DE102016007590B4

DE102016007590B4 - Verfahren zur Herstellung einer Spulenbaugruppe für einen Elektomagneten

Info

Publication number: DE102016007590B4
Application number: DE102016007590.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dietrich; Martin Petzold
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2022-12-29
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: DE102016007590A1; WO2017220178A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Spulenbaugruppe (1) eines Elektromagneten, bestehend aus einer Magnetspule (2) und einem den Magnetrückschluss bildenden offenen oder geschlossenen Bügel (3), wobei die Magnetspule (2) bei der Herstellung der Spulenbaugruppe mit einer Kunststoffmasse (6) umspritzt wird,wobei die Kunststoffmasse mit einem Masseanteil zwischen 30% und 70% mit Eisenpartikeln gefüllt ist und wobei vor dem Spritzvorgang ein Eisenkern (7) in die Magnetspule (2) eingeschoben wird und wobei die Magnetspule während des Spritzvorgangs und/oder vor der Erstarrung der Kunststoffmasse mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, der zwischen einer Größe mehr als Nennstrom und 200% des Nennstroms für diese Spule beträgt,und bei der Beaufschlagung der Magnetspule (2) mit elektrischem Strom der elektrische Strom geregelt wird, und zwar auf einen zeitlich veränderlichen Sollwert, beginnend mit einem hohen Sollwert nach dem Einspritzen der Kunststoffmasse, der größer ist als der Nennstrom, und während der Erstarrung der Kunststoffmasse mit einem auf Null langsam abfallenden Sollwert.

