DE102019211439A1

DE102019211439A1 - Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauteils sowie induktives Bauteil

Info

Publication number: DE102019211439A1
Application number: DE102019211439.3A
Authority: DE
Inventors: Arpankumar Patel
Original assignee: Wuerth Elektronik Eisos GmbH and Co KG
Current assignee: Wuerth Elektronik Eisos GmbH and Co KG
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-02-04
Also published as: KR20210015691A; JP2021027345A; TW202107497A; JP7213207B2; CN112309675B; RU2752251C1; EP3772070A1; CN112309675A; US20210035734A1; ES2946688T3; KR102364724B1; TWI751616B; EP3772070B1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauteils (1) wird ein Grundkörper, der ein magnetisches Material umfasst, gesintert und anschließend zerkleinert. Durch das Zerkleinern entstehen gesinterte Partikel (P₁, P₂), die mit einem Bindemittel (B₁, B₂) zu mindestens einer Mischung gemischt werden. Die mindestens eine Mischung und mindestens eine Spule (2) werden in einer Form angeordnet und anschließend das Bindemittel (B₁, B₂) aktiviert, so dass die gesinterten Partikel (P₁, P₂) mit dem Bindemittel (B₁, B₂) mindestens einen magnetischen Kern (3, 4) ausbilden, der die mindestens eine Spule (2) zumindest teilweise umgibt. Das Verfahren ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils (1) mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauteils sowie ein induktives Bauteil.
Aus der EP 2 211 360 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauteils bekannt. Aus einer Spule und mehreren magnetischen Pulvern wird sukzessive ein fester Körper geformt. Der Körper wird daraufhin in einem Ofen angeordnet und bei ca. 900 °C zu dem induktiven Bauteil gesintert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine einfache und kostengünstige Herstellung eines induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zunächst wird ein Grundkörper bereitgestellt, der ein magnetisches Material umfasst. Das magnetische Material kann beispielsweise durch das Wiederaufbereiten von magnetischem Abfallmaterial oder durch das Aufbereiten von Rohmaterial erzeugt werden. Beispielsweise kann magnetisches Abfallmaterial zerkleinert, gefiltert und/oder gemischt werden und zu dem magnetischen Material aktiviert werden. Der Grundkörper wird insbesondere aus dem magnetischen Material geformt. Das Sintern des Grundkörpers kann in einfacher und kostengünstiger Weise bei einer vergleichsweise hohen Temperatur erfolgen, da das Sintern ohne die mindestens eine Spule erfolgt und die Schmelztemperatur des Materials der mindestens einen Spule nicht beachtet werden muss. Nach dem Sintern wird der gesinterte Grundkörper zerkleinert, so dass gesinterte Partikel entstehen. Durch das Zerkleinern und/oder das Auswählen der gesinterten Partikel für das Erzeugen der mindestens einen Mischung können die elektromagnetischen Eigenschaften des induktiven Bauteils beeinflusst werden. Anschließend wird aus den gesinterten Partikeln und einem Bindemittel mindestens eine Mischung erzeugt. Die mindestens eine Mischung wird zusammen mit der mindestens einer Spule in einer Form angeordnet und anschließend das Bindemittel aktiviert, so dass das Bindemittel die gesinterten Partikel zu mindestens einem magnetischen Kern verbindet. Der ausgebildete magnetische Kern umgibt die mindestens eine Spule in der gewünschten Weise. Vorzugsweise umgibt der mindestens eine magnetische Kern die mindestens eine Spule mit Ausnahme von Anschlusskontakten vollständig. Dadurch, dass das Sintern ohne die mindestens eine Spule erfolgt und die gesinterten Partikel mittels des Bindemittels zu dem mindestens einen magnetischen Kern verbunden werden, ist die Herstellung des induktiven Bauteils einfach und kostengünstig. Durch das Zerkleinern des gesinterten Grundkörpers und die Auswahl der zum Erzeugen der mindestens einen Mischung verwendeten gesinterten Partikel können die elektromagnetischen Eigenschaften des induktiven Bauteils gezielt beeinflusst werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 2 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Das mindestens eine Ferritmaterial ist einfach und kostengünstig verfügbar. Das mindestens eine Ferritmaterial ermöglicht eine hohe Induktivität und/oder eine weiche Sättigung. Das mindestens eine Ferritmaterial ermöglicht vergleichsweise geringere Wechselspannungsverluste (AC Losses) und/oder vergleichsweise höhere Spannungen bei Hochspannungstests (AC HiPot test). Das mindestens eine Ferritmaterial umfasst insbesondere Mangan (Mn), Zink (Zn) und/oder Nickel (Ni), beispielsweise NiZn und/oder MnZn.
