DE112020006143T5

DE112020006143T5 - Magnetkernanordnung und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112020006143T5
Application number: DE112020006143.4T
Authority: DE
Inventors: Sharad Taparia; Peter Krummenacher
Original assignee: Maglab Ltd; Permanent Magnets Ltd
Current assignee: Maglab Ltd; Permanent Magnets Ltd
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2020-11-28
Publication date: 2022-10-06
Also published as: CN114746966A; CN114746966B; US20220399149A1; WO2021124345A1

Abstract

Optimale Magnetkernanordnung (100) und Herstellungsverfahren dafür, aufweisend eine magnetische Hauptlegierung (101) und mindestens eine magnetische Zusatzlegierung (102), hergestellt aus einem magnetischen Material (90), das mit einer elektrisch isolierenden Schicht (90C) vorbeschichtet ist; die optimale offene Magnetkernanordnung (100) hat ein Paar von Enden eines mehrschichtigen Magnetkerns (110), wobei jedes des Paares von Enden der optimalen Magnetkernanordnung (100) eines von einem gleichgerichteten (111) und einem flachen (113), oder einem gleichgerichteten (111) und einem konturierten (114), oder einem komplanaren (112) und einem flachen (113), oder einem komplanaren (112) und einem konturierten (114) ist; ein Verfahren zur Herstellung eines auf Umhüllung basierenden Verfahrens EINS (30) oder eines auf Pressen basierenden Verfahrens ZWEI (40), gefolgt von einer Behandlung (50) zur Verstärkung der magnetischen Leistung; der optimale Magnetkern (100) ist ein hybrider Kern, bei dem die Schichten gruppiert und/oder verflochtene Schichten (70) sind.

Description

INANSPRUCHNAHME DER PRIORITÄT
Diese Anmeldung beansprucht Priorität für die indische vorläufige Patentanmeldung Nr. 201921052501 , die am 18. Dezember 2019 unter dem Titel „OPTIMALE MAGNETKERNANORDNUNG UND HERSTELLUNGSVERFAHREN DAFÜR“ eingereicht wurde.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Magnetkerne und insbesondere Magnetkerne, die zur Strommessung verwendet werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf hocheffiziente Magnetkerne für kompakte Anwendungen.
HINTERGRUND
Die Verwendung von Magnetkernen zur Strommessung ist bekannt, wobei ein durch einen zu messenden Strom erzeugtes Magnetfeld dazu gebracht wird, in direktem Verhältnis Energie zu erzeugen, und diese Energie gemessen wird. Ein solches Konzept zur indirekten Strommessung hat mehrere Vorteile, z. B. die Möglichkeit, eine solche Messung elektrisch zu isolieren, einen großen Strom zu messen usw.
Es ist bekannt, dass es bei solchen indirekten Messungen Fehler bei der Transformation gibt. Die Sättigung von Magnetkernen, Fehler aufgrund von Ablenkungen des Magnetfelds und der Einfluss anderer Magnetfelder in der Umgebung sind einige der Herausforderungen. Außerdem führt der Energieverlust bei jeder Energieumwandlung zur Erzeugung von Wärmeenergie und damit zu einem unerwünschten Temperaturanstieg.
BE1002498A6 offenbart ein Herstellungsverfahren für einen Magnetkern unter Verwendung eines kontinuierlichen Metallbandes. CN103475170B , US8048509B2 und CN1439163A offenbaren Verfahren zur Herstellung von Magnetkernen unter Verwendung von Pressstücken.
Darüber hinaus erfordern unterschiedliche industrielle Anwendungen maßgeschneiderte Lösungen, die jedoch aufgrund der höheren Kosten für kundenspezifische Werkzeuge und/oder die Herstellung kostspielig sind. JP2015050290A offenbart einen mit einem hybriden Magnetkern versehene Leistungsinduktor für eine Hochfrequenzanwendung, wobei der mit einem hybriden Magnetkern versehene Leistungsinduktor ein Substrat, eine auf dem Substrat ausgebildete erste magnetische Schicht, ein auf der ersten magnetischen Schicht ausgebildetes leitendes Muster, mindestens eine obere Fläche des leitenden Musters und eine zweite magnetische Schicht umfasst.
Es ist bekannt, dass die Kaschierung oder Mehrfachschichtung zwar ein unverzichtbarer Schritt bei der Herstellung eines Magnetkerns ist, die damit verbundenen Herstellungsprobleme jedoch weiterhin eine Herausforderung bei der Massenproduktion von Magnetkernen mit optimalem und gleichmäßigem magnetischen Verhalten darstellen.
Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen industriellen Bedarf auf effektive und wirtschaftliche Weise.
ZIELE
Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, die ein hohes Magnetfeld effizient verwaltet.
Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, die für einen breiten Strombereich geeignet ist.
Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, die minimale Wirbelströme aufweist.
Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, die für die vorgeschriebene Anordnung in einem Gehäuse oder Formstück für eine gleichbleibende Leistung ausgelegt ist.
Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, die stabil und für den Betrieb mit elektrischem Strom von Gleichstrom bis zu Hochfrequenzstrom in der Größenordnung von 50.000 Hz geeignet ist. Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, die konstruktiv für den Einsatz beim Umspritzen und/oder Einspritzen geeignet ist.
Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, die erfindungsgemäß für die Massenfertigung/Montage und/oder Automatisierung ausgelegt ist.
Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, die in Automobilprodukten mit einer Lebensdauer von mehr als 15 Jahren eingesetzt werden kann.
Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, bei der nur wenig Material als Ausschuss anfällt.
Eine Magnetkernanordnung zu erfinden, die als Abschirmung oder Flusskonzentrator verwendet werden kann. Ein Verfahren zur Erreichung der oben genannten Ziele zu entwickeln.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine optimale offene Magnetkernanordnung, die für ein Paar von Enden eines mehrschichtigen Magnetkerns optimiert ist. Das Paar von Enden des mehrschichtigen Kerns ist entweder gleichgerichtet oder komplaner, und entweder flach oder konturiert. Der Begriff konturiertes Paar von Enden umfasst auch das Paar von Enden mit mehreren Flächen. Es ist bekannt, dass die magnetische Verbindung in einem offenen Magnetkern mit einem Sensor zusammenwirkt, der zwischen dem Paar von Enden positioniert oder geschützt ist, und daher ist die Konstruktion des Paares von Enden von großer Bedeutung für die meisten der oben genannten Ziele.
Die optimale offene Magnetkernanordnung weist eine magnetische Hauptlegierung und eine oder mehrere magnetische Zusatzlegierungen mit einem gleichgerichteten und flachen Paar von Enden oder einem gleichgerichteten und konturierten Paar von Enden oder einem komplanaren und flachen Paar von Enden oder einem komplanaren und konturierten Paar von Enden auf. Die optimale offene Kernanordnung hat einen Stapelfaktor von 96 bis 99 %.
Es wird ein dünnes Blech mit optimalem Widerstand ausgewählt, das den magnetischen Anforderungen entspricht. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen wird ein 0,2 mm dünnes Blech aus 48% NiFe als magnetische Hauptlegierung verwendet. Ein 0,2 mm dünnes Blech aus SiFe wird als magnetische Zusatzlegierung verwendet. Diese Bleche haben eine Anfangshärte von 420 bis 480 HV (auf der Vickers-Skala). Eine Kombination aus geringerer Dicke und höherer Härte erleichtert die Herstellung einer gratfreien Bearbeitung einschließlich Schlitzen und Scheren gemäß der vorliegenden Erfindung, wodurch Wirbelströme minimiert werden.
Eine Anwendungseingabe und eine Ebene EINS der Spezifikation wie oben angegeben und umfassend