Description

Die Erfindung beruht auf einem Verfahren zur Herstellung einer Spulenbaugruppe eines Elektromagneten entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Derart hergestellte Elektromagnete werden als schaltbare oder proportionalwirkende Aktoren für Ventile, Kupplungen und Dosierpumpen eingesetzt.
Stand der Technik:
Elektromagnete mit einem Bügel als Eisenrückschluss sind bekannt und weit verbreitet. Sie sind kostengünstig herstellbar, solange das Eisenblech des Bügels dünn ist. Mit dickerem Eisenblech steigen die Kosten und auch die Einschränkungen hinsichtlich der konstruktiven Auslegung, daher besteht ein Anreiz, dünnes Blech zu verwenden.
Bei der Verwendung von dünnem Blech kommt man bei höherem Spulenstrom und kleinem Arbeitsluftspalt in den Bereich der magnetischen Sättigung im Bügel, wodurch die Magnetkraft des Elektromagneten bei hohem Strom und kleinem Arbeitsluftspalt begrenzt wird. In vielen Anwendungen ist das kein Problem, weil man die Kraft bei kleinem Arbeitsluftspalt ohnehin begrenzen will. Es gibt aber Anwendungen, in denen man bei kleinem Arbeitsluftspalt eine große Kraft nutzen will, hier ist die magnetische Sättigung im Bügel unerwünscht. Ein dickerer Bügel könnte das Problem lösen, soll aber wegen der damit verbundenen Einschränkungen in der konstruktiven Auslegung vermieden werden. Wichtige Einschränkungen sind der Platzbedarf, die möglichen Formgebungen im Bereich des Übergangs des magnetischen Flusses vom Bügel zum Anker und die Formtoleranzen, die sich ohne mechanische Nacharbeit erreichen lassen.
Aus den Druckschriften DE 101 55 898 A1 , DE 10 2011 089 903 A1 und US 2016 / 0 133 364 A1 sind Magnete bekannt, deren Kunststoffgehäuse Eisenpartikel enthalten.
Aufgabe:
Der magnetische Eisenrückschluss soll ohne Verstärkung des Bügels hinsichtlich seiner Materialdicke oder seiner Form verbessert werden, damit eine magnetische Sättigung im Eisenrückschluss erst bei höheren elektrischen Strömen erfolgt.
Lösung:
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Ansprüche beschreiben Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spulenbaugruppe und mittelbar auch die Spulenbaugruppe.
Spulenbaugruppen mit einem Bügel als Eisenrückschluss werden in vielen Fällen mit Kunststoff umspritzt, um die Wicklung der Spule zu schützen und um eine Befestigung des Bügels an der Spule zu bewirken.
Es ist aus der Dissertation „Einfluss von Füllgrad und Geometrie weichmagnetischer Partikel auf die Verarbeitungs- und Materialeigenschaften ausgewählter Thermoplaste“ von Stefan Kirchberg (TU Clausthal, 2009) bekannt, die Kunststoffmasse der Umspritzung mit Eisenpartikeln zu füllen. Die Füllung mit Eisenpartikeln bewirkt schon ohne weitere Maßnahmen eine Verbesserung des magnetischen Eisenrückschlusses. Eine weitere Verbesserung stellt sich ein, wenn man während der Erstarrung des Kunststoffes mittels eines von außen aufgebrachten Magnetfelds eine Ausrichtung der Eisenpartikel erzeugt.
Ausgehend von diesem Wissen wird gemäß der hier beschriebenen Erfindung die Magnetspule der herzustellenden Spulenbaugruppe selbst zur Erzeugung des Magnetfeldes benutzt, und es wird vorher ein Eisenkern in die Magnetspule eingeschoben, um den Magnetfluss erheblich zu verstärken. Der Eisenkern nimmt dabei annähernd die Lage der später einzubauenden Bauteile Magnetanker und Magnetpol ein, schließt also den Magnetkreis im Inneren der Magnetspule.
Die Höhe des elektrischen Stroms durch die Magnetpule während der Erstarrung des Kunststoffs muss auf der Basis von Simulations- und Versuchsergebnissen gewählt und genau eingehalten werden, ein geringer Strom bewirkt nur eine geringe Ausrichtung der Eisenpartikel und ein zu großer Strom schädigt die Magnetspule, zumal die Wärmeabfuhr aus der Magnetspule während des Erstarrungsvorgangs des Kunststoffs erheblich behindert ist. Erfolgt die Bestromung der Magnetspule nur recht kurzzeitig, kann der Strom größer sein, als der Nennstrom der Magnetspule. Der Nennstrom der Magnetspule ist der Strom, den die Magnetspule im bestimmungsgemäßen Betrieb dauerhaft erträgt.
Vorteilhafterweise wird nicht nur die Höhe des elektrischen Stroms, sondern auch sein zeitlicher Verlauf durch Simulationen und Versuche optimiert, denn es kommt bei der Ausrichtung der Partikel vor allem auf die Stärke des Magnetflusses zu Beginn der Erstarrung an.
Die Form der Eisenpartikel hat auch Einfluss auf das Ergebnis des Verfahrens; kugelförmige Partikel gestatten einen höheren Füllungsgrad der Eisenpartikel in der Kunststoffmasse bei ausreichender Formbarkeit, und unregelmäßig geformte, überwiegend plattige oder stabförmige Partikel erlauben zwar einen geringeren Füllungsgrad, bilden aber bei der Ausrichtung durch das Magnetfeld eine große Zahl günstig geformter Berührflächen zueinander, die einen geringen magnetischen Widerstand in der gefüllten Kunststoffmasse hervorrufen.
Entsprechend den Anforderungen einer Anwendung wählt man vorteilhafterweise entweder kugelförmige Partikel für einen hohen Füllungsgrad oder unregelmäßig geformte Partikel, aber immer weichmagnetische Eisenpartikel. Dabei wählt man vorteilhafterweise nur dann Partikel mit elektrisch und magnetisch isolierender Beschichtung, wenn es in der Anwendung besonders wichtig ist, Wirbelströme zu unterdrücken.
Anwendung:
Spulenbaugruppen der beschriebenen Art werden für Elektromagnete zur Betätigung von Ventilen und Kupplungen verwendet.
Bilder:

1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Spulenbaugruppe mit einem für den Herstellprozess eingeschobenen Eisenkern.