Ein Verfahren nach Anspruch 3 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Dadurch, dass das Sintern ohne die mindestens eine Spule erfolgt, ist das Sintern mit einer vergleichsweise hohen Temperatur Ts möglich. Die Zeitdauer des Sintervorgangs ist umso kürzer, je höher die Temperatur Ts ist. Die Zeitdauer des Sintervorgangs kann dementsprechend verkürzt werden. Das Sintern beeinflusst die elektromagnetischen Eigenschaften der gesinterten Partikel. Dadurch, dass die Temperatur T_S und die Zeitdauer des Sinterns einfach und flexibel wählbar bzw. einstellbar sind, können die elektromagnetischen Eigenschaften in gewünschter Weise beeinflusst werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 4 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Das Aspektverhältnis charakterisiert das Verhältnis einer minimalen Abmessung Amin zu einer maximalen Abmessung Amax des jeweiligen gesinterten Partikels. Für das Aspektverhältnis A gilt somit: A = A_min/A_max. Vor dem Erzeugen der mindestens einen Mischung werden die gesinterten Partikel derart bearbeitet, dass sich ihre Form einer Kugelform und/oder Würfelform annähert. Die Aspektverhältnisse der gesinterten Partikel werden durch eine Bearbeitung zumindest teilweise verkleinert. Dadurch, dass die gesinterten Partikel ihre Form einer Kugelform bzw. Würfelform annähern, weist der mindestens eine magnetische Kern eine im Wesentlichen gleichmäßige Dichte und somit im Wesentlichen gleichmäßige elektromagnetische Eigenschaften auf. Darüber hinaus weist der mindestens eine magnetische Kern eine hohe mechanische Stabilität auf, da die gesinterten Partikel von dem Bindemittel gleichmäßig benetzt werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 5 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Dadurch, dass die gesinterten Partikel mittels einer Kugelmühle bearbeitet werden, nähert sich ihre Form einer Kugelform und/oder Würfelform an. Durch das Bearbeiten werden vorzugsweise die Aspektverhältnisse der gesinterten Partikel zumindest teilweise verkleinert. Die Kugelmühle umfasst eine rotierende Trommel, in der sich Kugeln, beispielsweise Metallkugeln, befinden. Die gesinterten Partikel werden als Mahlgut der Kugelmühle zugeführt und von den Kugeln in der Trommel in der beschriebenen Weise bearbeitet.
Ein Verfahren nach Anspruch 6 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Dadurch, dass die gesinterten Partikel anhand der Partikelform und/oder der Partikelgröße separiert werden, können die für die mindestens eine Mischung verwendeten gesinterten Partikel in gewünschter Weise ausgewählt werden. Das Separieren bzw. Auswählen anhand der Partikelform erfolgt beispielsweise derart, dass gesinterte Partikel mit einem Aspektverhältnis A von mindestens 0,5, insbesondere mindestens 0,6, insbesondere mindestens 0,7, insbesondere mindestens 0,8, und insbesondere mindestens 0,9 separiert und für das Erzeugen der mindestens einen Mischung verwendet werden. Weiterhin werden die gesinterten Partikel anhand der Partikelgröße beispielsweise derart separat, dass eine erste grobe Fraktion und eine zweite feine Fraktion von gesinterten Partikeln erzeugt werden. Weiterhin werden die gesinterten Partikel anhand der Partikelgröße beispielsweise derart separiert, dass die Partikelgröße in einem gewünschten Bereich liegt. Durch die Auswahl der gesinterten Partikel nach ihrer Partikelform und/oder Partikelgröße können die elektromagnetischen Eigenschaften des mindestens einen Kerns gezielt beeinflusst werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 7 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Vorzugsweise haben mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, und insbesondere mindestens 95 % der zum Erzeugen der mindestens einen Mischung verwendeten gesinterten Partikel das jeweilige Aspektverhältnis A. Das Aspektverhältnis A gewährleistet, dass die gesinterten Partikel in ihrer Form einer Kugelform bzw. Würfelform möglichst nahekommen. Das Aspektverhältnis A charakterisiert das Verhältnis einer minimalen Abmessung Amin zu einer maximalen Abmessung Amax des jeweiligen gesinterten Partikels. Für das Aspektverhältnis A gilt: A = A_min/A_max.
Ein Verfahren nach Anspruch 8 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Vorzugsweise haben mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, und insbesondere mindestens 95 % der verwendeten gesinterten Partikel die jeweilige minimale Abmessung Amin. Vorzugsweise werden die verwendeten gesinterten Partikel nach ihrer Partikelgröße in eine erste Fraktion mit ersten gesinterten Partikeln und in eine zweite Fraktion mit zweiten gesinterten Partikeln separiert. Für eine minimale Abmessung A_1min der ersten gesinterten Partikel gilt vorzugsweise: 500 µm ≤ A_1min ≤ 1000 µm, insbesondere 600 µm ≤ A_1min ≤ 900 µm, und insbesondere 700 µm ≤ A_1min ≤ 800 µm. Für eine minimale Abmessung A_2min der zweiten gesinterten Partikel gilt vorzugsweise: 10 µm ≤ A_2min ≤ 500 µm, insbesondere 100 µm ≤ A_2min ≤ 400 µm, und insbesondere 200 µm ≤ A_2min ≤ 300 µm. Vorzugsweise haben mindestens 70 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, und insbesondere mindestens 95 % der verwendeten gesinterten Partikel die minimale Abmessung A_1min bzw. A_2min.
