DE102015218423A1

DE102015218423A1 - Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Kernelements mit einer Haltefolie

Info

Publication number: DE102015218423A1
Application number: DE102015218423.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Grunwald
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2016-03-31
Also published as: CN105469948B; CN105469948A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Kernelements (1), insbesondere zur Verwendung in einem Wegsensor mit einem Differentialtransformator, aufweisend mehrere aufeinander gestapelte Folien (10) enthaltend ein magnetisches Material, und eine Schutzschicht zum Zusammenhalten und Schützen der Folien (10), aufweisend die Schritte: a) Erstellen eines magnetischen Folienbandes (11) mittels Erstarrung einer Schmelze, b) Nachbearbeiten des Folienbandes (11) zu einem Kernelement (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung unmittelbar nach der Erstarrung der Schmelze (50) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Kernelements, insbesondere zur Verwendung in einem Wegsensor mit einem Differenzialtransformator, ein magnetisches Kernelement sowie einen Sensor mit einem Kernelement.
Viele Anwendungen zur Messwerterfassung werden mit magnetischen Sensoren durchgeführt. Dazu werden der eigentliche Sensor und ein Dauermagnet verwendet. Diverse magnetische Sensorprinzipien kommen zum Einsatz. Für die Wegmessung bzw. Positionserfassung hat sich seit Jahren ein Prinzip bewährt, das aus einem Differentialtransformator besteht. So ist ein Transformator typischerweise folgendermaßen aufgebaut: auf einem weichmagnetischen Kern wird eine langgestreckte Spule, die sog. Primärspule gewickelt. Außerhalb der Spulen befindet sich ein weiterer gleichartiger Kern, der den magnetischen Kreis schließt. Dieser Kern wird Rückschlusskern genannt.
Die Primärspule dient dazu in dem weichmagnetischen Kern einen magnetischen Wechselfluss zu erzeugen. An den Enden des Kerns werden jeweils kurze Spulen gewickelt, die sog. Sekundärspulen. Diese Spulen dienen dazu die magnetischen Teilflüsse im Kern auszulesen. Diese Teilflüsse werden durch einen Dauermagneten erzeugt, der den magnetischen Fluss der Primärspule in zwei Teilflüsse im Kern aufteilt indem er den Kern lokal sättigt und dadurch für den magnetischen Wechselfluss im Kern unterbricht. Die Differenzen der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen sind ein Maß für die Position des Magneten.
Als Kerne werden häufig Streifen von Folien aus nanokristalliner Struktur verwendet. Diese kristallinen Werkstoffe haben hervorragende magnetische Eigenschaften, wie hohe Permeabilität und niedrige Koerzitivfeldstärke. Es besteht jedoch der Nachteil, dass die Folien in der nanokristallinen Struktur sehr spröde sind und daher schwer bearbeitet werden können und schwer handhabbar sind ohne die Folien selbst zu beschädigen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren oder ein Kernelement aufzuzeigen, mit der es möglich ist ein Kernelement herzustellen ohne die Folien selbst zu beschädigen.
Die Erfindung wird gelöst gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass das Folienband unmittelbar nach der Erstarrung aus der Schmelze sich noch in einem amorphen Zustand befindet bzw. eine amorphe Struktur aufweist. In dieser Struktur weist das Folienband mechanische Eigenschaften auf, die eine Nachbearbeitung zu einem Kernelement ermöglichen ohne das Folienband zu beschädigen. Das Folienband ist bandförmig ausgebildet und wird in einem kontinuierlichen Abkühlprozess hergestellt. Die Nachbearbeitung insbesondere mechanischer Art und auch die Handhabung des Folienbandes im amorphen Zustand ist ein wesentlicher Kernpunkt der Erfindung. Unter Nachbearbeitung sei dabei insbesondere ein Zuschneiden und transportieren des Folienbandes verstanden.
Das Folienband hat in der Regel eine Dicke von etwa 20 µm und wird aus einer Schmelze durch rasches erstarren bzw. abkühlen hergestellt. Die Abkühlraten sind sehr hoch und können beispielsweise 106 K/s betragen. Direkt nach der Erstarrung weist die Struktur des Folienbandes eine amorphe Struktur auf, die aber nach weiterer Abkühlung bzw. Temperaturbehandlung in eine kristalline Struktur übergeht. Durch bestimmte Temperaturbehandlung kann auch erreicht werden, dass die Folien eine Struktur mit einer amorphen Matrix aufweisen, in der Nanokristallite eingelagert sind. Mit der kristallinen Struktur ist das Folienband sehr spröde, so dass das Folienband beispielsweise nicht mehr in gewünschter Größe zugeschnitten werden kann.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren dadurch weitergebildet, dass die Nachbearbeitung derart zeitnah nach der Erstarrung erfolgt, dass das Folienband eine amorphe Struktur aufweist.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Nachbearbeitung während der Abkühlung des Folienbandes durchgeführt, wobei die Nachbearbeitung abgeschlossen wird, bevor das Folienband eine im Wesentlichen kristalline Struktur annimmt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Nachbearbeitung in einer Phase stattfindet, in der das Folienband die vorteilhaften Eigenschaften zur Nachbearbeitung aufweist.
Ferner ist es vorteilhaft das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weiterzubilden, dass das Kernelement nach Abschluss der Nachbearbeitung mittels spezifischer Umgebungstemperaturen derart behandelt wird, um die Struktur der Folien in eine kristalline Struktur zu überführen. Da die Folien in diesem Stadium dann von der Schutzschicht umgeben sind, wird die Handhabung des Kernelements nicht durch die negativen mechanischen Eigenschaften der Folien eingeschränkt. Vorteilhafterweise wird das Kernelement bei einer Temperatur von etwa 500°C für eine Dauer von 1 Stunde ausgesetzt. Nach dieser Temperaturbehandlung weisen die Folien eine Struktur mit einer amorphen Matrix auf, in der Nanokristallite eingeschlossen sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Nachbearbeiten die folgenden Schritte auf

