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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Sintermetallkernen
für Transformatoren, Übertrager,
Wandler und Drosseln unter Verwendung von Sintermetallpartikeln.
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In
der Energie-, Nachrichten- und Meßtechnik werden Vorrichtungen
zum Umformen elektrischer Energie und zur Beeinflussung von Strömen und
Spannungen eingesetzt, die aus einem Metallkern und mindestens einer
auf diesen Kern aufgebrachten stromdurchflossenen Wicklung bestehen. Durch
den Stromfluß in
der Wicklung wird im Eisenkörper
der Vorrichtung ein Magnetfeld aufgebaut, das zu einer frequenzabhängigen Bedämpfung des
Stromes führt
und, sofern vorhanden, in mindestens einer zweiten auf den Eisenkörper aufgebrachten
Wicklung durch Induktion eine Spannung entstehen läßt, die
in ihrer Höhe
verschieden sein kann von der an der Primärwicklung anliegenden Spannung.
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Ist
diese Spannung niederfrequent, so besteht der Eisenkörper regelmäßig aus
magnetisierbaren mindestens einseitig isolierten Blechen, wobei die
Blechschichtung dazu dient, Wirbelstromverluste durch Begrenzung
der Wirbelströme
auf die einzelnen Bleche möglichst
klein zu halten. Bei höherfrequenten
Speisespannungen bis in die Größenordnung
von etwa 10 kHz wird der Eisenkörper
zum Führen
des Magnetfeldes üblicherweise
aus einem Sintermetall gebildet. Dieses Sintermetall besteht aus einzelnen
elektrisch gegeneinander isolierten Eisenpartikeln. Die Sintermetallpartikel
stellen im Gegensatz zu der zweidimensionalen Schichtung der Eisenbleche
für den
Niederfrequenzbereich eine dreidimensionale Schichtung dar, die
durch ihre räumliche Begrenzung
auf die einzelnen Sintermetallpartikel eine wirksame Begrenzung
der mit der Frequenz ansteigenden Wirbelstromverluste bewirken.
Die einzelnen Sintermetallpartikel werden unter Einfluß von Wärme und
Druck in entsprechenden Formen zu Kernen oder zu Kernelementen verpreßt, aus
denen sich die jeweils geforderten Magnetkerne aufbauen lassen.
Für Anwendungen
im Hochfrequenzbereich werden die Eisenkerne von Transformatoren, Übertragern,
Wandlern und Drosseln aus Ferriten hergestellt. Bei diesen Ferriten
handelt es sich um miteinander verbackene Eisenkristalle. Diese
Kristallstruktur ist besonders geeignet, um Wirbelstromverluste gering
zu halten. Kostengründe
verhindern den Einsatz solcher Ferrite im Mittel- und Niederfrequenzbereich.
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Insbesondere
ist aus der
DE 1 226
923 A ein Verfahren zur Herstellung von weichmagnetischen Kernen
bekannt, bei dem das Sintermaterial für das weichmagnetische Pulver
mittels eines Magnetfeldes ausgerichtet wird.
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Weiter
ist aus der
DE 1 087
962 B und der
CH
407 352 A bekannt, bei der Herstellung von hartmagnetischen
Sinterkernen das Pulver beim Sintern in einem Magnetfeld auszurichten.
Dabei werden die magnetisch orientierbaren Teilchen des Pulvers
ausgerichtet, solange diese gegenseitig noch relativ frei beweglich
sind. Anschließend
wird das Ganze zu einem kompakten Körper gesintert. In der Regel
wird ein pulsartiges Magnetfeld zum Ausrichten verwendet, bevor
es durch Pressen fixiert und gesintert wird.
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In
der
FR 1 278 854 A werden
orientierte Bleche zum Zusammenbau der Induktivität beschrieben.
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Ein
Ausrichten der Pulver bei weichmagnetischen Pulverkernen ist bereits
aus der
DE 336 507 A bekannt.