Ein Verfahren nach Anspruch 9 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Vorzugsweise unterscheiden sich die ersten gesinterten Partikel und die zweiten gesinterten Partikel in ihrer Partikelform und/oder in ihrer Partikelgröße. Vorzugsweise werden die gesinterten Partikel nach ihrem Aspektverhältnis und/oder ihrer Partikelgröße, insbesondere ihrer minimalen Abmessung und/oder ihrer maximalen Abmessung separiert. Durch die gezielte Auswahl der verwendeten gesinterten Partikel können die elektromagnetischen Eigenschaften des induktiven Bauteils in gewünschter Weise beeinflusst werden.
Vorzugsweise werden die gesinterten Partikel in eine erste grobe Fraktion mit ersten gesinterten Partikeln und in eine zweite feine Fraktion mit im Vergleich zu den ersten gesinterten Partikeln kleineren zweiten gesinterten Partikeln separiert. Dadurch, dass die gesinterten Partikel in eine erste grobe Fraktion und eine zweite feine Fraktion separiert werden, können eine erste Mischung zur Ausbildung eines ersten magnetischen Kerns und eine zweite Mischung zur Ausbildung eines zweiten magnetischen Kerns erzeugt werden. Zum Erzeugen der ersten Mischung werden die ersten gesinterten Partikel mit einem Bindemittel gemischt. Entsprechend werden zum Erzeugen der zweiten Mischung die zweiten gesinterten Partikel mit einem Bindemittel gemischt. Die mindestens eine Spule und die erste Mischung werden in einer Form angeordnet und anschließend das Bindemittel der ersten Mischung aktiviert, so dass die ersten gesinterten Partikel mit dem Bindemittel den ersten magnetischen Kern ausbilden. Das erhaltene Bauteil mit der mindestens einen Spule und dem ersten magnetischen Kern wird zusammen mit der zweiten Mischung in einer zweiten Form angeordnet. Anschließend wird das Bindemittel in der zweiten Mischung aktiviert, so dass die zweiten gesinterten Partikel mit dem Bindemittel einen zweiten magnetischen Kern ausbilden. Der zweite magnetische Kern umgibt den ersten magnetischen Kern und die mindestens eine Spule zumindest teilweise.
Für eine minimale Abmessung A_1min der ersten gesinterten Partikel gilt vorzugsweise: 500 µm ≤ A_1min ≤ 1000 µm, insbesondere 600 µm ≤ A_1min ≤ 900 µm, und insbesondere 700 µm ≤ A_1min ≤ 800 µm. Für eine minimale Abmessung A_2min der zweiten gesinterten Partikel gilt vorzugsweise: 10 µm ≤ A_2min ≤ 500 µm, insbesondere 100 µm ≤ A_2min ≤ 400 µm, und insbesondere 200 µm ≤ A_2min ≤ 300 µm. Vorzugsweise haben mindestens 70 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, und insbesondere mindestens 95 % der verwendeten gesinterten Partikel die minimale Abmessung A_1min bzw. A_2min.
Durch das zweistufige Herstellungsverfahren werden die elektromagnetischen und mechanischen Eigenschaften des induktiven Bauteils optimiert. Durch die Aufteilung der gesinterten Partikel in mehrere Fraktionen und die Auswahl und Aufteilung der gesinterten Partikel können die elektromagnetischen Eigenschaften in gewünschter Weise beeinflusst werden. Vorzugsweise umgibt der erste magnetische Kern die mindestens eine Spule mit Ausnahme von Anschlusskontakten vollständig. Vorzugsweise umgibt der zweite magnetische Kern mit Ausnahme von Anschlusskontakten den ersten magnetischen Kern und die mindestens eine Spule vollständig. Durch das Erzeugen mehrerer magnetischer Kerne mit sich unterscheidenden gesinterten Partikeln können die elektromagnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des Bauteils in gewünschter Weise beeinflusst werden. Dadurch, dass die vergleichsweise kleineren zweiten gesinterten Partikel den außenliegenden zweiten magnetischen Kern ausbilden, hat das Bauteil insbesondere eine glatte Oberfläche.
Ein Verfahren nach Anspruch 10 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Die gesinterten Partikel werden vorzugsweise nach ihrer Partikelform und/oder ihrer Partikelgröße in erste gesinterte Partikel und zweite gesinterte Partikel separiert. Vorzugsweise werden die gesinterten Partikel nach ihrer Partikelgröße, insbesondere ihrer minimalen Abmessung und/oder ihrer maximalen Abmessung, in eine erste grobe Fraktion mit den ersten gesinterten Partikeln und eine zweite feine Fraktion mit im Vergleich zu den ersten gesinterten Partikeln kleineren zweiten gesinterten Partikeln separiert. Aus den ersten gesinterten Partikeln und einem Bindemittel wird eine erste Mischung erzeugt. Entsprechend wird aus den zweiten gesinterten Partikeln und einem Bindemittel eine zweite Mischung erzeugt. Die mindestens eine Spule und die erste Mischung werden in einer ersten Form angeordnet und anschließend das Bindemittel in der ersten Mischung aktiviert, so dass die ersten gesinterten Partikel mit dem Bindemittel den ersten magnetischen Kern ausbilden. Der erste magnetische Kern umgibt die mindestens eine Spule zumindest teilweise. Das entstandene Bauteil mit der mindestens einen Spule und dem ersten magnetischen Kern und die zweite Mischung werden in einer zweiten Form angeordnet und anschließend das Bindemittel in der zweiten Mischung aktiviert, so dass die zweiten gesinterten Partikel mit dem Bindemittel den zweiten magnetischen Kern ausbilden. Der zweite magnetische Kern umgibt den ersten magnetischen Kern und die mindestens eine Spule zumindest teilweise. Vorzugsweise umgibt der erste magnetische Kern die mindestens eine Spule mit Ausnahme von Anschlusskontakten vollständig. Vorzugsweise umgibt der zweite magnetische Kern mit Ausnahme von Anschlusskontakten den ersten magnetischen Kern und die mindestens eine Spule vollständig. Durch das Erzeugen mehrerer magnetischer Kerne mit sich unterscheidenden gesinterten Partikeln können die elektromagnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des Bauteils in gewünschter Weise beeinflusst werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Das Bindemittel wird in einfacher Weise durch Erhöhen der Temperatur der mindestens einen Mischung und/oder durch Erhöhen des Drucks auf die mindestens eine Mischung aktiviert. Durch das Aktivieren des Bindemittels werden die gesinterten Partikel miteinander zu dem mindestens einen Kern verbunden. Als Binder wird beispielsweise ein Polymermaterial und/oder ein Harz verwendet.
