DE102015118128A1

DE102015118128A1 - Halterungen und Verfahren zum Ausbilden ausgerichteter Magnetkerne

Info

Publication number: DE102015118128A1
Application number: DE102015118128.2A
Authority: DE
Inventors: Michael W. Degner; Feng Liang; C. Bing Rong
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2016-05-12
Also published as: CN105590714B; US10734848B2; US20160133364A1; CN105590714A; US20180241260A1

Abstract

Magnetkerne und ein Verfahren und Halterungen zum Ausbilden selbiger werden offenbart. Der Magnetkern kann einen magnetischen Körper umfassen, der magnetische Körner und einen Magnetflussweg enthält, wobei die magnetischen Körner in mehreren unterschiedlichen gerichteten Ausrichtungen ausgerichtet sind, um dem Magnetflussweg zu entsprechen. Die Kornorientierung der Kerne kann durch Halterungen bereitgestellt werden, die elektrische Schaltungen und/oder Permanentmagnete enthalten. Die Halterungen können so konfiguriert sein, dass sie Magnetfelder erzeugen, die einen Magnetflussweg im Magnetkern approximieren, ihn nachahmen oder ihm entsprechen, nachdem er konsolidiert und in Gebrauch ist. Die Magnetfelder können die Körner des Magnetkerns orientieren, wenn sie sich in einem unkonsolidierten Zustand befinden, so dass die Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen ausgerichtet sind, die einen Magnetflussweg im Magnetkern ähnlich sind, ihn nachahmen oder ihm entsprechen.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ausgerichtete Magnetkerne und Halterungen und Verfahren zu deren Herstellung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrische Maschinen wandeln Energie durch elektromagnetische Wechselwirkungen um, wie etwa Elektrizität in Elektrizität (Transformator), Elektrizität in mechanische Leistung (Motor) oder mechanische Leistung in Elektrizität (Generator). Ein Faktor, der die Energieumwandlung beeinflusst, besteht in den Magnetkernmaterialien, die allgemein aus Laminierungen aus Elektrostählen (auch als Siliziumstahl bezeichnet) ausgebildet werden. Zusätzlich zu elektrischen Maschinen spielen auch Magnetkerne in Induktoren eine Rolle bei ihrer Leistung. Jedoch tritt ein Kernverlust (auch als Eisenverlust bezeichnet) im Magnetkern aufgrund des AC-Magnetfelds innerhalb der Materialien insbesondere während des Hochfrequenzbetriebs auf. Der Kernverlust beinhaltet im Allgemeinen drei Komponenten: Hystereseverlust, Wirbelstromverlust und Überschussverlust (oder anormaler Verlust). Der Hystereseverlust ist frequenzunabhängig, während sowohl Wirbelstrom- als Überschussverluste frequenzabhängig sind.
Da Kraftstoffökonomie ein wichtiger Faktor bei Elektrofahrzeugen (EVs) wie etwa Hybridelektrofahrzeugen (HEVs), Plug-in-Hybrid-EVs (PHEVs) und Batterie-EVs (BEVs) ist, kann das Reduzieren des Kernverlustes und das Erhöhen der Induktion (Flussdichte) in den Magnetkernen (wie etwa Rotor- und Statorkernen) von elektrischen Maschinen und Leistungselektroniken (wie etwa Induktorkernen) ein Ziel sein. Herkömmliche Kernformungsprozesse reduzieren im Allgemeinen Verluste durch Opfern anderer magnetischer Eigenschaften oder Verbessern magnetischer Eigenschaften wie etwa Flussdichte, opfern aber die Verlustleistung.
Ein üblicher Weg zum Reduzieren des Kernverlustes in einem Magnetkern besteht im Reduzieren der Laminierungsdicke des Elektrostahls durch mechanisches Walzen, einschließlich Heiß- und Kaltwalzen. Magnetkerne mit dünneren Laminierungen besitzen einen signifikant niedrigeren Wirbelstromverlust und deshalb einen niedrigeren Kernverlust als dickere Laminierungen. Ein weiterer Weg zum Reduzieren des Kernverlustes ist das Steuern der chemischen Zusammensetzung in Elektrostählen, zum Beispiel des Si- und Al-Gehalts. Da Si und Al den spezifischen Widerstand in Elektrostählen erhöhen, werden sie im Allgemeinen während der Herstellung gesteuert, um den Wirbelstromverlust zu reduzieren. In nichtorientiertem Elektrostahl werden üblicherweise 2–3% Si und in kornorientiertem Elektrostahl etwa 6% eingesetzt. Wenngleich der Kernverlust durch diese beiden Ansätze signifikant reduziert wird, ist er immer noch problematisch, insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen. Ein weiterer Ansatz zum Reduzieren des Kernverlustes besteht in dem Herstellen magnetischer Pulver, die direkt zu einem Volumenkern gesintert werden, mit oder ohne einer isolierenden Beschichtung auf den magnetischen Partikeln. Ein ähnlicher Ansatz besteht darin, magnetische Pulver mit einem Bindemittel zu mischen und sie dann zu Einrichtungen mit fast der Gestalt zu pressen. Der Einsatz eines Bindemittels kann jedoch die Flussdichte und Permeabilität des Kerns reduzieren.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Bei mindestens einer Ausführungsform wird ein Magnetkern bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen Magnetkörper mit Magnetkörnern und einem Magnetflussweg, wobei die Magnetkörner in mehreren unterschiedlichen gerichteten Ausrichtungen ausgerichtet sind, um dem Magnetflussweg zu entsprechen. Jede Ausrichtung kann eine Hauptausrichtung bezüglich des Magnetkörpers sein. Bei einer Ausführungsform besitzt der Magnetkörper einen Innenhohlraum. Die mehreren gerichteten Ausrichtungen können sich um einen Umfang des Innenhohlraums herum erstrecken.
Bei einer Ausführungsform ist der Magnetkern ein Induktorkern. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Magnetkern ein Statorkern mit mehreren Statorzähnen und mehreren Statorschlitzen zwischen den Statorzähnen. Die mehreren gerichteten Ausrichtungen können mehrere bogenförmige Ausrichtungen von einem Statorzahn zu einem anderen Statorzahn um einen Statorschlitz herum beinhalten. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Magnetkern ein Rotorkern mit mehreren darin angeordneten Permanentmagneten. Die mehreren gerichteten Ausrichtungen können mehrere Ausrichtungen beinhalten, die sich zwischen den Permanentmagneten und einem Außenumfang des Rotorkerns erstrecken.
Bei mindestens einer Ausführungsform ist eine Halterung zum Ausrichten von Körnern in einem Magnetkern bereitgestellt. Die Halterung kann einen oder mehrere innere Magnete enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie sich in einem Inneren des Kerns befinden, wobei die inneren Magnete so konfiguriert sind, dass sie ein Magnetfeld im Magnetkern generieren und die Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen ausrichten.
Die inneren Magnete können so konfiguriert sein, dass sie ein Magnetfeld in dem Magnetkern generieren, das einen Magnetflussweg des Magnetkerns nachahmt. Jeder innere Magnet kann eine Nordseite (N) und eine Südseite (S) besitzen. Die Halterung kann mehrere innere Magnete und mehrere äußere Magnete enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie sich außerhalb des Kerns befinden, und jeder innere Magnet kann mit einem äußeren Magnet ein Magnetpaar bilden. Bei jedem Magnetpaar können entweder die N-Seiten einander zugewandt sein oder die S-Seiten einander zugewandt sein und benachbarte Magnetpaare können entgegengesetzte N- und S-Seitenkonfigurationen besitzen.
Bei einer Ausführungsform ist der Magnetkern ein Statorkern mit mehreren Statorzähnen und mehreren Statorschlitzen zwischen den Statorzähnen. Die inneren Magnete können so konfiguriert sein, dass sie ein Magnetfeld in dem Statorkern generieren und die Körner in mehreren bogenförmigen Ausrichtungen von einem Statorzahn zu einem anderen Statorzahn um einen Statorschlitz herum ausrichten. Die inneren Magnete können so konfiguriert sein, dass sie sich an Spitzen der Statorzähne oder in den Statorschlitzen befinden. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Magnetkern ein Rotorkern und die inneren Magnete sind Rotorpermanentmagnete, die nach Konsolidierung im Rotorkern verbleiben.