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Die
DE 33 22 136 A1 beschreibt
zum Erzielen einer Vorzugsrichtung weiter das Tempern weichmagnetischer
Kerne im Magnetfeld.
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In
der
DE 1 079 087 A werden
Teilchen durch mechanische Verarbeitung gestreckt und anschließend magnetisiert.
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Bei
allen diesen bekannten Verfahren zur Herstellung von weichmagnetischen
Sintermetallkernen erfolgt das Fixieren der Teilchen durch Pressen des
Pulvers.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches
1 anzugeben, mit dem Sintermetallkerne für die Verwendung bei höheren Frequenzen
bis in den Bereich von etwa 30 kHz ertüchtigt werden und/oder bei
denen diese Kerne bei gleicher Größe zum Übertragen größerer Leistungen
bzw. zum Beeinflussen größerer Ströme geeignet
sind bzw. diese Leistung bei kleinerem Bauvolumen erbracht werden
kann.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.
Danach sollen die Sintermetallpartikel während des Sintervorganges so
ausgerichtet werden, daß ihre
Elementarmagnete mit den Feldlinien des später anzulegenden Nutzfeldes
fluchten. Durch das Ausrichten der Sintermetallpartikel während des
Sintervorganges wird erreicht, daß bei der späteren Magnetisierung
der Elementarmagnete im laufenden Betrieb die einzelnen Elementarmagnete
nicht mehr aus einer willkürlichen
Lage heraus in Richtung der Feldlinien des Nutzmagnetfeldes gedreht
werden müssen,
sondern daß sie
von Anfang an in Richtung dieser Feldlinien liegen und durch das
zugeführte Feld
lediglich noch umgepolt werden müssen.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene
Ausrichtung der Elementarmagnete aller Sintermetallpartikel vermindert
sich der magnetische Widerstand des Metallkernes mit der Folge,
daß bei
gleicher Kerngröße mehr Energie
umgeformt bzw. beeinflußt
werden kann als bei Sintermetallkernen mit nicht gleichartig ausgerichteten
Elementarmagneten bzw. daß für die Umformung
gleicher Energien kleinere Kerne verwendet werden können. Außerdem ergibt
sich der Vorteil, daß die
so aufgebauten Sintermetallkerne höherfrequent betrieben werden
können,
ohne Schaden zu nehmen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Als
besonders vorteilhaft wird angesehen, die Elementarmagnete der einzelnen
Sintermetallpartikel gemäß Anspruch
2 in einem dem Sintervorgang vorausgehenden Verarbeitungsschritt
durch Anlegen eines magnetischen Gleichfeldes in einer Vorzugsrichtung
auszurichten. Dabei werden die Elementarmagnete der noch frei beweglichen
Sintermetallpartikel innerhalb der einzelnen Partikel ausgerichtet,
so daß sie
während
des Sintervorganges gemeinsam in die durch das dann angelegte Gleichfeld definierte
Richtung kippen. Dies macht es möglich, während des
Sintervorganges mit weniger energiereichen Gleichmagnetfeldern auszukommen.
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Der
Anspruch 3 bezieht sich auf die Herstellung von Sintermetallkernen
aus mehreren Kernteilen. Danach soll jedes Kernteil für sich während des Sintervorganges
einem Gleichmagnetfeld ausgesetzt sein, das so ausgerichtet ist,
daß die
Elementarmagnete der zugehörigen
Sintermetallpartikel die gleiche Richtung aufweisen wie das Nutzmagnetfeld
einer auf den Sintermetallkern aufgebrachten Wicklung.