Ein Verfahren nach Anspruch 12 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Durch das Massenverhältnis m wird die Dichte und/oder der Luftspalt des induktiven Bauteils in gewünschter Weise eingestellt. Das Massenverhältnis m beschreibt das Verhältnis der Masse m_P der gesinterten Partikel zu der Masse m_B des Bindemittels. Für das Massenverhältnis m gilt: m = m_P/m_B. Mit einem höheren Massenanteil der gesinterten Partikel zu dem Bindemittel steigt die Dichte und/oder verringert sich der Luftspalt des induktiven Bauteils und umgekehrt. Die Dichte und/oder der Luftspalt beeinflussen das Sättigungsverhalten des induktiven Bauteils.
Ein Verfahren nach Anspruch 13 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung des induktiven Bauteils mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Der Grundkörper wird in einfacher Weise durch Pressen des magnetischen Materials erzeugt. Das magnetische Material liegt vorzugsweise als Granulat und/oder Pulver vor. Das magnetische Material umfasst mindestens ein Ferritmaterial. Vorzugsweise wird das magnetische Material derart bereitgestellt, dass mindestens ein Rohmaterial und/oder mindestens ein Abfallmaterial aufbereitet und/oder aktiviert wird. Vorzugsweise werden mehrere Rohmaterialen und/oder mehrere Abfallmaterialien gemischt und/oder aufbereitet. Vorzugsweise werden magnetische Abfallmaterialien wiederaufbereitet.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein induktives Bauteil zu schaffen, das einfach, kostengünstig und mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein induktives Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die Vorteile des induktiven Bauteils entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen des Verfahrens. Das induktive Bauteil kann insbesondere auch mit den Merkmalen mindestens eines der Ansprüche 1 bis 13 weitergebildet werden. Die gesinterten Partikel sind mit dem aktivierten Bindemittel zu dem mindestens einen Kern verbunden. Die gesinterten Partikel umfassen ein magnetisches Material, insbesondere mindestens ein Ferritmaterial. Die gesinterten Partikel haben eine jeweilige Partikelform, insbesondere ein jeweiliges Aspektverhältnis, und/oder eine jeweilige Partikelgröße, wie dies zu den Ansprüchen 1 bis 13 bereits beschrieben wurde. Auf die entsprechenden Merkmale wird Bezug genommen.
Ein induktives Bauteil nach Anspruch 15 gewährleistet eine einfache und kostengünstige Herstellung mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften. Durch die Ausbildung mehrerer magnetischer Kerne und die Auswahl der hierfür verwendeten gesinterten Partikel können die elektromagnetischen Eigenschaften in gewünschter Weise beeinflusst werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung eines induktiven Bauteils,
2A und 2B ein Ablaufdiagramm mit den Schritten zur Herstellung des induktiven Bauteils gemäß 1,
3 Diagramme des Gütefaktors Q in Abhängigkeit der Zeit t und der Frequenz f, wobei das obere Diagramm ein induktives Bauteil umfassend eine Eisenlegierung nach dem Stand der Technik, das mittlere Diagramm ein erfindungsgemäßes induktives Bauteil mit Ferritmaterial umfassend Mangan und Zink und das untere Diagramm ein erfindungsgemäßes induktives Bauteil mit Ferritmaterial umfassend Nickel und Zink veranschaulicht,
4 Diagramme der Wechselspannungsverlustleistung P_AC in Abhängigkeit der Zeit t und der Frequenz f, wobei das obere Diagramm ein induktives Bauteil umfassend eine Eisenlegierung nach dem Stand der Technik, das mittlere Diagramm ein erfindungsgemäßes induktives Bauteil mit Ferritmaterial umfassend Mangan und Zink und das untere Diagramm ein erfindungsgemäßes induktives Bauteil mit Ferritmaterial umfassend Nickel und Zink veranschaulicht,
5 ein Diagramm des Gütefaktors Q in Abhängigkeit der Frequenz f und der Zeit t für ein induktives Bauteil umfassend eine Eisenlegierung nach dem Stand der Technik, und
6 ein Diagramm des Gütefaktors Q in Abhängigkeit der Frequenz f und der Zeit t für ein erfindungsgemäßes induktives Bauteil mit Ferritmaterial umfassend Mangan und Zink.