Beispielhafte Ausführung:
Die herzustellende Spulenbaugruppe (1) für einen Elektromagneten gemäß 1 besteht mindestens aus einer Magnetspule (2) und einem den Magnetrückschluss bildenden offenen oder geschlossenen Bügel (3). Dabei wird die Magnetspule bei der Herstellung des Elektromagneten mit einer Kunststoffmasse (6) umspritzt.
Die Kunststoffmasse ist mit einem Masseanteil zwischen 30% und 70% mit Eisenpartikeln gefüllt und vor dem Spritzvorgangs wird ein Eisenkern (7) in die Magnetspule eingeschoben.
Die Magnetspule wird während des Spritzvorgangs und/oder bis zur Erstarrung der Kunststoffmasse mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, der zwischen einer Größe mehr als Nennstrom und 200% des Nennstroms für diese Spule beträgt.
Die als Füllmaterial verwendeten Eisenpartikel sind in einer ersten Ausführung kugelförmig und weichmagnetisch.
In einer zweiten Ausführung sind die als Füllmaterial verwendeten Eisenpartikel weichmagnetisch und irregulär geformt, teils plattig, teils stabförmig, so dass sie viele Berührflächen zueinander ausbilden.
Die Beaufschlagung der Magnetspule (2) mit elektrischem Strom erfolgt während des Prozessablaufs in der Spritzgießmaschine so lange, bis die Kunststoffmasse (6) erstarrt, wobei sich die Eisenpartikel in der noch nicht erstarrten Kunststoffmasse an dem Magnetfeld der Magnetspule ausrichten.
In einer ersten Variante bestehen die Eisenpartikel aus Reineisen (RFE), in einer zweiten Variante aus einer Eisenlegierung mit mindestens 2% und höchstens 5% Silizium.
Die Beaufschlagung der Magnetspule (2) mit elektrischem Strom erfolgt vorzugsweise so, dass der elektrische Strom geregelt wird, und zwar auf einen zeitlich veränderlichen Sollwert, beginnend mit einem hohen Sollwert nach dem Einspritzen der Kunststoffmasse, der größer ist als der Nennstrom und während der Erstarrung der Kunststoffmasse mit einem auf Null langsam abfallenden Sollwert.
Bezugszeichenliste

1: Elektromagnet
2: Magnetspule
3: Bügel
6: Kunststoffmasse
7: Eisenkern

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Spulenbaugruppe (1) eines Elektromagneten, bestehend aus einer Magnetspule (2) und einem den Magnetrückschluss bildenden offenen oder geschlossenen Bügel (3), wobei die Magnetspule (2) bei der Herstellung der Spulenbaugruppe mit einer Kunststoffmasse (6) umspritzt wird, wobei die Kunststoffmasse mit einem Masseanteil zwischen 30% und 70% mit Eisenpartikeln gefüllt ist und wobei vor dem Spritzvorgang ein Eisenkern (7) in die Magnetspule (2) eingeschoben wird und wobei die Magnetspule während des Spritzvorgangs und/oder vor der Erstarrung der Kunststoffmasse mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, der zwischen einer Größe mehr als Nennstrom und 200% des Nennstroms für diese Spule beträgt, und bei der Beaufschlagung der Magnetspule (2) mit elektrischem Strom der elektrische Strom geregelt wird, und zwar auf einen zeitlich veränderlichen Sollwert, beginnend mit einem hohen Sollwert nach dem Einspritzen der Kunststoffmasse, der größer ist als der Nennstrom, und während der Erstarrung der Kunststoffmasse mit einem auf Null langsam abfallenden Sollwert.
Verfahren zur Herstellung einer Spulenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Füllmaterial verwendeten Eisenpartikel kugelförmig und weichmagnetisch sind.
Verfahren zur Herstellung einer Spulenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Füllmaterial verwendeten Eisenpartikel weichmagnetisch und irregulär geformt sind, teils plattig, teils stabförmig, so dass sie viele Berührflächen zueinander ausbilden.
Verfahren zur Herstellung einer Spulenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Beaufschlagung der Magnetspule (2) mit elektrischem Strom während des Spritzvorgangs so lange erfolgt, bis die Kunststoffmasse (6) erstarrt, wobei sich die Eisenpartikel in der noch nicht erstarrten Kunststoffmasse an dem Magnetfeld der Magnetspule ausrichten.
Verfahren zur Herstellung einer Spulenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenpartikel aus Reineisen (RFE) bestehen.
Verfahren zur Herstellung einer Spulenbaugruppe nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenpartikel aus einer Eisenlegierung mit mindestens 2% und höchstens 5% Silizium bestehen.