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Zur
bedarfsweisen parallelen oder radialen Ausrichtung der Elementarmagnete
eines Sintermetallkernes oder von Sintermetallkernteilen während des
Sintervorganges sollen nach der Lehre des Anspruches 4 spezielle
Elektroden zum Zuführen
ei nes Gleichmagnetfeldes mit entsprechend verlaufenden Feldlinien
verwendet sein.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt in
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1 das
Prinzip der Ausrichtung der Elementarmagnete von Sintermetallpartikeln
während des
Sintervorganges anhand eines üblichen Übertragerquerschnittes
und in
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2 das
Ausrichten der Elementarmagnete von Sintermetallpartikeln bei einem
Schalenkern.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines Sintermetallkernes aus fünf quaderförmigen Kernteilen 1 bis 5.
Die Richtungen, in der die Elementarmagnete der Sintermetallpartikel
innerhalb der einzelnen Kernteile bleibend ausgerichtet sind, sind
in der Zeichnung durch Pfeile verdeutlicht. Die Ausrichtung der
Elementarmagnete innerhalb der einzelnen Kernteile entspricht dem
Verlauf der Feldlinien, die von mindestens einer auf mindestens
einen der Kernteile aufgebrachten, in der Zeichnung nicht dargestellten, stromdurchflossenen
Wicklung erzeugt werden. Das Ausrichten der Elementarmagnete der
Sintermetallpartikel geschieht in zwei Arbeitsgängen. In einem ersten Arbeitsgang
bei der Herstellung der Sintermetallpartikel werden diese einem
magnetischem Gleichfeld ausgesetzt. Dieses Gleichfeld orientiert
die Elementarmagnete in Richtung der Feldlinien des angelegten Gleichfeldes.
Um zu erreichen, daß die
einzelnen Sintermetallpartikel beim Sintern der Kernteile nicht
in einer völlig
ungeordneten zufälligen
Lage zueinander fixiert werden, werden die Sintermetallpartikel
während
des Sinterns ebenfalls einem magnetischem Gleichfeld ausgesetzt.
Dieses magnetische Gleichfeld richtet die Sintermetallpartikel so
aus, daß ihre
Elementarmagnete die gleiche Richtung besitzen wie die Feldlinien
des angelegten Gleichfeldes. Nach dem Sintern bleibt die Lage der
während
des Sin tervorganges magnetisch ausgerichteten Sintermetallpartikel
erhalten, d. h. die so hergestellten Kernteile weisen ganz bestimmte
magnetische Eigenschaften auf, die es gestatten, einen Sintermetallkern
aufzubauen, dessen Kernelemente in einer gewünschten Vorzugsrichtung orientiert
sind.
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Im
rechten Teil der 1 ist schematisch eine Form 6 für die Herstellung
eines z. B. quaderförmigen
Kernteiles dargestellt, die mit vorbehandelten Sintermetallpartikeln 7 gefüllt ist.
Die Vorbehandlung der Sintermetallpartikel besteht in der zuvor
geschilderten Ausrichtung ihrer Elementarmagnete in einem magnetischem
Gleichfeld beim Herstellen des Sintermetallmaterials. Die Form 6 wird
von einem Kolben 8 verschlossen, über den der für den Sintervorgang notwendige
Druck auf die Sintermetallpartikel ausgeübt wird; nicht dargestellt
ist eine möglicherweise
erforderliche Wärmebehandlung
der Sintermetallpartikel beim Sintern. Während des Sintervorganges werden
die Sintermetallpartikel 7 einem magnetischem Gleichfeld 9 ausgesetzt,
das durch schematisch angedeutete Magnete N und S erzeugt wird.
Dieses Gleichfeld richtet die Sintermetallpartikel vor und beim
Zusammenbacken so aus, daß ihre
Elementarmagnete mit den Feldlinien des angelegten magnetischen
Gleichfeldes fluchten. Nach dem Ausformen des Kernteiles hat das
Kernteil die geforderten magnetischen Eigenschaften, die sich durch
das Ausrichten aller Elementarmagnete der Sintermetallpartikel in
eine gemeinsame Richtung ergeben.