- ein magnetisches Material,
- eine Schichtdicke,
- eine Härte,
- eine auf Sensor und Präzision basierende Schichtform,
- eine Form des Pols und
- Abmessungen eines Kerns

Die magnetischen Materialien sind mit einer elektrisch isolierenden Schicht vorbeschichtet. Die elektrisch isolierende Schicht hat eine „fließende Eigenschaft“, d. h. die elektrisch isolierende Schicht fließt auf eine abgescherte Kante und eine abgescherte Oberfläche des magnetischen Materials, so dass 50 bis 100 Prozent der abgescherten Kante und der abgescherten Oberfläche mit der elektrisch isolierenden Schicht bedeckt bleiben.
Ein Verfahren EINS zur Herstellung der optimalen Magnetkernanordnung mit einem komplaner und einem flachen Paar von Enden, oder mit einem gleichgerichteten und einem flachen Paar von Enden, erfolgt durch ein Umhüllungsverfahren.
Es ist allgemein bekannt, dass bei der Verwendung von Kaschierung unerwünschte Luftspalten zwischen den Schichten entstehen, die sich negativ auf die magnetische Permeabilität des Kerns auswirken. Der Luftspalt wird wie folgt effektiv reduziert:

Einfang für die Anfangskante, bei dem die Anfangskante einer Rolle eines Blechs aus dem magnetischen Material der magnetischen Hauptlegierung gefaltet und verriegelnd mit einem Schlitz in einem Dorn in Eingriff gebracht wird.