Bei mindestens einer Ausführungsform wird eine Halterung zum Ausrichten von Körnern in einem Magnetkern bereitgestellt. Die Halterung kann einen oder mehrere innere Drähte enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie sich in einem Inneren des Kerns befinden und elektrischen Strom in einer ersten Richtung führen, und einen oder mehrere äußere Drähte, die so konfiguriert sind, dass sie sich außerhalb des Kerns befinden und elektrischen Strom in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung führen. Die inneren und äußeren Drähte können so konfiguriert sein, dass sie ein Magnetfeld im Magnetkern generieren.
Bei einer Ausführungsform sind die inneren und äußeren Drähte so konfiguriert, dass sie ein Magnetfeld im Magnetkern generieren und die Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen ausrichten, die einen Magnetflussweg des Magnetkerns nachahmen. Die Halterung kann mehrere innere Drähte und mehrere äußere Drähte enthalten und jeder innere Draht kann mit einem äußeren Draht ein Drahtpaar bilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Ausbilden eines gesinterten Magnetkerns, gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Ausbilden eines gebondeten Magnetkerns, gemäß einer Ausführungsform;
3 ist ein Schemadiagramm eines rechteckigen Induktorkerns mit einer Flussrichtung entlang seines Umfangs;
4 ist ein Schemadiagramm einer Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen rechteckigen Induktorkern unter Verwendung einer oder mehrerer elektrischer Schaltungen, gemäß einer Ausführungsform;
5 ist ein Schemadiagramm einer Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen zylindrischen Induktorkern unter Verwendung einer oder mehrerer elektrischer Schaltungen, gemäß einer Ausführungsform;
6 ist ein Schemadiagramm einer Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen rechteckigen Induktorkern unter Verwendung mehrerer Permanentmagneten, gemäß einer Ausführungsform;
7 ist eine Finite-Element-Analysesimulation des Magnetfelds von 6;
8 ist ein Schemadiagramm einer Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen zylindrischen Induktorkern unter Verwendung mehrerer Permanentmagneten, gemäß einer Ausführungsform;
9 ist ein Schemadiagramm einer Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen rechteckigen Induktorkern unter Verwendung mehrerer Permanentmagnete und Eisenkerne, gemäß einer Ausführungsform;
10 ist eine Kurve der Magnetisierung über der Feldstärke in einem ausgerichteten Magnetkern im Vergleich zu einem isotropen Magnetkern.
11 ist ein Schemadiagramm einer Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen Statorkern unter Verwendung einer oder mehrerer elektrischer Schaltungen, gemäß einer Ausführungsform;
12 ist ein Schemadiagramm einer weiteren Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen Statorkern unter Verwendung einer oder mehrerer elektrischer Schaltungen, gemäß einer Ausführungsform;
13 ist ein Schemadiagramm einer Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen Statorkern unter Verwendung mehrerer Permanentmagneten, gemäß einer Ausführungsform;
14 ist ein Schemadiagramm einer weiteren Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen Statorkern unter Verwendung mehrerer Permanentmagneten, gemäß einer Ausführungsform; und
15 ist ein Schemadiagramm einer Halterung zum Anlegen eines Magnetfelds an einen Rotorkern unter Verwendung mehrerer Permanentmagneten, gemäß einer Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind für die Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend anzusehen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um dem Fachmann zu lehren, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich einsetzen kann.
Wie im allgemeinen Stand der Technik beschrieben, erfordert die herkömmliche Magnetkernverarbeitung allgemein eine Wahl zwischen guten magnetischen Eigenschaften und einer guten Verlustleistung (d.h. niedrigem Verlust). Die vorliegende Offenbarung stellt Verfahren und Halterungen zum Ausbilden von Magnetkernen sowohl mit guten magnetischen Eigenschaften als auch einem geringen Verlust oder weniger Opferung einer Eigenschaft im Vergleich zu einer anderen relativ zu herkömmlichen Magnetkernen bereit. Bei mindestens einer Ausführungsform werden Magnetkerne mit einer Kornorientierung entlang einer spezifischen vorbestimmten oder bevorzugten Richtung oder eines spezifischen vorbestimmten oder bevorzugten Wegs ausgebildet. Die Kornorientierung kann bereitgestellt werden, indem während der Verarbeitung ein spezifisches Magnetfeld an den Magnetkern angelegt wird. Das Magnetfeld kann komplex und/oder multidirektional sein (z.B. nicht in einer einzelnen geraden Linie). Die Magnetfeldrichtung/der Magnetfeldweg (und entsprechende Kornausrichtung) können der Magnetflussrichtung, die während der Verwendung im Kern auftreten wird, entsprechen, diese approximieren oder dieser entsprechen. Der Grad an Kornorientierung in den durch dieses Verfahren hergestellten Magnetkernen kann hoch sein, kann moderat oder auch niedrig sein, je nach Faktoren wie etwa den magnetischen Pulvern, Magnetfeldstärke, Pressbedingung, Bindemitteln und anderen. Der Grad an Kornorientierung kann auf der Basis der erforderlichen oder gewünschten Eigenschaften der Magnetkerne eingestellt werden.
Die Magnetkerne können unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Prozesses einschließlich Sintern und Bonden von magnetischem Pulver ausgebildet werden. Das magnetische Pulver kann ein beliebiges magnetisches Material beinhalten, das gesintert oder gebondet werden kann, um einen Pulverkern herzustellen, wie etwa Ferritpartikel. Das Magnetfeld kann während des Ausbildens der Kerne unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens aufgebracht werden, einschließlich Halterungen mit elektrischen Schaltungen mit einem oder mehreren stromführenden Drähten und/oder angeordneten Permanentmagneten. Die Eigenschaften der aus einem beliebigen geeigneten magnetischen Material ausgebildeten Magnetkerne können verbessert werden, einschließlich Elektrostähle (z.B. durch Wärmebehandlung unter Magnetfeldern). Die offenbarten Magnetkerne können für zahlreiche Anwendungen geeignet sein, wo eine verbesserte gerichtete Permeabilität und Flussdichte vorteilhaft sind. Beispielsweise können die offenbarten Magnetkerne in Induktoren, Transformatoren, Generatoren, Statoren, Rotoren oder in irgendwelchen anderen Einrichtungen verwendet werden, die bessere Eigenschaften in gewissen Richtungen bevorzugen.
Unter Bezugnahme auf 1 kann bei mindestens einer Ausführungsform ein kornorientierter Magnetkern durch Sintern von magnetischem Pulver ausgebildet werden. Das Verfahren 10 zum Ausbilden des gesinterten Kerns kann das Herstellen des magnetischen Pulvers bei Schritt 12 beinhalten. Das magnetische Pulver, wie etwa Ferrit-, Siliziumeisen- oder anderes magnetisches Pulver, kann durch einen beliebigen geeigneten Prozess hergestellt werden. Beispielsweise kann das Pulver durch Pulverisieren, Dampfabscheidung, chemische Synthese oder andere Techniken hergestellt werden. Bei mindestens einer Ausführungsform werden die Pulver so hergestellt, dass sie eine geringe Anzahl an Körnern pro Partikeln besitzen (z.B. mittlere oder durchschnittliche Körner pro Partikel). Bei einer Ausführungsform enthalten die Partikel bis zu 10 Körner. Bei einer weiteren Ausführungsform enthalten die Partikel bis zu 5 Körner. Bei einer weiteren Ausführungsform enthalten die Partikel 1 bis 3 Körner. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Partikel Einkristalle (z.B. ein einzelnes Korn). Die Anzahl an Körnern pro Partikel kann für alle oder im Wesentlichen alle der Partikel in dem Pulver gelten oder es kann ein Durchschnitt sein. Es versteht sich jedoch, dass Verarbeitungstoleranzen dazu führen können, dass einige Pulver Partikel mit einer variierenden Anzahl an Körnern besitzen. Eine niedrige Anzahl an Körnern pro Partikel gestattet eine leichtere Ausrichtung der Partikel während des oder der nachfolgenden Ausrichtungsschritte. Ein einzelnes Korn pro Partikel kann die leichteste Ausrichtung bereitstellen. Die Partikel können eine beliebige geeignete Größe oder einen beliebigen geeigneten Durchmesser besitzen. Bei einer Ausführungsform besitzen die Partikel eine Größe von 1 nm bis 10 mm oder einen beliebigen Teilbereich darin. Um eine vergrößerte Verdichtung des Magnetkerns bereitzustellen, kann ein Pulver mit einem Bereich von Partikelgrößen verwendet werden. Beispielsweise kann das Pulver Partikel enthalten, die im Submikrometerbereich liegen, Partikel, die 1–10 µm groß sind, Partikel, die hunderte von µm groß sind und Partikel, die 1–10 mm groß sind.