Ein induktives Bauteil 1 umfasst eine Spule 2, einen ersten magnetischen Kern 3 und einen zweiten magnetischen Kern 4. Die Spule 2 ist beispielsweise als Zylinderspule ausgebildet. Die Spule 2 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Die Spule 2 weist Anschlusskontakte 5, 6 auf.
Der erste magnetische Kern 3 umgibt die Spule 2. Der erste magnetische Kern 3 umfasst erste gesinterte Partikel P₁ , die mittels eines ersten Bindemittels B₁ miteinander verbunden sind. Der zweite magnetische Kern 4 umgibt den ersten magnetischen Kern 3 und die Spule 2. Der zweite magnetische Kern 4 umfasst zweite gesinterte Partikel P₂ , die mittels eines zweiten Bindemittels B₂ miteinander verbunden sind. Die Anschlusskontakte 5, 6 sind durch den ersten magnetischen Kern 3 und den zweiten magnetischen Kern 4 nach außen geführt.
Die ersten gesinterten Partikel P₁ weisen jeweils eine minimale Abmessung A_1min und eine maximale Abmessung A_1max auf. Die ersten gesinterten Partikel P₁ haben ein jeweiliges erstes Aspektverhältnis A₁, wobei gilt:

A₁ = A_1min/A_1max. Mindestens 70 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, und insbesondere mindestens 95 % der ersten gesinterten Partikel P₁ haben eine jeweilige minimale Abmessung A_1min , wobei gilt: 500 µm ≤ A_1min ≤ 1000 µm, insbesondere 600 µm ≤ A_1min ≤ 900 µm, und insbesondere 700 µm ≤ A_1min ≤ 800 µm. Mindestens 70 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, und insbesondere mindestens 95 % der ersten gesinterten Partikel P₁ haben ein jeweiliges Aspektverhältnis A₁, wobei gilt: 0,5 ≤ A₁ ≤ 1, insbesondere 0,6 ≤ A₁ ≤ 1, insbesondere 0,7 ≤ A₁ ≤ 1, insbesondere 0,8 ≤ A₁ ≤ 1, und insbesondere 0,9 ≤ A₁ ≤ 1.

Die zweiten gesinterten Partikel P₂ weisen jeweils eine minimale Abmessung A_2min und eine maximale Abmessung A_2max auf. Die zweiten gesinterten Partikel P₂ haben ein jeweiliges zweites Aspektverhältnis A₂, wobei gilt: A₂ = A_2min/A_2max. Mindestens 70 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, und insbesondere mindestens 95 % der ersten gesinterten Partikel P₂ haben eine jeweilige minimale Abmessung A_2min, wobei gilt: 10 µm ≤ A_2min ≤ 500 µm, insbesondere 100 µm ≤ A_2min ≤ 400 µm, und insbesondere 200 µm ≤ A_2min ≤ 300 µm. Mindestens 70 %, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, und insbesondere mindestens 95 % der zweiten gesinterten Partikel P₂ haben ein jeweiliges Aspektverhältnis A₂, wobei gilt: 0,5 ≤ A₂ ≤ 1, insbesondere 0,6 ≤ A₂ ≤ 1, insbesondere 0,7 ≤ A₂ ≤ 1, insbesondere 0,8 ≤ A₂ ≤ 1, und insbesondere 0,9 ≤ A₂ ≤ 1.
Die ersten gesinterten Partikel P₁ und die zweiten gesinterten Partikel P₂ unterscheiden sich in ihrer Partikelform bzw. in ihrem Aspektverhältnis A₁ bzw. A₂ und/oder in ihrer Partikelgröße bzw. in ihrer minimalen Abmessung A_1min bzw. A_2min.
Nachfolgend ist das Verfahren zur Herstellung des induktiven Bauteils 1 anhand von 2 beschrieben:

In einem Schritt S₁ werden zunächst Ausgangsmaterialien R₁ bis R_n zu einer Ausgangsmaterial-Mischung R_M miteinander vermischt. Die Ausgangsmaterialien R₁ bis R_n sind beispielsweise Rohmaterialien und/oder Abfallmaterialien, die recycelt bzw. wiederaufbereitet werden sollen. Die Ausgangsmaterialien R₁ bis R_n umfassen beispielsweise Zinkoxid (ZnO), Manganoxid (MnO) und/oder Eisenoxid.

Die Ausgangsmaterial-Mischung R_M wird in einem Schritt S₂ aktiviert und/oder kalziniert. Beim Kalzinieren wird eine calcium- und magnesiumcarbonathaltige Ausgangsmaterial-Mischung R_M zur Entwässerung und/oder zur Zersetzung erhitzt.
Die aktivierte Rohmaterial-Mischung R_M bildet ein magnetisches Material M aus. Das magnetische Material M ist beispielsweise pulverförmig und/oder granulatförmig. Das magnetische Material M umfasst mindestens ein Ferritmaterial, beispielsweise MnZn-Ferritmaterial und/oder NiZn-Ferritmaterial.