Um den angestrebten Stapelfaktor zu erreichen, wird das Blech des magnetischen Materials durch eine Zugkraft Ft gezogen, während der Dorn gedreht wird. Die Zugkraft Ft ist deutlich geringer als die Zugfestigkeit des Blechs und entspricht dieser. Zusätzlich wird eine Druckkraft Fc periodisch durch kurzzeitiges Anhalten des Dorns in einer orthogonalen Ebene aufgebracht.
Nach Erreichen der erforderlichen Breite des so gewickelten Kerns wird das Blech aufgeschlitzt, und eine letzte Kante des so entstandenen Blechs wird dauerhaft auf dem gewickelten Kern angeordnet, vorzugsweise durch mehrfaches Punktschweißen (nicht dargestellt). Wenn ein solcher gewickelter Kern vom Dorn abgenommen wird, ist im Allgemeinen rundherum ein Bogen zu beobachten. Eine Korrekturvorrichtung, die einen Einsetzer und ein Gehäuse aufweist, wird eingesetzt und durch dieses Verfahren einer Bogenkorrektur wird ein korrigierter gewickelter Kern der magnetischen Hauptlegierung erhalten.
Nach genau denselben Schritten wird ein korrigierter gewickelter Kern aus der magnetischen Zusatzlegierung hergestellt, wobei eine äußere Breite und eine äußere Höhe des korrigierten gewickelten Kerns aus der magnetischen Zusatzlegierung dazu neigen, gleich einer inneren Breite und einer inneren Höhe des korrigierten Kerns der magnetischen Hauptlegierung zu sein. Der korrigierte gewickelte Kern aus der magnetischen Zusatzlegierung wird eingreifend in den korrigierten gewickelten Kern der magnetischen Hauptlegierung eingesetzt, um einen korrigierten hybriden Kern zu erhalten.
Der korrigierte hybride Kern wird geschlitzt und dann in Scheiben geschnitten, um eine blanke, optimale Magnetkernanordnung zu erhalten, die nach einer Behandlung zur Verstärkung der magnetischen Leistung in einem nichtmagnetischen Harz oder einem nichtmagnetischen technischen Kunststoffkörper eingeschlossen ist.
Eine Variante besteht darin, dass eine Anfangskante einer Rolle eines Blechs aus einem ausgewählten magnetischen Material der magnetischen Hauptlegierung/Zusatzlegierung mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen ist und jede Öffnung mit einem federbelasteten Stift mit einer in einem zweiten Dorn angeordneten Feder in Eingriff steht. Um den gewickelten Kern vom zweiten Dorn abzunehmen, werden die federbelasteten Stifte zurückgezogen, um den gewickelten Kern freizugeben.
Es wird nun ein Verfahren ZWEI zur Herstellung der optimalen offenen Magnetkernanordnung mit einem gleichgerichteten und konturierten Paar von Enden oder mit einer komplanen und konturierten Fläche beschrieben. Die bevorzugte Ausführungsform wird durch ein Pressverfahren hergestellt. Das Pressverfahren wird eingesetzt, um Magnetkerne mit einer für eine Sensorvorrichtung spezifischen Kontur mit optimaler und gewünschter magnetischer Verbindung herzustellen, indem liberale Radien vorgesehen und scharfe Ecken vermieden werden, da das zuvor beschriebene Umhüllungsverfahren optimale Kerne mit flacher Oberfläche und scharfen Enden erzeugt.
Mit einem speziell angefertigten Stanzwerkzeug wird eine erforderliche Anzahl von Hauptpressstücken aus der magnetischen Hauptlegierung und eine erforderliche Anzahl von Zusatzpressstücken aus der magnetischen Zusatzlegierung hergestellt, die dann aufeinander gestapelt werden. Die Hauptpressstücke und die Zusatzpressstücke werden zusammengedrückt und durch ein an jedem Pressstück vorgesehenes Verbindungsmittel untrennbar miteinander verbunden. So erhält man einen blanken magnetischen Kern.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Verbindungsmittel aus einer Vielzahl von teilweise versetzten Vorsprüngen. Die elektrisch isolierende Schicht auf den Hauptpressstücken und den Zusatzpressstücken „fließt“ in Bewegungsrichtung eines Scherwerkzeugs und hält die neuen Kanten/neuen freiliegenden Oberflächen weiterhin bedeckt. Bei dem Verbindungsmittel kann es sich um eine Öffnung handeln, die mit einer Niete oder einem geschmolzenen Metall in Eingriff gebracht wird.
Der blanke Magnetkern, der in einem Gehäuse und einer Abdeckung aus einem nichtmagnetischen Harz oder einem nichtmagnetischen technischen Kunststoffkörper eingeschlossen ist, ergibt nach der einer Behandlung zur Verstärkung der magnetischen Leistung die optimale Magnetkernanordnung.
Die erforderliche Anzahl von Hauptpressstücken aus der Hauptmagnetlegierung und die Zusatzpressstücke aus der magnetischen Zusatzlegierung werden entweder in einer einzigen Gruppe oder in mehreren Gruppen gestapelt. Die meisten optimalen magnetischen Eigenschaften werden durch verflochtene Schichten erzielt, bei denen sich die Hauptpressstücke und die Zusatzpressstücke abwechseln, d. h. je ein Hauptpressstück und ein Zusatzpressstück im Wechsel, oder durch eine beliebige Kombination davon.
Eine solche Verflechtung ist sowohl mit dem Verfahren EINS als auch mit dem Verfahren ZWEI gleichermaßen effektiv zu erreichen, wobei eine feinere Verflechtung für das Verfahren EINS eine fertigungstechnische Herausforderung darstellt.
Die Pressstücke werden zusammengedrückt und durch die an jedem Pressstück vorgesehenen Mittel untrennbar miteinander verbunden. Das erforderliche magnetische Verhalten lässt sich durch eine optimale Kombination von Material, Abmessungen und Kontur der Fläche sowie Stapelmuster/verflochtene Schichten erreichen.
Vor dem Einschließen des blanken optimalen Magnetkerns weist die durchgeführte Behandlung zur Verstärkung der magnetischen Leistung Folgendes auf:

Kornwachstum: Das sauerstofffreie Glühen führt zu einem Kornwachstum des magnetischen Materials, ohne eine Verschlechterung in Form von induziertem Rost zu verursachen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt das sauerstofffreie Glühen in einer Wasserstoffumgebung. Die blanken, optimalen Magnetkerne werden 4 bis 6 Stunden lang auf 1120 bis 1180 °C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt, und zwar unter Wasserstoffatmosphäre. Eine solche Kombination aus Temperatur, Dauer und Vorhandensein von Wasserstoff führt auch zur Beseitigung von Hemmstoffen für das Kornwachstum wie Kohlenstoff, Schwefel usw., um eine optimale Verstärkung der magnetischen Eigenschaften zu gewährleisten. Während des Glühens werden die Körner verfeinert, um Hemmstoffe für das Kornwachstum zu entfernen, die Korngrenzen verschmelzen, um die Korngröße zu vergrößern, und Spannungen werden abgebaut. Da die Korngrenzen keine kristalline Struktur aufweisen, haben sie auch keine magnetischen Eigenschaften. Wenige und dünne Grenzen sind also gut für die magnetischen Eigenschaften. Bei übermäßigem Wachstum neigen die Korngrenzen dazu, dick zu werden, was sich nachteilig auswirkt, da übergroße Körner bei hohen Frequenzen Wirbelstromverluste verursachen können und die dicken Grenzen den magnetischen Pfad blockieren. Die Kontrolle der Retortenatmosphäre wird daher zu einer wichtigen Herausforderung für die Qualitätskontrolle. Das Vorhandensein von Kohlenstoff, Schwefel, Chlor, Sauerstoff oder anderen Fremdstoffen ist schädlich für das Kornwachstum. Die Retortentür wird sorgfältig mit Silikongummidichtungen verschlossen, um sicherzustellen, dass keine Luft in die Retorte entweicht. Nach dem Einspannen der Retorte wird die Retorte einer Dichtheitsprüfung unterzogen, um sicherzustellen, dass keine Leckagen in der Retorte und den Eingangsgasleitungen vorhanden sind. Die Gasdurchflussrate wird so gesteuert, dass 5 Volumenänderungen pro Stunde erreicht werden. Um die Reinheit des zugeführten Gases über die gesamte Länge des Ofens aufrechtzuerhalten, werden Wasserstoffgaszufuhrleitungen verwendet, die sich von der Rückseite der Retorte bis zur Vorderseite erstrecken und mit entsprechenden Öffnungen versehen sind. Um einen Cpk-Wert von mindestens 1,33 für die magnetischen Eigenschaften zu erreichen, wird die Gleichmäßigkeit der Retortentemperatur innerhalb von +/- 12°C gehalten. Das Vorwärmen beim Glühen dauert 1 Stunde, um sicherzustellen, dass die Teile in den verschiedenen Zonen der Retorte die gleiche Temperatur erreichen. Die Temperatur wird um 150°C/Stunde erhöht. Jede Spannung des Teils nach dem Glühen führt zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften. Die Abkühlgeschwindigkeit wird auf einem bestimmten Wert gehalten, vorzugsweise 100°C - 150°C/Std. Die Retorte wird bei einer bestimmten Temperatur geöffnet, vorzugsweise bei 100 °C, um sicherzustellen, dass die Teile und die Retorte nicht an der Luft oxidiert werden.