Bei Schritt 14 kann das Pulver mit einem isolierenden Material gemischt oder beschichtet werden. Der hohe spezifische Widerstand des isolierenden Materials reduziert Wirbelstromverluste im Magnetkern. Bei einer Ausführungsform kann das magnetische Pulver mit einem isolierenden Material gemischt werden, bei dem es sich um ein beliebiges geeignetes Dielektrikum oder ein einen hohen spezifischen Widerstand aufweisendes Material handeln kann. Zu nichtbeschränkenden Beispielen für isolierende Materialien zählen Siliziumoxid, Ferrit, Phosphatbindemittel, Teflon-Bindemittel (PTFE-Bindemittel) und andere. Alternativ kann das magnetische Pulver mit einem isolierenden Material derart beschichtet werden, dass jedes Partikel eine Kern-Schalen-Konfiguration mit dem magnetischen Material als dem Kern und dem isolierenden Material als der Schale besitzt. Das magnetische Pulver kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens wie etwa chemische Lösung, Dampfabscheidung, Aufsputterbeschichtung oder andere beschichtet werden. Das magnetische Pulver kann auch durch einen gesteuerten Oxidationsprozess oxidiert werden, um eine isolierende Schicht auf den Partikeln auszubilden. Die obigen Isolierverfahren können individuell verwendet werden, oder eine beliebige Kombination davon kann verwendet werden, um den spezifischen Widerstand des Magnetkerns zu erhöhen.
Bei Schritt 16 kann das Magnetpulver konsolidiert und ausgerichtet werden. Herkömmliches Pressen kann zu einer ungleichförmigen Dichte beim sog. grünen Pressling führen, was wiederum zu signifikanten Formänderungen nach dem Sintern führen kann. Bei einer Ausführungsform kann ein Klopf- oder Bewegungsprozess während der Konsolidierung angewendet werden, um gleichförmigere Presslinge bereitzustellen und Formänderungen nach dem Sintern zu reduzieren oder zu eliminieren. Der Klopfprozess kann Luftklopfen, mechanisches Klopfen, Ultraschallklopfen oder andere Verfahren zum Klopfen oder Bewegen des Pulvers beinhalten. Außerdem kann eine beliebige Kombination aus den Klopfprozessen durchgeführt werden, entweder sequentiell oder simultan. Das Luftklopfen kann das Anwenden von Luftdruck auf das Pulver und/oder die Form durch Steuern von Druck, Luftstromlast, -geschwindigkeit und -zeit beinhalten. Das mechanische Klopfen kann das Klopfen des Pulvers und/oder der Form unter Verwendung von physischem Kontakt unter Verwendung entweder manueller oder automatischer Verfahren beinhalten. Das Ultraschallklopfen kann das Klopfen/Schütteln des Pulvers und/oder der Form unter Verwendung von Ultraschallwellen durch Steuern von Ultraschallleistung, -frequenz und -zeit beinhalten.
Der Ausrichtungsprozess beinhaltet das Anlegen eines Magnetfelds an das Pulver, während es sich in der Form befindet (z.B. unkonsolidiert), so dass die Körner des Pulvers entlang des Magnetfelds (z.B. entlang ihrer leichten Achsen) ausgerichtet werden. Das Magnetfeld kann in der Gestalt oder dem Weg der Flussrichtung im Magnetkern angelegt werden, wodurch die Permeabilität und Flussdichte in der Flussrichtung des fertiggestellten Kerns erhöht werden. Eine zusätzliche Beschreibung der Haltungen und Verfahren zum Herstellen des Magnetfelds ist später in der Offenbarung enthalten. Das Magnetfeld kann angelegt werden, während ein Klopfprozess durchgeführt wird. Das während des Klopfprozesses erzeugte Klopfen/die Bewegung kann gestatten, dass sich das magnetische Pulver leichter dreht und orientiert, so dass ihre leichten Achsen auf das Magnetfeld ausgerichtet werden. Falls die Partikel ein einzelnes oder nur einige Körner pro Partikel besitzen, wie oben beschrieben, wird zudem die Ausrichtung im Magnetfeld weiter erleichtert. Um das Drehen der magnetischen Partikel während des Ausrichtungsprozesses weiter zu erleichtern und zu fördern, kann dem Pulver während dieses Schritts ein Schmiermittel zugesetzt werden. Zu nichtbeschränkenden Beispielen für geeignete Schmiermittel gehören Tenside, Calciumstearat, Polyethylenglykole, Sorbitol, Glycerolmonostearat oder andere sowie Mischungen davon.
Bei Schritt 18 kann ein optionaler Pressprozess durchgeführt werden. Ein beliebiges geeignetes Pressverfahren kann durchgeführt werden, um die Dichte des Magnetkerns zu vergrößern, wie etwa einachsiges Pressen. Ein Magnetfeld kann während des Pressschritts 18 angelegt werden, um die Partikel in der Form beizubehalten oder weiter auszurichten. Das Magnetfeld kann das gleiche wie in Schritt 16 angelegte sein. Infolge des Klopfprozesses in Schritt 16 kann der resultierende grüne Pressling von dem Pressen eine im Wesentlichen gleichförmige Dichte aufweisen.
Bei Schritt 20 kann das magnetische Pulver gesintert werden, um das Pulver zu konsolidieren und einen fertiggestellten Magnetkern auszubilden. Die Sintertemperatur kann eine beliebige geeignete Temperatur zum Konsolidieren des Pulvers sein, beispielsweise zwischen 600°C und 1500°C. Die Sinterzeit kann eine beliebige geeignete Zeit zum Konsolidieren des Pulvers sein, beispielsweise von 10 Minuten bis Dutzenden von Stunden. Im Allgemeinen werden höhere Temperaturen kürzere Sinterzeiten und umgekehrt erfordern. Ein Magnetfeld kann während des Sinterschritts 20 angelegt werden, um die Partikel in der Form beizubehalten oder weiter auszurichten. Das Magnetfeld kann das gleiche sein wie in Schritten 16 und/oder 18 angelegt. Infolge des Klopfprozesses in Schritt 16 kann der resultierende grüne Pressling von dem Pressen eine im Wesentlichen gleichförmige Dichte aufweisen. Nach dem Sintern wird ein fertiggestellter Magnetkern mit ausgerichteten Körnern mit erhöhter Permeabilität und Flussdichte entlang des Wegs der ausgerichteten Körner ausgebildet, die unter Verwendung eines vorbestimmten, spezifisch eingestellten Magnetfelds ausgebildet wurden, das während des Konsolidierungsschritts 16 und optional des Pressschritts 18 und/oder des Sinterschritts 20 angelegt wurde.
Unter Bezugnahme auf 2 kann in mindestens einer Ausführungsform ein kornorientierter Magnetkern durch Bonden von magnetischem Pulver ausgebildet werden. Das Verfahren 30 zum Ausbilden des gebondeten Kerns kann das Herstellen des magnetischen Pulvers bei Schritt 32 beinhalten. Das magnetische Pulver kann auf ähnliche Weise wie oben bezüglich Schritt 12 beschrieben hergestellt werden. Bei Schritt 34 kann das magnetische Pulver mit einem Schmiermittel und/oder einem isolierenden Material gemischt werden. Das isolierende Material und das Schmiermittel können ähnlich den oben bezüglich Schritt 14 beschriebenen sein. Dementsprechend werden die Schritte 32 und 34 nicht wieder ausführlich beschrieben.