Das magnetische Material M wird in einem Schritt S₃ zu einem Grundkörper G gepresst. Der Grundkörper G wird auch als Grünkörper bezeichnet.
In einem nachfolgenden Schritt S₄ wird der Grundkörper G gesintert. Das Sintern erfolgt bei einer Temperatur Ts, wobei gilt: T_S ≥ 1000 °C, insbesondere T_S ≥ 1100 °C, insbesondere T_S ≥ 1200 °C. Der gesinterte Grundkörper wird mit Gs bezeichnet.
In einem Schritt S₅ wird der gesinterte Grundkörper Gs zerkleinert. Das Zerkleinern erfolgt beispielsweise mittels einer Brechmaschine bzw. Zerkleinerungsmaschine (crusher). Durch das Zerkleinern entstehen gesinterte Partikel, die allgemein mit P bezeichnet werden. Die gesinterten Partikel P weisen jeweils eine minimale Abmessung Amin und eine maximale Abmessung Amax auf, die ein jeweiliges Aspektverhältnis A definieren. Für das jeweilige Aspektverhältnis gilt: A = A_min/A_max. Nach dem Zerkleinern des gesinterten Grundkörpers Gs sind die Aspektverhältnisse A der gesinterten Partikel P breit gestreut. Insbesondere entstehen beim Zerkleinern auch gesinterte Partikel P mit einer länglichen Form, die ein jeweiliges kleines Aspektverhältnis A haben. Für die weitere Verarbeitung der gesinterten Partikel P ist eine Form erwünscht, die im Wesentlichen einer Kugelform und/oder einer Würfelform entspricht.
In einem Schritt S₆ werden die Aspektverhältnisse A der gesinterten Partikel P verkleinert. Das bedeutet, dass die maximale Abmessung Amax des jeweiligen gesinterten Partikels P an die minimale Abmessung Amin angeglichen wird. Hierzu werden die gesinterten Partikel P beispielsweise mittels einer Kugelmühle bearbeitet. Die Kugelmühle umfasst eine Trommel und darin angeordnete Metallkugeln. Die gesinterten Partikel P werden in die Trommel gegeben und aufgrund einer Rotation der Trommel mittels der Metallkugeln durch weitere Zerkleinerung und/oder Reibung bearbeitet, so dass sich die Aspektverhältnisse A der gesinterten Partikel P zumindest teilweise verkleinern.
In einem Schritt S₇ werden die gesinterten Partikel P anhand ihrer Partikelform und/oder anhand ihrer Partikelgröße separiert. Die gesinterten Partikel P werden in eine erste Fraktion mit ersten gesinterten Partikeln P₁ und eine zweite Fraktion mit zweiten gesinterten Partikeln P₂ separiert. Die ersten gesinterten Partikel P₁ haben die minimale Abmessung A_1min und die maximale Abmessung A_1max sowie das Aspektverhältnis A₁, wohingegen die zweiten gesinterten Partikel P₂ die minimale Abmessung A_2min, die maximale Abmessung A_2max und das Aspektverhältnis A₂ haben. Die erste Fraktion umfasst im Vergleich zu der zweiten Fraktion gröbere Partikel. Dementsprechend gilt für mindestens 70 % der gesinterten Partikel P₁ , P₂ : A_1min > A_2min und/oder A_1max > A_2min und/oder A_1min ≥ A_2max.
In Schritt S₇ aussortierte gesinterte Partikel P, die weder der ersten Fraktion noch der zweiten Fraktion zugehören, können zurückgeführt werden und in Schritt S₅ weiter zerkleinert und/oder in Schritt S₆ weiter bearbeitet werden. Dies ist in 2 durch die gestrichelten Linien veranschaulicht.
In einem nachfolgenden Schritt S₈₁ wird aus den ersten gesinterten Partikeln P₁ und dem ersten Bindemittel B₁ eine erste Mischung X₁ erzeugt. Entsprechend wird in einem Schritt S₈₂ aus den zweiten gesinterten Partikeln P₂ und dem zweiten Bindemittel B₂ eine zweite Mischung X₂ erzeugt. Die Bindemittel B₁ und B₂ können gleich oder unterschiedlich sein. Die Bindemittel B₁ , B₂ sind beispielsweise ein Polymerkunststoff und/oder ein Harz.
Die erste Mischung X₁ hat ein Massenverhältnis m₁ der Masse m_P1 der ersten gesinterten Partikel P₁ zu der Masse m_B1 des ersten Bindemittels B₁ . Für das Massenverhältnis m₁ gilt somit m₁ = m_P1/m_B1. Für das Massenverhältnis m₁ gilt vorzugsweise: 75/25 ≤ m₁ ≤ 99/1, insbesondere 80/20 ≤ m₁ ≤ 98/2, und 85/15 ≤ m₁ ≤ 95/5. Die zweite Mischung X₂ hat ein Massenverhältnis m₂ der Masse m_P2 der zweiten gesinterten Partikel P₂ zu der Masse m_B2 des zweiten Bindemittels B₂ . Für das Massenverhältnis m₂ gilt somit m₂ = m_P2/m_B2. Für das Massenverhältnis m₂ gilt vorzugsweise: 75/25 ≤ m₂ ≤ 99/1, insbesondere 80/20 ≤ m₂ ≤ 98/2, und 85/15 ≤ m₂ ≤ 95/5. Das Massenverhältnis wird allgemein mit m bezeichnet.