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2 zeigt
im linken Teil den Aufbau eines Schalenkernes, der aus einem Kern 10,
einem Ring 11 und zwei Scheiben 12 und 13 besteht;
der Schalenkern wird durch das Ineinanderstecken des Kernes in den
Ring und das Aufsetzen der beiden Scheiben gebildet. Zur Verdeutlichung
des sich ausbildenden Magnetflusses ist eine Feldlinie 14 angedeutet.
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Für die beiden
Scheiben 12 und 13 ist es erforderlich, die Elementarmagnete
der einzelnen Sintermetallpartikel radial auszurichten, damit sie
mit den Feldlinien 14 des anzulegenden Nutzfeldes fluchten.
Dies geschieht durch entsprechend geformte Elektroden N* und S*,
von denen die Elektrode N* auf das Zentrum der Scheibe 12, 13 aufgesetzt
ist, während
die Elektrode S* die Scheibe ringförmig von der Seite her umschließt. Die
Vorzugsrichtung, in der die Elementarmagnete sämtlicher Sintermetallpartikel
der Scheiben 12 und 13 durch das während des Sintervorganges
angelegte magnetische Gleichfeld ausgerichtet werden, ist in 2 mit
der Ziffer 15 versehen.
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Das
Ausrichten der Elementarmagnete der Sintermetallpartikel des Kernes 10 und
des Ringes 11 geschieht analog der Ausrichtung der Sintermetallpartikel
beim Ausführungsbeispiel
der 1. Gegebenenfalls ist ein gemeinsames gleichzeitiges Ausrichten
der Partikel von Ring und Kern im magnetischen Gleichfeld vorzusehen.
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Die
Elementarmagnete der Sintermetallpartikel für die Scheiben 12 und 13 können einzeln
nacheinander oder auch gemeinsam ausgerichtet werden.
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Durch
Verwendung einer Elektrode N*, die auf eine der beiden Scheiben 12 oder 13 aufgesetzt wird
und durch Verwendung einer ebenen Elektrode S ist es auch möglich, die
Sintermetallpartikel z. B. der Scheibe 12, des Ringes 11 sowie
des Kernes 10 in einem einzigen Arbeitsgang magnetisch
auszurichten und festzulegen. Eine solche Elektrodenanordnung ist
insbesondere dann von Vorteil, wenn der Schalenkern nicht aus vier
sondern aus zwei Teilen bestehen soll, nämlich aus dem die Wicklung
aufnehmendem Topf und einer Abdeckscheibe oder einem zweiten Topfteil.
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Durch
entsprechende Ausgestaltungen von Elektroden zum Erzeugen magnetischer
Gleichfelder lassen sich im Prinzip beliebige magnetische Orientierungen
der zu sinternden Kerne oder Kernteile während des Sintervorganges erzielen.
Die Ausgestaltung der Kernelemente zum Aufbau von Sintermetallkernen
kann den jeweiligen Anwendungsfällen angepaßt sein.
Beispielsweise ist es auch möglich, die
Ausrichtung der Elementarmagnete der Joche 1 und 2 in 1 durch
seitliches Anlegen von Elektroden an die Endbereiche bzw. das Mittelteil
der Joche so zu modifizieren, daß ein magnetisch niederohmiger Übergang
zwischen den einzelnen Kernteilen entsteht; eine solche Orientierung
der Elementarmagnete im Joch 1 ist in 1 durch
gestrichelte Linien angedeutet.
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Wenn
Sintermetallpartikel mit nur einer geringen Zahl von Blochwänden zwischen
den durch die Elementarmagnete der Sintermetallpartikel definierten
Magnetbezirken der Partikel verwendet sind, kann ggf. auf die magnetische
Vorbehandlung der Sintermetallpartikel zum Ausrichten der Elementarmagnete
innerhalb der einzelnen Sintermetallpartikel verzichtet werden;
die Sintermetallpartikel sind dann zum gemeinsamen Ausrichten der
Elementarmagnete während
des Sintervorganges einem stärkeren Gleichmagnetfeld
als bei magnetischer Vorbehandlung der Sintermetallpartikel auszusetzen.