Zum Herstellen eines gebondeten Kerns statt eines gesinterten Kerns kann ein Bindemittel verwendet werden, um das magnetische Pulver zu konsolidieren und zu sichern (und etwaiges isolierendes oder schmierendes Material, das vorliegt). Ein beliebiges geeignetes Bindemittel kann verwendet werden, wie etwa Duroplaste, Thermoplaste, Elastomere, anorganische keramische Bindemittel, keramische Hochtemperaturbindemittel und andere. Ein nichtbeschränkendes Beispiel für ein Duroplast, das als Bindemittel verwendet werden kann, ist ein Epoxid, das Phenol oder Novolak sein kann. Ein nichtbeschränkendes Beispiel für einen Thermoplast, der als Bindemittel verwendet werden kann, ist ein Polyamid wie etwa Polyphenylensulfid (PPS). Zu nichtbeschränkenden Beispielen für Elastomere, die als Bindemittel verwendet werden können, zählen Nitrilkautschuk, Polyethylen und Vinyl.
Bei Schritt 36 kann das magnetische Pulver unter Verwendung eines Magnetfelds ausgerichtet werden. Die Mischung aus magnetischem Pulver und Bindemittel (plus etwaigem Schmiermittel oder isolierendem Material) kann in eine Form eingeleitet werden, während sich das Bindemittel in einem flüssigen oder ungehärteten Zustand befindet (z.B. unkonsolidiert). Während sich das Bindemittel im flüssigen oder ungehärteten Zustand befindet, kann ein Magnetfeld an die Mischung und/oder Form angewendet werden, um die magnetischen Partikel in einem bevorzugten Muster oder in einer bevorzugten Richtung auszurichten. Da das Bindemittel noch nicht gehärtet ist, werden die Partikel durch das Magnetfeld leichter ausgerichtet, da sie sich frei drehen können, was gestatten kann, dass sich das magnetische Pulver selbst leichter orientiert, so dass ihre leichten Achsen auf das Magnetfeld ausgerichtet bzw. parallel dazu sind. Wie oben beschrieben, kann die Drehung weiter dadurch erleichtert werden, dass Partikel verwendet werden, die ein oder wenige Körner besitzen. Das Magnetfeld kann in der Gestalt oder dem Weg der Flussrichtung im Magnetkern angewendet werden, wodurch die Permeabilität und Flussdichte in der Flussrichtung des fertiggestellten Kerns erhöht werden. Eine zusätzliche Beschreibung der Halterungen und Verfahren zum Erzeugen des Magnetfelds ist später in der Offenbarung enthalten. Wenngleich nicht erforderlich, kann ein Klopfprozess ähnlich wie im Schritt 16 beschrieben, auf die Mischung aus Bindemittel und Pulver während des Ausrichtprozesses angewendet werden.
Bei Schritt 38 kann ein optionaler Pressprozess durchgeführt werden. Ein beliebiges geeignetes Pressverfahren kann durchgeführt werden, um die Dichte des Magnetkerns zu erhöhen, wie etwa Kompression (z.B. einachsiges Pressen), Extrusion oder Spritzgießen. Wenn bei einer Ausführungsform Kompression durchgeführt wird, kann das verwendete Bindemittel ein Thermokunststoff sein. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Bindemittel, wenn eine Extrusion durchgeführt wird, ein Elastomer oder ein Thermoplast sein. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Bindemittel, wenn ein Spritzguss durchgeführt wird, ein Thermoplast sein. Ein Magnetfeld kann während Pressschritts 38 angewendet werden, um die Partikel in der Form beizubehalten oder weiter auszurichten. Das Magnetfeld kann das gleiche wie in Schritt 36 angelegte sein.
Bei Schritt 40 kann die Mischung aus magnetischem Pulver und Bindemittel gehärtet werden. Die Härtezeit und -temperatur können je nach der verwendeten Art von Bindemittel variieren. Einige Bindemittel erfordern möglicherweise nicht das Einwirken von Hitze und können bei Raum- oder Umgebungstemperatur härten. Ein Magnetfeld kann während des Härteschritts 40 einwirken, um die Partikel in der Form beizubehalten oder weiter auszurichten. Das Magnetfeld kann das gleiche werden wie in Schritten 36 und/oder 38 angelegte sein. Nach dem Härten wird ein fertiggestellter Magnetkern mit ausgerichteten Körnern mit vergrößerter Permeabilität und Flussdichte entlang des Wegs der ausgerichteten Körner ausgebildet, die unter Verwendung eines vorbestimmten, spezifisch eingestellten Magnetfelds ausgebildet wurden, das während des Ausrichtschritts 36 und optional des Pressschritts 38 und/oder des Härteschritts 40 angewendet wurde.
Das Magnetfeld, das entweder in den gesinterten oder gebondeten Magnetkernen, oben beschrieben, angewendet wird, kann einen Magnetkern bereitstellen, der sich für eine beliebige Anwendung eignet, bei der anisotrope oder gerichtete magnetische Eigenschaften erwünscht sind, wie etwa Permeabilität, Induktion/Flussdichte, Koerzitivfeldstärke, Kernverlust oder andere. Zu nichtbeschränkenden Beispielen, die von den offenbarten Magnetkernen profitieren können, zählen Induktoren, Transformatoren, Generatoren und Rotoren und/oder Statoren von Elektromotoren (z.B. Elektrofahrzeugmotoren). Um die oben beschriebenen anisotropen/gerichteten Eigenschaften bereitzustellen, kann ein vorbestimmtes spezifisches Magnetfeld angelegt werden, während der Kern ausgebildet wird, das dem Flussweg in dem fertiggestellten Kern entspricht, wenn er in einer gewissen Anwendung verwendet wird. Dementsprechend kann das Magnetfeld, das angelegt wird, auf eine spezifische Magnetkernanwendung zugeschnitten werden, wie etwa einen Stator oder einen Induktorkern. Durch Generieren eines Magnetfelds mit einer Gestalt oder einem oder mehreren Wegen, die dem oder den Flusswegen in der endgültigen Anwendung entsprechen, diesen folgen, diese nachahmen oder approximieren, können die Permeabilität, die Flussdichte und andere Eigenschaften signifikant verbessert werden, ohne die Verlustleistung zu opfern. Bei Magnetkernen mit komplexen Gestalten oder denen, die komplexe Flusswege erfahren, kann auch das Magnetfeld komplex sein, beispielsweise mit mehreren deutlichen gekrümmten oder nichtlinearen gerichteten Ausrichtungen.
Das Magnetfeld kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens angelegt werden. Bei mindestens einer Ausführungsform kann eine Ausrichthalterung eine oder mehrere elektrische Schaltungen enthalten, wobei jede einen oder mehrere Drähte enthält, die einen elektrischen Strom führen, um das Magnetfeld zu generieren. Durch Steuern der Platzierung oder Konfiguration des oder der Drähte und des Pegels und/oder der Richtung des Stroms kann ein spezifisches, maßgeschneidertes Magnetfeld generiert werden, das die Flussrichtung in einem Magnetkern während des Betriebs nachahmt oder dieser entspricht. Das Magnetfeld kann deshalb die Magnetkörner in mehreren gerichteten Ausrichtungen ausrichten, um der Magnetflussrichtung zu entsprechen, sie nachzuahmen oder ihr zu folgen. Wie hierin verwendet, können sich gerichtete Ausrichtungen auf Hauptausrichtungen beziehen oder jene, die auf einer Makroskala gegenüber einer Mikroskala existieren. Dementsprechend werden kleine Abweichungen bei der Ausrichtung von einem Korn zu einem anderen oder zwischen mehreren Körnern nicht als Hauptausrichtungen angesehen.