Die Imprägnierung mit Vakuumlack und das Einbrennen dienen dazu, die Tendenz der Schichten, sich mit der Zeit zu trennen, zu verhindern und somit die Schichten miteinander zu verbinden, sowie die Schichten durch Ausnutzung der Luftspalten weiter zu isolieren. Der blanke Magnetkern wird auf 100°C vorgewärmt, dann erfolgt die Imprägnierung mit Lack bei einem Druck von 3 bis 4 mbar für 20 Minuten, gefolgt von einer Aushärtung bei 120°C/1 Std. und einer Nachhärtung bei 180°C für 1-2 Stunden. Durch diesen Vorgang wird der ehemalige Luftspalt mit einer Lackschicht belegt.
Für eine optionale Harzbeschichtung wird der blanke Magnetkern 20 Minuten lang bei 250 °C vorgewärmt und dann für eine vorgeschriebene Zeit, die von der gewünschten Dicke der Beschichtung und der Größe des blanken Magnetkerns abhängt, in vibrierendes Harzpulver eingetaucht. Der Kern ist danach auf natürliche Weise luftgekühlt.
Figurenliste

1 ist eine Perspektivansicht einer optimalen Magnetkernanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, während 1A eine Perspektivansicht des Einsatzes einer solchen Magnetkernanordnung ist.
Figure 2 ist eine Perspektivansicht der verschiedenen Arten des Paares von Enden der optimalen Magnetkernanordnung.
3 ist eine Schnittansicht einer abgescherten Fläche eines magnetischen Materials.
3A-3C ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der optimalen Magnetkernanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Teilansicht der Vorderseite eines Stapels von Schichten.
5, 9 und 10 sind ein Stufendiagramm eines Verfahrens EINS.
6 ist eine repräsentative Querschnittsansicht eines gewickelten Kerns.
7 ist eine Perspektiv- und Seitenansicht eines Einsetzers einer Korrekturvorrichtung,
8 ist eine Perspektivansicht der Korrekturvorrichtung im Gebrauch. 11A-11B, 12-12A sind Stufendiagramme eines Verfahrens ZWEI.
13 zeigt eine Hysteresekurve vor dem Glühen und eine verbesserte Hysteresekurve eines Magnetkerns nach dem Glühen.
14 und 15 ist eine Seitenansicht der Schichten mit Luftspalten und Lackschichten. 16 ist eine Perspektivansicht von Gehäuseteilen.
17 zeigt eine Verflechtung von Schichten.
17A-17D sind repräsentative Diagramme der magnetischen Kraftlinien mit gruppierten und verflochtenen Schichten bei niedrigen und hohen Strömen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist ausdrücklich zu verstehen, dass es mehrere Variationen und Ausführungsformen gibt, die gemäß der vorliegenden Erfindung herstellbar sind, und die Beschreibung und jeder Teil davon ist nicht so auszulegen, dass die Erfindung darauf beschränkt wird.
1, 1A, 2, bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine optimale offene Magnetkernanordnung (100), die für ein Paar von Enden eines mehrschichtigen Magnetkerns (110) optimiert ist. Das Paar von Enden des mehrschichtigen Kerns (110) ist entweder gleichgerichtet (111) oder komplaner (112). Ferner ist das Paar von Enden des mehrschichtigen Kerns (110) der optimierten Magnetkernanordnung (100) gemäß der vorliegenden Erfindung entweder flach (113) oder konturiert (114). Der Begriff konturiertes Paar von Enden (114) umfasst auch das Paar von Enden mit mehreren Flächen. Es ist bekannt, dass die magnetische Verbindung in einem offenen Magnetkern mit einem Sensor (120) zusammenwirkt, der zwischen dem Paar von Enden positioniert oder geschützt ist, und daher ist die Konstruktion des Paares von Enden von großer Bedeutung für die meisten der oben genannten Ziele.
Die vorliegende Erfindung ist eine optimale offene Magnetkernanordnung (100), die eine magnetische Hauptlegierung (101) und eine oder mehrere magnetische Zusatzlegierungen (102) mit einem gleichgerichteten (111) und einem flachen (113) Paar von Enden oder einem gleichgerichteten (111) und einem konturierten (114) Paar von Enden oder einem komplanaren (112) und einem flachen (113) Paar von Enden oder einem komplanaren (112) und einem konturierten (114) Paar von Enden aufweist. Die optimale offene Kernanordnung (100) hat einen Stapelfaktor von 96 bis 99 %. Der Stapelfaktor, der auch als Kaschierungsfaktor bezeichnet wird, ist das Verhältnis des effektiven Querschnitts zum physikalischen Querschnitt und gibt die kumulativen Luftspalte an, die in jede Kernanordnung eingebracht werden.
Es ist bekannt, dass Wirbelströme ein notwendiges Übel eines sich ändernden Magnetfeldes sind, das Energieverluste gemäß der Gleichung verursacht $E = f (d^{2} / p)$