a) Schneiden der Folienbandes in mehrere Folienabschnitte,
b) Stapeln mehrerer Folienabschnitte zu einem Stapel, und
c) Anlegen einer Schutzschicht um den Stapel.

Die Aufgabe wird ferner gelöst gemäß eines zweiten Aspektes der Erfindung mittels eines magnetischen Kernelements nach dem unabhängigen Anspruch 6.
Die Nachbearbeitung des Folienbandes findet üblicherweise bei Temperaturen von unterhalb 500° statt, so dass es notwendig ist, dass die Schutzschicht diesen Temperaturen standhält. Ferner ist es wesentlich, dass die Schutzschicht selbst keine ferromagnetischen Eigenschaften aufweist, um nicht die magnetischen Eigenschaften der Folien zu beeinflussen. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, dass die Schutzschicht selbst die Bildung von Wirbelströmen vermeidet oder zumindest unterbindet.
Es hat sich dabei herausgestellt, dass eine Schutzschicht aus einem Material vorteilhaft ist, die im Wesentlichen aus Molybdän hergestellt ist oder besteht.
Alternativ ist es vorteilhaft, das Kernelement mit einer Schutzschicht zu versehen, deren Material im Wesentlichen aus einer Keramik, insbesondere Al2O3 Keramik hergestellt ist.
Darüber hinaus wird das Kernelement dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass das Material der Schutzschicht Glas enthält.
Die Erfindung umfasst des Weiteren einen Sensor, insbesondere einen Wegsensor mit einem Kernelement nach einem der vorstehenden Ausführungsformen bzw. einem Kernelement, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht auf das erfindungsgemäße Kernelement, und
2 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kernelements.
1 zeigt ein magnetisches Kernelement 1, das mehrere aufeinander gestapelte Folien 10 enthaltend ein magnetisches Material und eine Schutzschicht 20 zum Zusammenhalten und Schützen der Folien aufweist. Das Kernelement wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie nachfolgend noch näher beschrieben, hergestellt und findet beispielsweise in einem linearen induktiven Positionssensor (LIPS) aus dem Hause der Anmelderin Anwendung.
Zur Herstellung des Kernelements gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Schutzschicht 20 aus einem nicht ferromagnetischen Metall mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 500°C ausgebildet ist. Ein Mörder vorteilhaftes Material der Schutzschicht ist beispielsweise Molybdän. Alternativ dazu kann das Material der Schutzschicht im Wesentlichen aus einer Keramik, insbesondere Al2O3 Keramik oder aus Glas hergestellt sein.
In 2 sind die Herstellungsschritte des Verfahrens in schematischer Weise dargestellt.
Im 1. Schritt wird ein kontinuierliches Folienband 11 aus einer Schmelze 50 des Ausgangsmaterials des Folienbandes 20 bzw. der gestapelte Folien 10 hergestellt. Die Herstellung des Folienbandes aus der Schmelze ist aus dem Stand der Technik weitestgehend bekannt.
Das Folienband wird unmittelbar nach dessen Herstellung derart nachgearbeitet, dass es zu dem erfindungsgemäßen Kernelement fertig gestellt werden kann. Ein wesentlicher Schritt dabei ist das Schneiden des Folienbandes zu kurzen Folienabschnitten bzw. Folien 10. Hierzu wird das Folienband 11 mittels eines Schneidemittels 30 in die jeweiligen Folien 10 geschnitten. Im Anschluss daran werden die Folien 10 zu einem Stapel übereinander gelegt. Wesentlich ist, dass beide Schritte derart unmittelbar nach der Herstellung des Folienbandes 11 erfolgen, wo es noch eine hohe mechanische Robustheit aufweist und somit nicht leicht beschädigt werden kann. Der Begriff unmittelbar kann derart verstanden werden, dass die Nachbearbeitung zeitnah nach der Erstarrung erfolgt, zu der das Folienband noch eine amorphe Struktur aufweist. Wichtig ist auch, dass die Nachbearbeitung abgeschlossen wird, bevor das Folienband eine im Wesentlichen kristalline Struktur annimmt.