Bei mindestens einer weiteren Ausführungsform kann eine Ausrichthalterung einen oder mehrere Magnete enthalten zum Bereitstellen des Magnetfelds während des Ausrichtprozesses. Bei einer Ausführungsform sind die Magnete Permanentmagnete. Durch Steuern der Platzierung, Konfiguration, Größe, Gestalt und/oder Stärke des oder der Magnete kann ein spezifisches, maßgeschneidertes Magnetfeld generiert werden, das die Flussrichtung in einem Magnetkern während des Betriebs nachahmt oder ihr entspricht. Während die Figuren und die folgenden Beschreibungen Halterungen beschreiben, bei denen elektrische Schaltungen oder Magnete verwendet werden, um das Magnetfeld zu generieren, versteht der Durchschnittsfachmann, dass auch eine beliebige Kombination aus den beiden Ansätzen verwendet werden kann. Außerdem kann auch eine etwaige Magnetfeldlinie oder -richtung, die gezeigt oder beschrieben wird, eine gerichtete Ausrichtung von magnetischen Körnern sein.
Unter Bezugnahme auf die 3–15 werden mehrere Beispiele von Halterungen offenbart zum Generieren von Magnetfeldern zum Ausrichten magnetischer Körner in unkonsolidierten Induktor-, Stator- und Rotorkernen. Diese Figuren und ihre entsprechenden Beschreibungen sind beispielhaft und, wie oben erörtert, können die offenbarten Verfahren und Halterungen angewendet werden, um ein beliebiges gewünschtes Magnetfeld für einen beliebigen Flussweg auszubilden. Unter Bezugnahme auf die 3–4 wird ein Induktorkern 50 mit einem hohlen rechteckigen Querschnitt mit einem Innenhohlraum gezeigt. Der Magnetfluss 52 im Induktorkern während des Betriebs verläuft entlang des Umfangs des Kerns 50, wie durch die Pfeile 54 gezeigt. Während die Pfeile 54 in Uhrzeigerrichtung gezeigt sind, kann der Fluss 52 auch entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufen. Um die Permeabilität und Flussdichte im Kern 50 zu verbessern, können die Körner/das Pulver des Kerns in der Richtung des Flusses ausgerichtet werden. Die Ausrichtung kann bereitgestellt werden durch Anlegen eines Magnetfelds an die Körner/das Pulver während eines Ausrichtprozesses und optional während eines Press- und/oder Sinter- oder Härtprozesses, wie oben beschrieben. Um ein Magnetfeld in der Gestalt oder Richtung des Flusswegs 52 zu erzeugen, können eine oder mehrere elektrische Schaltungen konfiguriert sein, das Magnetfeld zu generieren. Die elektrische(n) Schaltung(en) (nicht gezeigt) kann einen oder mehrere stromführende Drähte 56 enthalten, die innerhalb des Induktorkerns 50 oder um ihn herum angeordnet und konfiguriert sind zum Generieren eines Magnetfelds 58 in der Richtung oder Gestalt des Flusswegs 52.
Bei einer in 4 gezeigten Ausführungsform kann ein Magnetfeld 58 in der Gestalt des Flusswegs 52 generiert werden, indem ein oder mehrere Drähte 60 innerhalb des Induktorkerns 50 platziert werden, den Strom in einer Richtung führend, und ein oder mehrere Drähte 62 außerhalb des Induktorkerns 50, Strom in der entgegengesetzten Richtung führend. 4 zeigt vier Drähte 60 innerhalb des Induktorkerns 50, doch kann ein einzelner Draht 60 innerhalb des Kerns 50 platziert werden (z.B. in der Mitte), um ein ähnliches Magnetfeld 58 bereitzustellen (ähnlich 5, unten beschrieben). Während die 3 und 4 eine Halterung für einen Induktorkern 50 mit einer hohlen Rechteckgestalt zeigen, kann der Induktorkern eine beliebige geeignete Form besitzen, einschließlich eines Rings, eines Toroids, einer Stange oder anderen. Beispielsweise zeigt 5 einen Induktorkern 50‘ mit einer Ringform. Ähnlich dem rechteckigen Kern 50 in 3 und 4 besitzt der Induktorkern 50‘ einen Flussweg 52‘, der sich um den Umfang des Kerns 50‘ herum erstreckt. Der Flussweg 52‘ kann sich im Uhrzeigersinn oder entgegen des Uhrzeigersinns erstrecken. Um ein Magnetfeld 58 in der Form oder Richtung des Flusswegs 52‘ zu generieren, können ein oder mehrere Drähte 60 innerhalb des Kerns 50‘ angeordnet sein, Strom in einer Richtung führend, und ein oder mehrere Drähte 62 können außerhalb des Induktorkerns 50‘ angeordnet sein, Strom in der entgegengesetzten Richtung führend. Ähnlich wie bei 4 können sich mehrere Drähte 60 innerhalb des Kerns 50‘ befinden, anstatt ein einzelner Draht 60, wie gezeigt. Das Magnetfeld 58/58‘ kann bewirken, dass sich die unkonsolidierten Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen 64 orientieren, die mit dem Magnetfeld 58/58‘ übereinstimmen, es nachahmen oder ihm folgen. Wie gezeigt, können mindestens zwei oder mehr der Ausrichtungen 64 voneinander verschieden sein. Ungeachtet der Induktorkerngestalt kann eine elektrische Schaltung so ausgelegt sein, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, das dem Flussweg des Induktors entspricht oder es nachahmt. Analog kann der Induktorkern 50 durch einen Transformatorkern oder einen anderen Magnetkern mit einem Flussweg ersetzt werden, der von orientierten Körnern/orientiertem Pulver profitieren würde.
Unter Bezugnahme auf die 6–10 sind zusätzliche Halterungen zum Generieren eines spezifischen, maßgeschneiderten Magnetfelds 70 für einen Induktorkern 50 gezeigt, das eine Gestalt oder Richtung aufweist, die den Fluss 52 nachahmt oder ihm entspricht. Das Magnetfeld 70 kann unter Verwendung einer Halterung generiert werden, die mehrere Magnete 72 (z.B. Permanentmagnete) enthält, die in einer vorbestimmten Konfiguration oder einem vorbestimmten Muster angeordnet sind. Jeder Magnet 72 kann eine Nordkonfiguration (N) und eine Südkonfiguration (S) aufweisen, und das Muster der Magnete 72 kann ein Magnetfeld 70 generieren, das den Flussweg 52 nachahmt, ihm entspricht oder ihm ähnlich ist, und entsprechend die Körner entlang selbigem orientiert. In der in 6 gezeigten Ausführungsform sind vier Magnete 72 in dem Induktorkern 50 angeordnet, und vier Magnete sind außerhalb des Kerns 50 angeordnet. Ein Magnet ist auf der Innenseite und der Außenseite jeder der vier Seiten des Kerns 50 angeordnet. Die Magnete 72 können derart angeordnet sein, dass auf der Innenseite und auf der Außenseite die Magnete dazwischen abwechseln, dass die N- und S-Seiten/-Abschnitte des Magneten dem Induktorkern 50 zugewandt sind. In 6 sind Magnete, bei denen die N-Seite/der N-Abschnitt dem Induktorkern 50 zugewandt ist, mit 74 bezeichnet, und Magnete, bei denen die S-Seite/der S-Abschnitt dem Induktorkern 50 zugewandt ist, sind mit 76 bezeichnet. Die Magnete 72 können derart angeordnet sein, dass Magnete 74, deren N-Seite dem Induktor zugewandt ist, einander gegenüber platziert werden und Magnete 76, deren S-Seite dem Induktor zugewandt ist, einander gegenüber platziert werden. Wie in 6 gezeigt, generiert diese Konfiguration ein Magnetfeld 70 mit einer Gestalt, die dem Umfang des Induktorkerns 50 folgt. Das Magnetfeld 70 bildet möglicherweise keine komplette Schleife im Vergleich zu dem Magnetfeld 58 in 4; die Ausrichtung der Körner/des Pulvers ist jedoch ähnlich. Eine Finite-Element-Analysensimulation (FEA-Simulation) der in 6 gezeigten Magnetanordnung ist in 7 gezeigt. Die FEA-Simulation zeigt, dass das Magnetfeld 70 dem Umfang des Kerns 50 folgt, mit kleineren Unterbrechungen an Punkten, wo sich die Magnete befinden (z.B. unter Ausbildung einer fast vollständigen Schleife). Das Magnetfeld 70 kann bewirken, dass sich die unkonsolidierten Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen 78 orientieren, die mit dem Magnetfeld 78 übereinstimmen, es nachahmen oder ihm folgen. Wie gezeigt, können mindestens zwei oder mehr der Ausrichtungen 78 voneinander verschieden sein.