Wobei E = Energieverlust
d = Dicke des Blechs
p = spezifischer Widerstand des Materials des Blechs
Daher wird ein dünnes Blech mit optimalem Widerstand ausgewählt, das den magnetischen Anforderungen entspricht. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen wird ein 0,2 mm dünnes Blech aus 48% NiFe als magnetische Hauptlegierung (101) verwendet. Ein 0,2 mm dünnes Blech aus SiFe wird als magnetische Zusatzlegierung (102) verwendet. Diese Bleche haben eine Anfangshärte von 420 bis 480 HV (auf der Vickers-Skala). Eine Kombination aus geringerer Dicke und höherer Härte erleichtert die Herstellung einer gratfreien Bearbeitung einschließlich Schlitzen und Scheren gemäß der vorliegenden Erfindung, wodurch Wirbelströme minimiert werden.
Eine Anwendungseingabe (10) und eine Ebene EINS (20) der Spezifikation wie oben angegeben und umfassend

3, die magnetischen Materialien (90) sind mit einer elektrisch isolierenden Schicht (90C) vorbeschichtet. Die elektrisch isolierende Schicht (90C) hat eine „fließende Eigenschaft“, d. h. die elektrisch isolierende Schicht (90C) fließt auf eine abgescherte Kante und eine abgescherte Oberfläche (89) des magnetischen Materials (90), so dass 50 bis 100 Prozent der abgescherten Kante und der abgescherten Oberfläche (89) mit der elektrisch isolierenden Schicht (90C) bedeckt bleiben.
Ein Verfahren EINS (30) zur Herstellung der optimalen Magnetkernanordnung (100) mit einem komplaner und einem flachen Paar von Enden, oder mit einem komplaner und einem flachen Paar von Enden, erfolgt durch ein Umhüllungsverfahren. Figure 3A-3C, 4-10 und 11A-11B. Bei diesem Verfahren gibt es nur minimale oder gar keine Materialverschwendung.
Es ist allgemein bekannt, dass bei der Verwendung von Kaschierung unerwünschte Luftspalten (51) zwischen den Schichten entstehen, die sich negativ auf die magnetische Permeabilität des Kerns auswirken. Der Luftspalt wird wie folgt effektiv reduziert:

Einfang (61) für die Anfangskante, bei dem die Anfangskante (62) einer Rolle eines Blechs aus dem magnetischen Material (90) der magnetischen Hauptlegierung (101) gefaltet und verriegelnd mit einem Schlitz (63) in einem Dorn (64) in Eingriff gebracht wird.