In einem Schritt S₉ wird die erste Mischung X₁ und die Spule 2 in einer ersten Form F₁ angeordnet. Anschließend wird das erste Bindemittel B₁ aktiviert, so dass das erste Bindemittel B₁ die ersten gesinterten Partikel P₁ zu dem ersten magnetischen Kern 3 verbindet. Zum Aktivieren des ersten Bindemittels B₁ wird ein Druck p₁ auf die erste Mischung X₁ und/oder eine Temperatur T₁ der ersten Mischung X₁ erhöht. Nach dem Aushärten des ersten Bindemittels B₁ wird der erste magnetische Kern 3 mit der Spule 2 entformt.
In einem nachfolgenden Schritt S₁₀ wird der erste magnetische Kern 3 mit der Spule 2 und die zweite Mischung X₂ in einer zweiten Form F₂ angeordnet. Anschließend wird das zweite Bindemittel B₂ aktiviert, so dass das zweite Bindemittel B₂ die zweiten gesinterten Partikel P₂ zu dem zweiten magnetischen Kern 4 verbindet. Das zweite Bindemittel B₂ wird durch ein Erhöhen eines Drucks p₂ auf die zweite Mischung X₂ und/oder durch Erhöhen einer Temperatur T₂ der zweiten Mischung X₂ aktiviert. Nach dem Aushärten des zweiten Bindemittels B₂ wird der zweite Kern 4 mit dem ersten magnetischen Kern 3 und der Spule 2 entformt.
Durch das Entformen wird in einem Schritt S₁₁ das induktive Bauteil 1 bereitgestellt.
3 veranschaulicht Messkurven für den Gütefaktor Q (Q-Value) bei Frequenzen f von 100 kHz, 500 kHz und 1 MHz über der Zeit t. Der Gütefaktor Q der erfindungsgemäßen induktiven Bauteile 1 (vgl. mittleres und unteres Diagramm) ist gegenüber dem induktiven Bauteil nach dem Stand der Technik (vgl. oberes Diagramm) über die Zeit t konstanter. Ergänzend zu den Messkurven sind in 3 geglättete Messkurven veranschaulicht, die einen einfacheren Vergleich hinsichtlich der Konstanz der Gütefaktoren Q ermöglichen sollen.
In entsprechender Weise veranschaulicht 4 Messkurven für die Wechselspannungsverlustleistung P_AC bei Frequenzen f von 400 kHz und 1,2 MHz über der Zeit t. Die Wechselspannungsverlustleistung P_AC der erfindungsgemäßen induktiven Bauteile 1 (vgl. mittleres und unteres Diagramm) ist im Vergleich zu dem induktiven Bauteil nach dem Stand der Technik (vgl. oberes Diagramm) über der Zeit t konstanter. Ergänzend zu den Messkurven sind in 4 geglättete Messkurven veranschaulicht, die einen einfacheren Vergleich hinsichtlich der Konstanz der Wechselspannungsverlustleistung P_AC ermöglichen sollen.
Die erfindungsgemäßen Bauteile 1 altern thermisch kaum und gewährleisten somit, dass sich das Verhalten einer elektrischen Schaltung mit den erfindungsgemäßen induktiven Bauteilen 1 infolge von sich über der Zeit t ändernden Parameter, wie beispielsweise dem Gütefaktor Q oder der Wechselspannungsverlustleistung P_AC nicht ändert und deren Funktion nicht beeinträchtigt ist. Ein Vergleich der Messkurven in 5 mit den Messkurven in 6 verdeutlicht, dass sich der Gütefaktor Q des erfindungsgemäßen induktiven Bauteils 1 über der Zeit t kaum ändert und die erfindungsgemäßen Bauteile 1 thermisch kaum altern.
Allgemein gilt:

Das induktive Bauteil 1 weist mindestens eine Spule 2 auf. Vorzugsweise weist das induktive Bauteil 1 genau eine Spule oder genau zwei Spulen auf.
Die durch Zerkleinern des gesinterten Grundkörpers Gs entstehenden gesinterten Partikel P können in beliebiger Weise bearbeitet, separiert und/oder ausgewählt werden. Die Reihenfolge der erwähnten Schritte ist hierbei beliebig. Zum Separieren und/oder Auswählen können bekannte Filter und/oder Siebe und/oder Separatoren verwendet werden. Durch das Bearbeiten, Separieren und/oder Auswählen der gesinterten Partikel P können die elektromagnetischen Eigenschaften des induktiven Bauteils 1 in gewünschter Weise eingestellt werden. Insbesondere können die Induktivität, das Sättigungsverhalten und/oder der Luftspalt eingestellt werden.

Das Aktivieren des Bindemittels B kann durch Kaltpressen oder Heißpressen erfolgen.