Wie zuvor bezüglich 5 beschrieben, können der Induktor- oder Transformatorkern eine beliebige geeignete Form wie etwa einen Ring, ein Toroid oder eine Stange besitzen. Wie in 8 gezeigt, können auch mehrere Magnete 72 so angeordnet sein, dass sie ein gewünschtes Magnetfeld 70‘ in anderen Kerngestalten generieren. Ähnlich der bezüglich 6 beschriebenen Anordnung können mehrere Magnete 72 innerhalb und außerhalb des Kerns 50‘ angeordnet sein. Die Magnete 72 können derart angeordnet sein, dass die Magnete dazwischen abwechseln, dass die N-und S-Seiten/-Abschnitte des Magneten dem Induktorkern 50‘ zugewandt sind. Die Magnete 72 können derart angeordnet sein, dass Magnete 74, deren N-Seite dem Induktor zugewandt ist, einander gegenüber platziert werden und Magnete 76, deren S-Seite dem Induktor zugewandt ist, einander gegenüber platziert werden. Wie in 8 gezeigt, generiert diese Konfiguration ein Magnetfeld 70‘ mit einer Form, die dem Umfang des Induktorkerns 50‘ folgt.
Wenngleich die Anordnung von Magneten 72 in 6 und 8 vier Magnete innerhalb und vier Magnete außerhalb zeigt, mit einem Paar von Magneten auf jeder Seite, sind solche Konfigurationen lediglich beispielhaft und sollen nicht beschränkend sein. Die Anzahl und/oder der Ort der Magnete 72 können so eingestellt werden, dass das Magnetfeld auf die gewünschte Formt/Richtung zugeschnitten wird. Beispielsweise können mehr Magnete 72 verwendet werden, um ein gleichförmigeres, komplexes und/oder ausgeklügeltes Magnetfeld bereitzustellen. Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform sind acht Paare von Magneten 72 in dem Kern 50 und um ihn herum mit zwei Paaren pro Seite angeordnet, um ein Magnetfeld 70‘‘ bereitzustellen. Das Feld 70‘‘ kann eine ähnliche Form wie das Magnetfeld 70 besitzen, das durch die in 6 gezeigte Anordnung aus vier Paaren von Magneten 72 erzeugt wird, doch kann die erhöhte Anzahl von Magneten 72 ein besser gesteuertes und/oder definiertes Magnetfeld bereitstellen.
Zusätzlich zu dem Einstellen der Anzahl und/oder Platzierung der Magnete 72 können ein oder mehrere Eisenkerne 80 in der Ausrichthalterung enthalten sein, wie in 9 gezeigt. Beispielsweise kann ein Eisenkern 82 im Innenhohlraum des Induktorkerns 50 platziert werden und ein anderer Eisenkern 84 kann auf der Außenseite des Kerns 50 platziert werden. Der bzw. die Eisenkerne können die Magnetflussrichtungen aufgrund ihrer viel höheren Permeabilität im Vergleich zu Luft leiten. Der bzw. die Kerne verbessern deshalb die Effizienz der Halterung und erhöhen die magnetische Ausrichtung im Magnetkern.
Unter Bezugnahme auf 10 wird eine Kurve der Magnetisierung über der Feldstärke in der Richtung parallel zur Kornausrichtung in einem ausgerichteten Kern und in einem isotropen Kern ohne Kornausrichtung gezeigt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Permeabilität in dem ausgerichteten Kern viel größer ist als die Permeabilität im nichtausgerichteten Kern. Die Werte in 10 sind ein Beispiel und geben nicht notwendigerweise die präzisen Werte an, die unter Verwendung der offenbarten Verfahren und Halterungen erzielt werden können.
Unter Bezugnahme auf die 11–15 lassen sich die offenbarten Verfahren und Halterungen zum Generieren eines Magnetfelds in einem Magnetkern auch auf Rotor- und Statorkerne sowie Induktor-, Transformator-, Generator- oder andere Magnetkerne anwenden. Eine Halterung für einen externen oder äußeren Statorkern 100 ist in 11 gezeigt, wobei der Kern 100 Statorzähne 102 und Statorschlitze oder -spalte 104 enthält. Der Magnetfluss in einem Statorkern 100 während des Betriebs beinhaltet im Allgemeinen mehrere Flusswege, die Bögen von einem Statorzahn 102 um einen Statorschlitz 104 zu einem anderen Statorzahn 102 bilden. Um die Permeabilität und Flussdichte entlang der Flusswege zu vergrößern, kann dementsprechend ein Magnetfeld 106 generiert werden, das die Flusswege nachahmt oder dem ähnlich ist und die Körner entlang selbigen orientiert.
Bei einer in 11 gezeigten Ausführungsform kann das Magnetfeld 106 unter Verwendung einer Halterung mit einer oder mehreren elektrischen Schaltungen generiert werden. Die nicht gezeigten elektrischen Schaltungen können einen oder mehrere stromführende Drähte 108 enthalten. Ein oder mehrere Drähte 110 können innerhalb der Statorschlitze 104 platziert werden, und ein oder mehrere Drähte 112 können außerhalb des Statorkerns gegenüber einem Draht 110 innerhalb eines Statorschlitzes 104 platziert werden. Dementsprechend kann die Halterung ein oder mehrere Paare von Drähten enthalten, wobei sich ein Draht in jedem Paar im Stator (z.B. in einem Schlitz 104) befindet und einer jedes Paars sich außerhalb des Statorkerns 100 befindet. Bei einer Ausführungsform kann ein Draht 114 in jedem Paar Strom in einer Richtung führen, während der andere Draht 116 in jedem Paar Strom in der entgegengesetzten Richtung führt. Die Paare von Drähten können ihre Konfiguration derart abwechseln, dass benachbarte Schlitze 104 Drähte mit abwechselnden Stromrichtungen aufweisen, wie in 11 gezeigt. Infolge der abwechselnden Paare von Drähten kann ein Magnetfeld 106 derart generiert werden, dass Bögen 118 von Zahn 102 zu Zahn 102 um die Schlitze 104 herum gebildet werden. Dieses Magnetfeld ahmt die Flusswege im Stator während des Betriebs nach oder sind dem ähnlich. Das Magnetfeld 106 kann bewirken, dass sich die unkonsolidierten Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen 122 orientieren, die mit dem Magnetfeld 106 übereinstimmen, es nachahmen oder ihm folgen (z.B. Bogengestalten). Wie gezeigt, können mindestens zwei oder mehr der Ausrichtungen 122 voneinander verschieden sein.
Wenngleich 11 mit Paaren von Drähten gezeigt ist, einer innerhalb und einer außerhalb des Statorkerns, befinden sich bei einigen Ausführungsformen Drähte nur innerhalb oder nur außerhalb des Statorkerns 100. Beispielsweise kann eine Halterung nur Drähte 110 innerhalb der Statorschlitze 104 enthalten. Diese Drähte können die Stromrichtung abwechseln, wie oben beschrieben. Außerdem zeigt 11 zwar, dass jeder Statorschlitz 104 einen Draht 110 enthält, doch enthält bei einigen Ausführungsformen möglicherweise nicht jeder Schlitz 104 einen darin befindlichen Draht. Ähnlich wie bei der Halterung für den Induktorkern 50 in 9 kann ein Eisenkern 120 in der Halterung für den Statorkern 100 enthalten sein. Ein Kern 120 kann an der Mitte oder dem Innenhohlraum des Statorkerns 100 enthalten sein, wie in 11 gezeigt. Ein Kern 120 kann jedoch auch den Stator 100 umgeben, und zwar zusätzlich dazu oder anstelle davon, in der Mitte platziert zu sein. Ähnlich wie bei dem Eisenkern in 9 kann der Eisenkern 120 das Leiten des Magnetflusses, um die gewünschte Gestalt oder das gewünschte Muster auszubilden, unterstützen.