Um den angestrebten Stapelfaktor zu erreichen, wird das Blech des magnetischen Materials (90) durch eine Zugkraft Ft (65) gezogen, während der Dorn (64) gedreht wird. Die Zugkraft Ft (65) ist deutlich geringer als die Zugfestigkeit des Blechs und entspricht dieser. Zusätzlich wird eine Druckkraft Fc (66) periodisch durch kurzzeitiges Anhalten des Dorns (64) in einer orthogonalen Ebene (67) aufgebracht.
Nach Erreichen der erforderlichen Breite (68) des so gewickelten Kerns (91) wird das Blech aufgeschlitzt, und eine letzte Kante des so entstandenen Blechs wird dauerhaft auf dem gewickelten Kern (91) angeordnet, vorzugsweise durch mehrfaches Punktschweißen (nicht dargestellt).
Wenn ein solcher gewickelter Kern (91) vom Dorn abgenommen wird, ist im Allgemeinen rundherum ein Bogen (67) zu beobachten, 6.
7 und 8, eine Korrekturvorrichtung (31), die einen Einsetzer (35) und ein Gehäuse (32) aufweist, wird eingesetzt. Der Einsetzer (35) hat vier Eingangsecken (33) einer Eingangsseitenfläche (36) und vier Ausgangsecken (34) einer Ausgangsfläche (37). Die Eingangsfläche (36) ist kleiner als die Ausgangsfläche (37). Die Eingangsecken (33) und die Ausgangsecken (34) sind durch einen prismatischen Kegelstumpf (38) verbunden. Der gewickelte Kern (91) wird durch die Korrekturvorrichtung (31) geführt. Auf diese Weise wird durch dieses Verfahren der Bogenkorrektur (69) wird ein korrigierter gewickelter Kern (92) der magnetischen Hauptlegierung (101) erhalten.
Nach genau denselben Schritten wird ein korrigierter gewickelter Kern (92S) aus der magnetischen Zusatzlegierung (102) hergestellt, wobei eine äußere Breite (81S) und eine äußere Höhe (82S) des korrigierten gewickelten Kerns aus der magnetischen Zusatzlegierung dazu neigen, gleich einer inneren Breite (81) und einer inneren Höhe (82) des korrigierten Kerns (92) der magnetischen Hauptlegierung (101) zu sein. Der korrigierte gewickelte Kern (92S) aus der magnetischen Zusatzlegierung (102) wird eingreifend in den korrigierten gewickelten Kern (92) der magnetischen Hauptlegierung (101) eingesetzt, um einen korrigierten hybriden Kern (93) zu erhalten. 9
Der korrigierte hybride Kern (93) wird geschlitzt und dann in Scheiben geschnitten, um eine blanke Magnetkernanordnung (94) zu erhalten, die nach einer Behandlung (50) zur Verstärkung der magnetischen Leistung in einem nichtmagnetischen Harz oder einem nichtmagnetischen technischen Kunststoffkörper (15) eingeschlossen ist.
11A-11B, Eine Variante besteht darin, dass eine Anfangskante (62) einer Rolle eines Blechs aus einem ausgewählten magnetischen Material (90) der magnetischen Hauptlegierung/Zusatzlegierung (101/102) mit einer Vielzahl von Öffnungen (71) versehen ist und jede Öffnung mit einem federbelasteten Stift (72) mit einer in einem zweiten Dorn (64S) angeordneten Feder (72S) in Eingriff steht. Um den gewickelten Kern (91) vom zweiten Dorn (64S) abzunehmen, werden die federbelasteten Stifte (72) zurückgezogen, um den gewickelten Kern (91) freizugeben.
3A-3C, 12, 12A, ein Verfahren ZWEI (40) zur Herstellung der optimalen offenen Magnetkernanordnung (100) mit einem gleichgerichteten (111) und konturierten (114) Paar von Enden oder mit einer komplanen (112) und konturierten (114) Fläche wird nun im Folgenden beschrieben. Die bevorzugte Ausführungsform wird durch ein Pressverfahren hergestellt. Das Pressverfahren wird eingesetzt, um Magnetkerne mit einer für eine Sensorvorrichtung spezifischen Kontur mit optimaler und gewünschter magnetischer Verbindung herzustellen, indem liberale Radien vorgesehen und scharfe Ecken vermieden werden, da das zuvor beschriebene Umhüllungsverfahren optimale Kerne mit flacher Oberfläche und scharfen Enden erzeugt.
Mit einem speziell angefertigten Stanzwerkzeug (52) wird eine erforderliche Anzahl von Hauptpressstücken (53) aus der magnetischen Hauptlegierung (101) und eine erforderliche Anzahl von Zusatzpressstücken (53B) aus der magnetischen Zusatzlegierung (102) hergestellt, die dann aufeinander gestapelt (55) werden. Die Hauptpressstücke (53) und die Zusatzpressstücke (53B) werden zusammengedrückt und durch ein an jedem Pressstück vorgesehenes Verbindungsmittel untrennbar miteinander verbunden. So erhält man einen blanken magnetischen Kern (94).
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Verbindungsmittel aus einer Vielzahl von teilweise versetzten Vorsprüngen (54). Die elektrisch isolierende Schicht (90C) auf den Hauptpressstücken (53) und den Zusatzpressstücken (53B) „fließt“ in Bewegungsrichtung eines Scherwerkzeugs und hält die neuen Kanten/neuen freiliegenden Oberflächen (89) weiterhin bedeckt. Bei dem Mittel kann es sich um eine Öffnung handeln, die mit einer Niete oder einem geschmolzenen Metall in Eingriff gebracht wird.
Der blanke Magnetkern (94) ist in einem Gehäuse (73) und einer Abdeckung (76) aus einem nichtmagnetischen Harz oder einem nichtmagnetischen technischen Kunststoffkörper eingeschlossen (16), nachdem die Behandlung (50) zur Verstärkung der magnetischen Leistung die optimale Magnetkernanordnung (100) gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt.
Die erforderliche Anzahl von Hauptpressstücken (53) aus der Hauptmagnetlegierung (101) und die Zusatzpressstücke (53B) aus der magnetischen Zusatzlegierung (102) werden entweder in einer einzigen Gruppe oder in mehreren Gruppen gestapelt. Die meisten optimalen magnetischen Eigenschaften werden durch verflochtene Schichten (70) erzielt, bei denen sich die Hauptpressstücke (53) und die Zusatzpressstücke (53B) abwechseln, 17, d. h. je ein Hauptpressstück und ein Zusatzpressstück (53B) im Wechsel, oder durch eine beliebige Kombination davon. Die 17A-17D veranschaulichen den vergleichenden Vorteil deutlich, wobei in den 17A und 17B die Hauptpressstücke (53) und die Zusatzpressstücke (53B) gruppiert sind, während in den 17C und 17D die Hauptpressstücke (53) und die Zusatzpressstücke (53B) miteinander verflochten sind. Die 17A und 17C veranschaulichen ein Magnetfeld (59) mit niedrigem Strom, 100 mA bis 10 A, während die 17B und 17D das Magnetfeld (59) mit hohem Strom, 10 A bis 1000 A, abbilden. Dem Fachmann ist das magnetische Verhalten von NiFe als magnetischem Material mit hoher Permeabilität und auch von SiFe als magnetischem Material mit relativ geringer Permeabilität wohl bekannt. Die 17C und 17D verdeutlichen ihr kombinatorisches Verhalten in der verflochtenen Schicht (70) über einen Strombereich von 10 mA bis 1000 A, im Vergleich zu ihrem kombinatorischen Verhalten in gruppierten Schichten, wie in den 17A und 17B gezeigt, und ihrem bereits bekannten individuellen magnetischen Verhalten. Die verflochtenen Schichten (70) führen zu einer gleichmäßigeren Magnetfeldverteilung, die durch eine Vielzahl von magnetischen Kraftlinien in zwei verschiedenen Linientypen dargestellt wird; und dies ist das Wesentliche der vorliegenden Erfindung, da jede Veränderung einer Position des Sensors (120) NICHT zu einer Veränderung der Messung und/oder der Abschirmung führt.
Eine solche Verflechtung ist sowohl mit dem Verfahren EINS (30) als auch mit dem Verfahren ZWEI (40) gleichermaßen effektiv zu erreichen, wobei eine feinere Verflechtung für das Verfahren EINS (30) eine fertigungstechnische Herausforderung darstellt.
Die Pressstücke (53, 53B) werden zusammengedrückt und durch die an jedem Pressstück (53, 53B) vorgesehenen Mittel untrennbar miteinander verbunden. Das erforderliche magnetische Verhalten lässt sich durch eine optimale Kombination von Material, Abmessungen und Kontur der Fläche sowie Stapelmuster/verflochtene Schichten erreichen (70).
Vor dem Einschließen (16) des blanken Magnetkerns (94) weist die durchgeführte Behandlung (50) zur Verstärkung der magnetischen Leistung Folgendes auf:

Kornwachstum (56): Das sauerstofffreie Glühen führt zu einem Kornwachstum des magnetischen Materials, ohne eine Verschlechterung in Form von induziertem Rost zu verursachen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt das sauerstofffreie Glühen in einer Wasserstoffumgebung. Die blanken, optimalen Magnetkerne werden 4 bis 6 Stunden lang auf 1120 bis 1180°C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt, und zwar unter Wasserstoffatmosphäre. Eine solche Kombination aus Temperatur, Dauer und Vorhandensein von Wasserstoff führt auch zur Beseitigung von Hemmstoffen für das Kornwachstum wie Kohlenstoff, Schwefel usw., um eine optimale Verstärkung der magnetischen Eigenschaften zu gewährleisten. Während des Glühens werden die Körner verfeinert, um Hemmstoffe für das Kornwachstum zu entfernen, die Korngrenzen verschmelzen, um die Korngröße zu vergrößern, und Spannungen werden abgebaut. Da die Korngrenzen keine kristalline Struktur aufweisen, haben sie auch keine magnetischen Eigenschaften. Wenige und dünne Grenzen sind also gut für die magnetischen Eigenschaften. Bei übermäßigem Wachstum neigen die Korngrenzen dazu, dick zu werden, was sich nachteilig auswirkt, da übergroße Körner bei hohen Frequenzen Wirbelstromverluste verursachen können und die dicken Grenzen den magnetischen Pfad blockieren. Die Kontrolle der Retortenatmosphäre wird daher zu einer wichtigen Herausforderung für die Qualitätskontrolle. Das Vorhandensein von Kohlenstoff, Schwefel, Chlor, Sauerstoff oder anderen Fremdstoffen ist schädlich für das Kornwachstum. Die Retortentür wird sorgfältig mit Silikongummidichtungen verschlossen, um sicherzustellen, dass keine Luft in die Retorte entweicht. Nach dem Einspannen der Retorte wird die Retorte einer Dichtheitsprüfung unterzogen, um sicherzustellen, dass keine Leckagen in der Retorte und den Eingangsgasleitungen vorhanden sind. Die Gasdurchflussrate wird so gesteuert, dass 5 Volumenänderungen pro Stunde erreicht werden. Um die Reinheit des zugeführten Gases über die gesamte Länge des Ofens aufrechtzuerhalten, werden Wasserstoffgaszufuhrleitungen verwendet, die sich von der Rückseite der Retorte bis zur Vorderseite erstrecken und mit entsprechenden Öffnungen versehen sind. Um einen Cpk-Wert von mindestens 1,33 für die magnetischen Eigenschaften zu erreichen, wird die Gleichmäßigkeit der Retortentemperatur innerhalb von +/- 12°C gehalten. Das Vorwärmen beim Glühen dauert eine Stunde, um sicherzustellen, dass die Teile in den verschiedenen Zonen der Retorte die gleiche Temperatur erreichen. Die Temperatur wird um 150°C/Stunde erhöht. Jede Spannung des Teils nach dem Glühen führt zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften. Die Abkühlgeschwindigkeit wird auf einem bestimmten Wert gehalten, vorzugsweise 100°C - 150°C/Std. Die Retorte wird bei einer bestimmten Temperatur geöffnet, vorzugsweise bei 100 °C, um sicherzustellen, dass die Teile und die Retorte nicht an der Luft oxidiert werden. 13 zeigt eine Hysteresekurve (77) vor dem Glühen und eine verbesserte Hysteresekurve (78) nach dem Glühen.

Die Imprägnierung mit Vakuumlack und das Einbrennen (57) dienen dazu, die Tendenz der Schichten, sich mit der Zeit zu trennen, zu verhindern und somit die Schichten miteinander zu verbinden, sowie die Schichten durch Ausnutzung der Luftspalten weiter zu isolieren. Der blanke Magnetkern wird auf 100°C vorgewärmt, dann erfolgt die Imprägnierung mit Lack bei einem Druck von 3 bis 4 mbar für 20 Minuten, gefolgt von einer Aushärtung bei 120°C/1 Std. und einer Nachhärtung bei 180°C für 1-2 Stunden. Durch diesen Vorgang wird der ehemalige Luftspalt (74) mit einer Lackschicht (75) belegt, 14, 15.
Für eine optionale Harzbeschichtung (58) wird der blanke Magnetkern 20 Minuten lang bei 250°C vorgewärmt und dann für eine vorgeschriebene Zeit, die von der gewünschten Dicke der Beschichtung und der Größe des blanken Magnetkerns abhängt, in vibrierendes Harzpulver eingetaucht. Der Kern ist danach auf natürliche Weise luftgekühlt.
Die optimale Magnetkernanordnung (100) gemäß der vorliegenden Erfindung ist in allen Anwendungen von Flusskonzentratoren und Abschirmungen einsetzbar; insbesondere ist sie aufgrund ihrer Präzision und Robustheit in Automobilen einsetzbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

IN 201921052501 [0001]
BE 1002498 A6 [0005]
CN 103475170 B [0005]
US 8048509 B2 [0005]
CN 1439163 A [0005]
JP 2015050290 A [0006]