Das magnetische Material M und somit der mindestens eine magnetische Kern 3, 4 umfasst vorzugsweise mindestens ein Ferritmaterial. Ferritmaterial ist kostengünstig und einfach verfügbar. Durch die Verwendung von Ferritmaterial werden vergleichsweise gute elektromagnetische Eigenschaften des induktiven Bauteils 1 erzielt. Insbesondere weist das induktive Bauteil 1 eine hohe Induktivität, ein gewünschtes Sättigungsverhalten, geringe Verluste auf und/oder kann mit einer hohen Spannung betrieben werden. Derartige induktive Bauteile 1 bestehen beispielsweise einen Hochspannungstest (AC HiPot test) bei einer Spannung von 3 kV_AC (3 mA, 3 sec).
Die gesinterten Partikel werden allgemein mit P bezeichnet. Das Aspektverhältnis wird allgemein mit A bezeichnet. Die minimale Abmessung wird allgemein mit Amin bezeichnet. Die maximale Abmessung wird allgemein mit A_max bezeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2211360 A2 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauteils mit den Schritten: - Bereitstellen eines ein magnetisches Material (M) umfassenden Grundkörpers (G), - Sintern des Grundkörpers (G), - Zerkleinern des gesinterten Grundkörpers (Gs) zu gesinterten Partikeln (P, P₁, P₂), - Erzeugen mindestens einer Mischung (X₁, X₂) aus den gesinterten Partikeln (P₁, P₂) und einem Bindemittel (B₁, B₂), - Anordnen der mindestens einen Mischung (X₁, X₂) und mindestens einer Spule (2) in einer Form (F₁, F₂), und - Aktivieren des Bindemittels (B₁, B₂) in der mindestens einen Mischung (X₁, X₂), so dass die gesinterten Partikel (P₁, P₂) mit dem Bindemittel (B₁, B₂) mindestens einen magnetischen Kern (3, 4) ausbilden, der die mindestens eine Spule (2) zumindest teilweise umgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material (M) mindestens ein Ferritmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bei einer Temperatur Ts erfolgt, wobei gilt: Ts ≥ 1000 °C, insbesondere T_S ≥ 1100 °C, insbesondere T_S ≥ 1200 °C.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesinterten Partikel (P, P₁, P₂) ein jeweiliges Aspektverhältnis (A) haben und die Aspektverhältnisse (A) vor dem Erzeugen der mindestens einen Mischung (X₁, X₂) zumindest teilweise verkleinert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesinterten Partikel (P, P₁, P₂) vor dem Erzeugen der mindestens einen Mischung (X₁, X₂) mittels einer Kugelmühle bearbeitet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesinterten Partikel (P, P₁, P₂) vor dem Erzeugen der mindestens einen Mischung (X₁, X₂) anhand der Partikelform und/oder der Partikelgröße separiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 70 % der zum Erzeugen der mindestens einen Mischung (X₁, X₂) verwendeten gesinterten Partikel (P, P₁, P₂) ein jeweiliges Aspektverhältnis A haben, für das gilt: 0,5 ≤ A ≤ 1, insbesondere 0,6 ≤ A ≤ 1, insbesondere 0,7 ≤ A ≤ 1, insbesondere 0,8 ≤ A ≤ 1, und insbesondere 0,9 ≤ A ≤ 1.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 70 % der zum Erzeugen der mindestens einen Mischung (X₁, X₂) verwendeten gesinterten Partikel (P, P₁, P₂) eine jeweilige minimale Abmessung Amin haben, für die gilt: 10 µm ≤ A_min ≤ 1000 µm.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesinterten Partikel (P, P₁, P₂) vor dem Erzeugen der mindestens einen Mischung (X₁, X₂) in eine erste Fraktion mit ersten gesinterten Partikeln (P₁) und in eine zweite Fraktion mit sich von den ersten gesinterten Partikeln (P₁) unterscheidenden zweiten gesinterten Partikeln (P₂) separiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit ersten gesinterten Partikeln (P₁) ein erster magnetischer Kern (3) erzeugt wird, und dass mit sich von den ersten gesinterten Partikeln (P₁) unterscheidenden zweiten gesinterten Partikeln (P₂) ein zweiter magnetischer Kern (4) erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (B₁, B₂) durch Erhöhen einer Temperatur (T₁, T₂) und/oder durch Erhöhen eines Drucks (p₁, p₂) aktiviert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Mischung (X₁, X₂) derart erzeugt wird, dass für ein Massenverhältnis m der gesinterten Partikel (P₁, P₂) zu dem Bindemittel (X₁, X₂) gilt: 75/25 ≤ m ≤ 99/1, insbesondere 80/20 ≤ m ≤ 98/2, und 85/15 ≤ m ≤ 95/5.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (G) durch Pressen des magnetischen Materials (M) bereitgestellt wird.
Induktives Bauteil umfassend - mindestens eine Spule (2), - mindestens einen magnetischen Kern (3, 4), der die mindestens eine Spule (2) zumindest teilweise umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kern (3, 4) mittels gesinterter Partikel (P₁, P₂) und eines Bindemittels (B₁, B₂) ausgebildet ist.
Induktives Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster magnetischer Kern (3) mit ersten gesinterten Partikeln (P₁) die mindestens eine Spule (2) zumindest teilweise umgibt, und dass ein zweiter magnetischer Kern (4) mit sich von den ersten gesinterten Partikeln (P₁) unterscheidenden zweiten gesinterten Partikeln (P₂) den ersten magnetischen Kern (3) und die mindestens eine Spule (2) zumindest teilweise umgibt.