Eine weitere Ausführungsform einer Halterung zum Bereitstellen einer Ausrichtung des Magnetfelds 106 in einem Statorkern 100 ist in 12 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform können ein oder mehrere Drähte 110‘ bei den Statorschlitzen 104 oder den Statorzähnen 102 platziert werden, anstatt innerhalb der Statorschlitze 104. Das Platzieren der Drähte 110‘ bei den Schlitzen 104 kann bei einigen Halterungen leichter oder zweckmäßiger sein. Ein oder mehrere Drähte 112 können außerhalb des Statorkerns gegenüber einem Draht 110‘ platziert sein, ähnlich wie unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Ebenfalls ähnlich wie 11 kann ein Draht 114 in jedem Paar Strom in einer Richtung führen, während der andere Draht 116 in jedem Paar Strom in der entgegengesetzten Richtung führt. Die Paare von Drähten können ihre Konfiguration derart abwechseln, dass die Drähte 110‘ abwechselnde Stromrichtungen aufweisen, wie in 12 gezeigt. Infolge der abwechselnden Paare von Drähten kann ein Magnetfeld 106 derart generiert werden, dass Bögen 118 von Zahn 102 zu Zahn 102 um die Schlitze 104 herum ausgebildet werden. Ähnlich wie bei der Halterung von 11 befinden sich bei einigen Ausführungsformen Drähte möglicherweise nur innerhalb oder außerhalb des Statorkerns 100 und/oder nicht jeder Statorzahn 102 oder Schlitz 104 weist einen damit assoziierten Draht auf.
Wie oben bezüglich 6, 8 und 9 beschrieben, kann das spezifische, maßgeschneiderte Magnetfeld auch unter Verwendung mehrerer Magnete 130 (z.B. Permanentmagnete) bereitgestellt werden. Die Magnete 130 können in einer Halterung platziert oder angeordnet werden, um das Magnetfeld 132 zu generieren, das eine ähnliche Form oder ein ähnliches Muster wie das Magnetfeld 106 in 11 und 12 besitzen kann. Bei einer in 13 gezeigten Ausführungsform können mehrere Magnete 130 an den Spitzen oder Enden 134 jedes Statorzahns 102 positioniert werden. Jeder Magnet 130 kann eine N-Seite und S-Seite oder einen N-Abschnitt und einen S-Abschnitt besitzen, und die Magnete 130 können derart angeordnet sein, dass sie abwechselnde, den Statorzähnen 102 zugewandte N- und S-Abschnitte besitzen, wie in 13 gezeigt. Anders ausgedrückt können Magnete mit einer N-Seite, die dem Statorzahn 102 zugewandt ist, als 136 bezeichnet werden, und Magnete mit einer S-Seite, die dem Statorzahn zugewandt ist, können als 138 bezeichnet werden. Jeder Magnet 136 kann einen Magneten 138 auf beiden Seiten von sich besitzen und umgekehrt. Wie oben beschrieben, kann ein Eisenkern 140 in der Mitte oder im Innenhohlraum des Statorkerns 100 platziert sein, um das Leiten des Magnetfelds 132 zu unterstützen. Wenngleich nicht gezeigt, kann die Halterung auch Magnete enthalten, die sich auf der Außenseite des Statorkerns befinden, ähnlich den oben beschriebenen Induktorausführungsformen.
Bei einer weiteren, in 14 gezeigten Ausführungsform kann eine Halterung mehrere Magnete 130 enthalten, die in den Statorschlitzen 104 platziert sind. Beispielsweise kann jeder Statorschlitz 104 einen darin befindlichen Magneten 130 aufweisen. Die Magnete 130 können derart orientiert sein, dass die N- und S-Seiten jeweils einer Seite 150 des Statorzahns 102 zugewandt sind. Bei einigen Magneten 152 kann die N-Seite im Uhrzeigersinn weisen, und die S-Seite kann entgegen dem Uhrzeigersinn weisen, während bei anderen Magneten 154 die S-Seite im Uhrzeigersinn weisen kann und die N-Seite entgegen dem Uhrzeigersinn weisen kann. Bei einer Ausführungsform können benachbarte Zähne 102 die entgegengesetzte Magnetkonfiguration besitzen (z.B. 152 oder 154), um ein abwechselndes Muster von Magneten 152 und 154 auszubilden, wie in 14 gezeigt. Anders ausgedrückt kann jeder Magnet 152 einen Magneten 154 auf beiden Seiten von sich haben und umgekehrt. Dieses Muster von Magneten kann das Magnetfeld 132 generieren, wie in 14 gezeigt. Wie oben beschrieben, kann ein Eisenkern 160 in der Mitte des Statorkerns 100 platziert sein, um das Leiten des Magnetfelds 132 zu unterstützen. Wenngleich nicht gezeigt, kann die Halterung auch Magnete enthalten, die sich auf der Außenseite des Statorkerns befinden, ähnlich den oben beschriebenen Induktorausführungsformen. Das Magnetfeld 132 kann bewirken, dass sich die unkonsolidierten Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen 142 orientieren, die mit dem Magnetfeld 132 übereinstimmen, es nachahmen oder ihm folgen (z.B. Bogengestalten). Wie gezeigt, können mindestens zwei oder mehr der Ausrichtungen 142 voneinander verschieden sein.
Unter Bezugnahme auf 15 wird eine Halterung zum Orientieren der Körner/des Pulvers eines Rotorkerns 200 gezeigt. Die Ausrichtung des Rotorkerns 200 kann entweder unter Verwendung einer elektrischen Schaltung oder von Magneten durchgeführt werden, gemäß den oben beschriebenen Verfahren. Bei der in 15 gezeigten Ausführungsform kann ein Magnetfeld 202 unter Verwendung von Magneten 204 (z.B. Permanentmagneten) ausgebildet werden. Die Magnete 204 können zu Paaren 206 gruppiert werden, die allgemein eine V-Gestalt bilden können oder einen Winkel bilden können (z.B. einen stumpfen Winkel). Die Magnete 204 können jeweils eine N-Seite und S-Seite oder einen N-Abschnitt und S-Abschnitt aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann jedes Paar von Magneten 206 derart konfiguriert sein, dass beide Magnete 204 mit der gleichen Seite nach außen weisen (entweder N oder S). Paare von Magneten 206, deren N-Seite nach außen weist, können als 208 bezeichnet werden, während Paare 206, deren S-Seite nach außen weist, als 210 bezeichnet werden können. Bei einer Ausführungsform können die Paare derart abwechseln, dass jedes Paar 208 ein Paar 210 auf jeder Seite aufweist und umgekehrt, wie in 15 gezeigt. Während 15 vier Paare von Magneten 206 zeigt, zwei Paare von 208 und zwei Paare von 210, kann die Halterung eine beliebige geeignete Anzahl von Paaren 206 von Magneten 204 beinhalten. Das Magnetfeld 202 kann bewirken, dass sich die unkonsolidierten Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen 212 orientieren, die mit dem Magnetfeld 202 übereinstimmen, es nachahmen oder ihm folgen. Wie gezeigt, können mindestens zwei oder mehr der Ausrichtungen 212 voneinander verschieden sein.