Claims

Eine optimale offene Magnetkernanordnung (100), gekennzeichnet durch: eine magnetische Hauptlegierung (101) und mindestens eine magnetische Zusatzlegierung (102), die aus einem magnetischen Material (90) hergestellt ist, das mit einer elektrisch isolierenden Schicht (90C) vorbeschichtet ist, wobei die optimale offene Magnetkernanordnung (100) aus einer Vielzahl von mehrschichtigen Magnetkernen (110) hergestellt ist; wobei die optimale Magnetkernanordnung (100) ein Paar von Enden eines mehrschichtigen Magnetkerns (110) aufweist, wobei jedes des Paares von Enden der optimalen Magnetkernanordnung (100) eines von einem gleichgerichteten (111) und einem flachen (113), oder einem gleichgerichteten (111) und einem konturierten (114), oder einem komplanaren (112) und einem flachen (113), oder einem komplanaren (112) und einem konturierten (114) ist; und wobei ein Verfahren zur Herstellung der optimalen Magnetkernanordnung (100) eines von einem auf Umhüllung basierenden Verfahren EINS (30) oder einem auf Pressen basierenden Verfahren ZWEI (40) ist, gefolgt von einer Behandlung (50) zur Verstärkung der magnetischen Leistung, in Übereinstimmung mit dem Paar von Enden, einer Anwendungseingabe (10) und einer Ebene EINS (20) der Spezifikation, die ein magnetisches Material, eine Schichtdicke, eine Härte, eine Schichtform, eine Form des Pols und Abmessungen eines Kerns umfasst.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 01, wobei die optimale Kernanordnung (100) einen Stapelfaktor von 96 bis 99 % aufweist.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 01, wobei das magnetische Material (90) eine Anfangshärte von 420 bis 480 HV (auf der Vickers-Skala) aufweist.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 01, wobei die elektrisch isolierende Schicht (90C) auf eine gescherte Kante und eine gescherte Oberfläche (89) des magnetischen Materials (90) fließt.
Die optimal offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 01, wobei das Verfahren EINS (30) die folgenden Schritte aufweist: a. Einfangen einer Anfangskante (62) einer Rolle eines Blechs aus einem ausgewählten magnetischen Material (90) der magnetischen Hauptlegierung (101) durch Falten und Verriegeln in Eingriff mit einem Schlitz (63) in einem Dorn (64), b. Ziehen des Blechs aus dem ausgewählten magnetischen Material durch eine Zugkraft Ft (65), während sich der Dorn (64) dreht, c. Aufbringen einer Druckkraft Fc (66) periodisch durch kurzzeitiges Anhalten des Dorns (64) in einer orthogonalen Ebene (67), d. Schlitzen des Blechs bei Erreichen einer erforderlichen Breite (68) des so gewickelten Kerns (91), e. Dauerhaftes Anordnen einer letzten Kante des Blechs auf dem gewickelten Kern (91), f. Abnehmen des gewickelten Kerns (91) durch Herausschieben des gewickelten Kerns (91) aus dem Schlitz (63) des Dorns (64), g. Durchführen des gewickelten Kerns (91) durch die Korrekturvorrichtung (31), h. Wiederholen der oben genannten Schritte mit der magnetischen Zusatzlegierung (102), i. Eingreifendes Einsetzen eines korrigierten gewickelten Kerns (92S) der magnetischen Zusatzlegierung in einen korrigierten gewickelten Kern (92) der magnetischen Hauptlegierung, um einen korrigierten hybriden Kern (93) zu erhalten, j. Schlitzen und Schneiden des korrigierten hybriden Kerns (93), um eine blanke Magnetkernanordnung (94) zu erhalten, k. Wachsen von Körnern der blanken Magnetkernanordnung (94), 1. Imprägnieren der blanken Magnetkernanordnung (94) im Vakuum, m. Einschließen einer behandelten Magnetkernanordnung (95) in ein nichtmagnetisches Harz oder einen nichtmagnetischen technischen Kunststoffkörper.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 5, wobei das Einfangen der Anfangskante (62) durch Eingreifen einer Vielzahl von Öffnungen (71) mit einer Vielzahl von federbelasteten Stiften (72) erfolgt, die in einem zweiten Dorn (64S) angeordnet sind.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 5, wobei die Abnahme des gewickelten Kerns (91) vom zweiten Dorn (64S) durch Zurückziehen der Vielzahl von federbelasteten Stiften (72) erfolgt.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 05, wobei die Zugkraft Ft (65) geringer ist als eine Zugfestigkeit des Blechs aus dem magnetischen Material (90).
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 05, wobei ein korrigierter gewickelter Kern (92S) der magnetischen Zusatzlegierung eine äußere Breite (8 IS) und eine äußere Höhe (82S) aufweist, die dazu neigen, gleich einer inneren Breite (81) und einer inneren Höhe (82) des korrigierten Kerns (92) der magnetischen Hauptlegierung zu sein.
Die optimal offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ZWEI (40) die folgenden Schritte aufweist: (i) Herstellen einer erforderlichen Anzahl von Hauptpressstücken (53) aus der magnetischen Hauptlegierung und einer erforderlichen Anzahl von Zusatzpressstücken (53B), (ii) Stapeln der Hauptpressstücke (53) und der Zusatzpressstücke (53B), (iii) Zusammendrücken der Hauptpressstücke (53) und der Zusatzpressstücke (53B) und untrennbares Verbinden miteinander durch ein an jedem Pressstück vorgesehenes Verbindungsmittel, um den blanken optimalen Magnetkern (94S) zu erhalten, (iv) Wachsen von Körnern der optimalen blanken Magnetkernanordnung (94S), (v) Imprägnieren der blanken Magnetkernanordnung (94S) im Vakuum, (vi) Einschließen einer optimalen behandelten Magnetkernanordnung (95) in ein nichtmagnetisches Harz oder einen nichtmagnetischen technischen Kunststoffkörper.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 10, wobei das Verbindungsmittel eine Vielzahl von teilweise versetzten Vorsprüngen (54) ist.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 01, wobei die Vielzahl von magnetischen Schichten (110) verflochtene Schichten (70) aus der magnetischen Hauptlegierung (101) und der magnetischen Zusatzlegierung (102) sind.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 01, wobei die Vielzahl von magnetischen Schichten (110) eine Stapelung der erforderlichen Anzahl von Pressstücken der magnetischen Hauptlegierung (101) und der magnetischen Zusatzlegierung (102) in mindestens einer einzigen Gruppe von jedem ist.
Die optimale offene Magnetkernanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die behandelte Magnetkernanordnung (95) mit einer Harzbeschichtung (58) versehen ist, die behandelte Magnetkernanordnung (95) 20 Minuten lang bei 250°C vorgewärmt und dann für eine vorgeschriebene Zeit, die von der gewünschten Dicke der Beschichtung und der Größe des behandelten optimalen Magnetkerns abhängt, in ein vibrierendes Harzpulver eingetaucht wird.