Des Weiteren umfasst das Nachberarbeiten vorteilhafterweise auch den Schritt des Anlegens einer Schutzschicht 20 um den Stapel. In 2 ist dieser Schritt mit der Nummer „I)“ gekennzeichnet. Es wird hiermit angedeutet, dass die Herstellung des Kernelements 1 im Wesentlichen abgeschlossen wird, solange die Folien 10 noch eine amorphe Struktur aufweisen. Da sich die Temperatur der Folien 10 in diesem Zustand in einem hohen Bereich von mehreren 100 °C befindet, ist es notwendig, dass auch die Schutzschicht 20 dazu geeignet ist, diese Temperaturen zu überstehen.
Zusätzlich dazu ist es, wie mit „II)“ gekennzeichnet, vorteilhaft, die Folien 10 mittels einer Wärmequelle 40 mittels spezifischer Umgebungstemperaturen derart zu behandeln, um die Struktur der Folien in eine kristalline Struktur zu überführen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Kernelements (1), insbesondere zur Verwendung in einem Wegsensor mit einem Differentialtransformator, aufweisend mehrere aufeinander gestapelte Folien (10) enthaltend ein magnetisches Material, und eine Schutzschicht zum Zusammenhalten und Schützen der Folien (10), aufweisend die Schritte: a) Erstellen eines magnetischen Folienbandes (11) mittels Erstarrung einer Schmelze, b) Nachbearbeiten des Folienbandes (11) zu einem Kernelement (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung unmittelbar nach der Erstarrung der Schmelze (50) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung derart zeitnah nach der Erstarrung erfolgt, dass das Folienband (11) eine amorphe Struktur aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung während der Abkühlung des Folienbandes (11) durchgeführt wird, wobei die Nachbearbeitung abgeschlossen wird, bevor das Folienband eine im Wesentlichen kristalline Struktur annimmt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (1) nach Abschluss der Nachbearbeitung mittels spezifischer Umgebungstemperaturen derart behandelt wird, um die Struktur der Folien (10) in eine kristalline Struktur zu überführen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbearbeiten die folgenden Schritte umfasst: a) Schneiden der Folienbandes (11) in mehrere einzelne Folien (10), b) Stapeln mehrerer Folien (10) zu einem Stapel, und c) Anlegen einer Schutzschicht (20) um den Stapel.
Magnetisches Kernelement (1) hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend – mehrere aufeinander gestapelte Folien (10) enthaltend ein magnetisches Material, und – eine Schutzschicht (20) zum Zusammenhalten und Schützen der Folien (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus einem nicht ferromagnetischen Metall mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 500°C ausgebildet ist.
Kernelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material die Schutzschicht (20) im Wesentlichen aus Molybdän hergestellt ist.
Kernelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Schutzschicht (20) im Wesentlichen aus einer Keramik, insbesondere Al2O3 Keramik hergestellt ist.
Kernelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Schutzschicht (20) Glas enthält.
Sensor, insbesondere Wegsensor, mit einem Kernelement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.