Bei mindestens einer Ausführungsform können die in der Halterung verwendeten Magnete 204 die gleichen Permanentmagnete sein, die in den Rotorkern 200 in seiner finalen Form eingebaut sind (z.B. in einem Permanentmagnetmotor). Dementsprechend werden die Permanentmagnete, die im Rotor verwendet werden, auch zum Orientieren der Körner/des Pulvers während des Rotorkernherstellungsprozesses verwendet (z.B. Ausrichtung und optional Verdichtung und/oder Sintern/Härten). Die Permanentmagnete können während des Herstellungsprozesses in den Pulverkern eingebettet werden und sie können im Kern verbleiben, nachdem die Verarbeitung beendet ist, um den finalen Rotorkern auszubilden. Ähnlich wie bei den oben beschriebenen Halterungen kann die Halterung für die Rotororientierung einen Eisenkern 214 enthalten, der den Rotorkern 200 (teilweise oder vollständig) umgibt, um das Leiten des Magnetfelds 202 zu unterstützen.
Die nichtbeschränkenden Beispiele von in 3–15 beschriebenen Halterungen wurden im Kontext von gesinterten oder gebondeten Magneten beschrieben. Durch Verwenden der Halterungen, um die offenbarten Magnetfelder anzuwenden, während die magnetischen Pulver noch nicht vollständig konsolidiert sind, kann die Orientierung der Körner leichter und effizienter/effektiver gemacht werden. Die offenbarten Halterungen können jedoch auch verwendet werden, um konsolidierte oder vollständig ausgebildete Magnete zu orientieren, wie etwa den aus Elektrostählen ausgebildeten (z.B. Elektrostahllaminierungen). Um die magnetischen Körner effektiver zu orientieren, können der oder die Magnetkerne beispielsweise auf eine Temperatur von 400°C bis 900°C erhitzt werden. Das Erhitzen kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens bewerkstelligt werden, und das Heizgerät kann zu einer beliebigen der offenbarten Halterungen hinzugefügt werden. Dementsprechend können die offenbarten Vorzüge der oben beschriebenen magnetischen Kornorientierung in Magnetkernen implementiert werden, die nicht aus magnetischen Pulvern ausgebildet werden oder die bereits konsolidiert waren.
Wenngleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentschrift verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.
Es wird ferner beschrieben:

A. Magnetkern, der Folgendes umfasst: einen Magnetkörper mit Magnetkörnern und einem Magnetflussweg, wobei die Magnetkörner in mehreren unterschiedlichen gerichteten Ausrichtungen ausgerichtet sind, um dem Magnetflussweg zu entsprechen.
B. Magnetkern nach A, wobei jede Ausrichtung eine Hauptausrichtung bezüglich des Magnetkörpers ist.
C. Magnetkern nach A, wobei der Magnetkörper einen Innenhohlraum besitzt. D. Magnetkern nach C, wobei die mehreren gerichteten Ausrichtungen sich um einen Umfang des Innenhohlraums herum erstrecken.
E. Magnetkern nach D, wobei der Magnetkern ein Induktorkern ist.
F. Magnetkern nach A, wobei der Magnetkern ein Statorkern mit mehreren Statorzähnen und mehreren Statorschlitzen zwischen den Statorzähnen ist.
G. Magnetkern nach F, wobei die mehreren gerichteten Ausrichtungen mehrere bogenförmige Ausrichtungen von einem Statorzahn zu einem anderen Statorzahn um einen Statorschlitz herum beinhalten.
H. Magnetkern nach A, wobei der Magnetkern ein Rotorkern mit mehreren darin angeordneten Permanentmagneten ist.
I. Magnetkern nach H, wobei die mehreren gerichteten Ausrichtungen mehrere Ausrichtungen beinhalten, die sich zwischen den Permanentmagneten und einem Außenumfang des Rotorkerns erstrecken.
J. Halterung zum Ausrichten von Körnern in einem Magnetkern, umfassend: einen oder mehrere innere Magnete, die so konfiguriert sind, dass sie sich in einem Inneren des Kerns befinden; wobei die inneren Magnete konfiguriert sind zum Generieren eines Magnetfelds in dem Magnetkern und Ausrichten der Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen.
K. Halterung nach J, wobei die inneren Magnete konfiguriert sind zum Generieren eines Magnetfelds in dem Magnetkern, das einen Magnetflussweg des Magnetkerns nachahmt.
L. Halterung nach J, wobei jeder innere Magnet eine Nordseite (N) und eine Südseite (S) besitzt.
M. Halterung nach L, wobei es mehrere innere Magnete und mehrere äußere Magnete gibt, die so konfiguriert sind, dass sie sich außerhalb des Kerns befinden, und jeder innere Magnet mit einem äußeren Magnet ein Magnetpaar bildet.
N. Halterung nach M, wobei bei jedem Magnetpaar entweder die N-Seiten einander zugewandt sind oder die S-Seiten einander zugewandt sind und benachbarte Magnetpaare entgegengesetzte N- und S-Seitenkonfigurationen besitzen.
O. Halterung nach J, wobei der Magnetkern ein Statorkern mit mehreren Statorzähnen und mehreren Statorschlitzen zwischen den Statorzähnen ist, wobei die inneren Magnete so konfiguriert sind, dass sie ein Magnetfeld in dem Statorkern generieren und die Körner in mehreren bogenförmigen Ausrichtungen von einem Statorzahn zu einem anderen Statorzahn um einen Statorschlitz herum ausrichten.
P. Halterung nach O, wobei die inneren Magnete so konfiguriert sind, dass sie sich an Spitzen der Statorzähne oder in den Statorschlitzen befinden.
Q. Halterung nach J, wobei der Magnetkern ein Rotorkern ist und die inneren Magnete Rotorpermanentmagnete sind, die nach Konsolidierung im Rotorkern verbleiben.
R. Halterung zum Ausrichten von Körnern in einem Magnetkern, umfassend: einen oder mehrere innere Drähte, die so konfiguriert sind, dass sie sich in einem Inneren des Kerns befinden und elektrischen Strom in einer ersten Richtung führen; und einen oder mehrere äußere Drähte, die so konfiguriert sind, dass sie sich außerhalb des Kerns befinden und einen elektrischen Strom in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung führen; wobei die inneren und äußeren Drähte konfiguriert sind zum Generieren eines Magnetfelds im Magnetkern.
S. Halterung nach R, wobei die inneren und äußeren Drähte so konfiguriert sind, dass sie ein Magnetfeld im Magnetkern generieren und die Körner in mehreren gerichteten Ausrichtungen ausrichten, die einen Magnetflussweg des Magnetkerns nachahmen.
T. Halterung nach R, wobei es mehrere innere Drähte und mehrere äußere Drähte gibt und jeder innere Draht mit einem äußeren Draht ein Drahtpaar bildet.

Claims

Magnetkern, der Folgendes umfasst: einen Magnetkörper mit Magnetkörnern und einem Magnetflussweg, wobei die Magnetkörner in mehreren unterschiedlichen gerichteten Ausrichtungen ausgerichtet sind, um dem Magnetflussweg zu entsprechen.
Magnetkern nach Anspruch 1, wobei jede Ausrichtung eine Hauptausrichtung bezüglich des Magnetkörpers ist.
Magnetkern nach Anspruch 1, wobei der Magnetkörper einen Innenhohlraum besitzt.
Magnetkern nach Anspruch 3, wobei die mehreren gerichteten Ausrichtungen sich um einen Umfang des Innenhohlraums herum erstrecken.
Magnetkern nach Anspruch 4, wobei der Magnetkern ein Induktorkern ist.
Magnetkern nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern ein Statorkern mit mehreren Statorzähnen und mehreren Statorschlitzen zwischen den Statorzähnen ist.
Magnetkern nach Anspruch 6, wobei die mehreren gerichteten Ausrichtungen mehrere bogenförmige Ausrichtungen von einem Statorzahn zu einem anderen Statorzahn um einen Statorschlitz herum beinhalten.
Magnetkern nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern ein Rotorkern mit mehreren darin angeordneten Permanentmagneten ist.
Magnetkern nach Anspruch 8, wobei die mehreren gerichteten Ausrichtungen mehrere Ausrichtungen beinhalten, die sich zwischen den Permanentmagneten und einem Außenumfang des Rotorkerns erstrecken.