt er dem ursprünglichen Strom entgegen, was zu einer geringeren Stromdichte im Zentrum des Leiters und einer höheren Stromdichte an der Oberfläche führt.
Da die induzierte EMK mit der Frequenz zunimmt, verstärkt sich auch der Skin-Effekt mit steigender Frequenz. Fließt ein Hochfrequenzstrom durch einen Leiter, kann man davon ausgehen, dass der Strom nur durch eine sehr dünne Schicht an der Leiteroberfläche fließt. Dies entspricht einem reduzierten Leiterquerschnitt und verringert die effektive Ausnutzung des Leitermaterials erheblich.
Wirbelstromverluste: Da Samarium-Kobalt- und Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete einen sehr geringen spezifischen Widerstand aufweisen, sind die Wirbelströme in Wechselfeldern in der Regel recht groß. Aufgrund der thermischen Wirkung des Stroms erwärmen sich die Wirbelströme im Magneten, und zu hohe Temperaturen können zur thermischen Entmagnetisierung führen.
Die Größe der Wirbelstromverluste hängt von Faktoren wie der Änderung des Magnetfelds, der Bewegung des Leiters, seiner Geometrie sowie seiner Permeabilität und Leitfähigkeit ab. In rotierenden Maschinen führen höhere Drehzahlen (entsprechend der Frequenz) und höhere Permeabilität in Verbindung mit niedrigerem spezifischem Widerstand zu einer geringeren Eindringtiefe und höheren Verlusten. In Elektrofahrzeugen, Aufzügen und anderen Anwendungsbereichen werden Permanentmagnetmotoren typischerweise mittels Wechselrichtern zur Drehzahlregelung gesteuert. Das Vorhandensein von Oberschwingungen höherer Ordnung bei der Trägerfrequenz erhöht ebenfalls die Wirbelstromverluste im Magneten und verursacht thermische Entmagnetisierung.
Reduzierung von Wirbelstromverlusten in gesinterten NdFeB-Magneten durch Erhöhung des spezifischen Widerstands
Aus Sicht der Motorenkonstruktion wurden verschiedene technische Methoden vorgeschlagen, um Wirbelstromverluste in rotierenden Maschinen mit Permanentmagneten zu reduzieren, wie z. B. Abschirmsäulen um den Magneten, segmentierte Magnete und seitlich isolierte Magnete.
Aus Sicht des Magneten selbst ist die Verwendung von gebundenen Magneten eine der effektivsten Methoden zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten in Motoren. Durch das Bindemittel und dessen ausreichend hohen Volumenanteil ist der spezifische Widerstand gebundener Magnete 10²- bis 10⁴-mal höher als der von Sintermagneten. Dies begrenzt jedoch die Leistung und die maximale Betriebstemperatur des Motors erheblich. Daher ist die direkteste Methode, den spezifischen Widerstand des Sintermagneten selbst zu erhöhen.
Es gibt verschiedene Methoden zur Erhöhung des spezifischen Widerstands von Sintermagneten, beispielsweise durch Zugabe von hochohmigen Pulvern (Al₂O₃ usw.) oder Beschichtung mit SiO₂. Diese Methoden beeinflussen jedoch die magnetischen Eigenschaften des Sintermagneten. Daher muss bei der Magnetentwicklung ein ausgewogenes Verhältnis zwischen spezifischem Widerstand und magnetischen Eigenschaften gefunden werden.