EP1393330A1 - Induktives bauelement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Induktives bauelement und verfahren zu seiner herstellung

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EP1393330A1
EP1393330A1 EP02742919A EP02742919A EP1393330A1 EP 1393330 A1 EP1393330 A1 EP 1393330A1 EP 02742919 A EP02742919 A EP 02742919A EP 02742919 A EP02742919 A EP 02742919A EP 1393330 A1 EP1393330 A1 EP 1393330A1
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EP
European Patent Office
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powder
inductive component
component according
ferromagnetic
alloy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02742919A
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English (en)
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Inventor
Markus Brunner
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Vacuumschmelze GmbH and Co KG filed Critical Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Publication of EP1393330A1 publication Critical patent/EP1393330A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/33—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials mixtures of metallic and non-metallic particles; metallic particles having oxide skin
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B13/00—Burglar, theft or intruder alarms
    • G08B13/22—Electrical actuation
    • G08B13/24—Electrical actuation by interference with electromagnetic field distribution
    • G08B13/2402—Electronic Article Surveillance [EAS], i.e. systems using tags for detecting removal of a tagged item from a secure area, e.g. tags for detecting shoplifting
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    • H01F41/0246—Manufacturing of magnetic circuits by moulding or by pressing powder
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    • H01F41/041—Printed circuit coils
    • H01F41/046—Printed circuit coils structurally combined with ferromagnetic material
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core

Definitions

  • the invention relates to an inductive component with at least one winding and a soft magnetic core made of a ferromagnetic material.
  • the invention relates to inductive components with a soft magnetic core consisting of a powder composite material.
  • pressed powder composites made of iron powder are known.
  • the permeability range from approx. 10 to 300 can be covered well with these magnetic cores.
  • the saturation inductances that can be achieved with these magnetic cores are around 1.6 Tesla.
  • the application frequencies are typically below 50 kHz due to the comparatively low specific resistance and the size of the iron particles.
  • Pressed powder composites made of soft magnetic crystalline iron-aluminum-silicon alloys are also known. With these, application frequencies up to over 100 kHz can be achieved due to the comparatively higher specific resistance.
  • Both the injection molding process and the casting process with casting resins have the disadvantage that only packing densities in the powder composite materials of approximately a maximum of 55% by volume are achieved in relation to the processed alloy powders. This limits the total permeability of the inductive component that can be achieved. Furthermore, the achievable saturation induction of the powder composite is limited. Limiting the overall permeability and the saturation induction in turn limits the component properties, in particular in the case of storage chokes. Furthermore, the large internal shear of these powder composite materials causes an additional increase in the magnetic reversal losses due to stray field losses, which is also disadvantageous.
  • the object of the present invention is therefore to achieve an increase in the packing density within the powder composite material. Associated with this is the task of increasing the effective permeabilities and the achievable saturation to achieve induction induction as well as the reduction of magnetic reversal losses in the resulting inductive components.
  • Component with at least one winding and a soft magnetic core made of a ferromagnetic powder composite material, which consists of a ferromagnetic alloy powder made of an amorphous or nanocrystalline alloy and a ferromagnetic dielectric powder and a thermoplastic or thermosetting polymer.
  • dielectric ferromagnetic powders as an admixture, the remaining “spaces” between the individual alloy particles can be “filled”, since such powders can be produced in much finer grains.
  • inorganic powders for example ferrite powders
  • ferrite powders are used as ferromagnetic dielectric powders.
  • the ferrite powders are typically made from sintered ferrite parts by grinding in suitable mills. posed. Mn-Zn ferrites in particular (e.g. ferrite N 27) have proven to be particularly suitable due to their high saturation induction.
  • surface-insulated metallic powders are used. Ferromagnetic carbonyl metal powders in particular have proven to be extremely suitable. The use of carbonyl iron powder, carbonyl nickel powder or carbonyl cobalt powder and mixtures of these carbonyl powders are conceivable.
  • the carbonyl iron powders are high-purity iron powders which are produced using the "carbonyl process". Iron powders and carbon monoxide are produced under high pressure and at high temperatures from iron pentacarbonyl. The iron carbonyl thus produced is then separated from impurities by vacuum distillation and then specifically decomposes carbon monoxide and iron into its starting substances.
  • the grain size can be set within certain limits by the targeted setting of the thermodynamic decomposition parameters.
  • the resulting high-purity fine-grained iron powder naturally has a very low electrical resistance which is customary for metals, which is undesirable when the iron powder is used according to the invention.
  • the powder is then surface-insulated, for example surface-phosphated.
  • Both the ferrite powders and the surface-insulated metal powders are based on the commonality, unproblematic be able to be produced in powder particle sizes that are smaller than 10 ⁇ m. Particularly good results are achieved with dielectric ferromagnetic powders, the powder particles of which are smaller than 5 ⁇ m.
  • the powders used according to the present invention are accordingly dielectric, which means here that they have no appreciable electrical volume or surface conductivity. This avoids the creation of additional eddy current paths from the outset.
  • the powders used preferably have a density which corresponds approximately to the density of the amorphous or nanocrystalline alloys used. This avoids the occurrence of separation effects when mixing the powders with the alloy powders. However, it is also possible to use powders which have a very different density compared to the alloy powders used. Then, however, special care must be taken when compacting the mixture.
  • Nanocrystalline alloys are preferably used for the alloy powders, as are described in detail, for example, in EP 0 271 657 A2 or in EP 0 455 113 A2. Such alloys are typically produced in the form of thin alloy strips, which are initially amorphous, using the melt spin technology described there, and are then subjected to a heat treatment in order to achieve the nanocrystalline structure. However, amorphous cobalt-based alloys can also be used.
  • the alloys are ground to alloy powders with an average particle size ⁇ 2mm. Thicknesses from 0.01 to 0.04 mm and dimensions in the other two dimensions from 0.04 to 1.0 mm are optimal.
  • the alloy particles are surface-oxidized for electrical insulation of the alloy particles from one another. On the one hand, this can be achieved by oxidizing the ground alloy particles in an oxygen-containing atmosphere. However, the surface oxidation can also be produced by oxidation of the alloy strip before grinding to an alloy powder.
  • the alloy particles can be coated with a plastic, for example a silane or metal alkyl compound, the coating being carried out at temperatures between 80 ° C. and 200 ° C. for a period of 0.1 to 3 hours becomes. This procedure "burns" the coating into the alloy particles.
  • a plastic for example a silane or metal alkyl compound
  • the alloy powder prepared in this way is then mixed in a first embodiment of the present invention with the dielectric ferromagnetic powder in the desired ratio and then mixed in a heatable paddle mixer with an injection molding polymer as a binder.
  • Polyamide 11 eg Rilsan
  • the recipe can be added by other additives such as. B. flow improvers or antioxidants can be varied within the framework recommended by the manufacturer of the respective product.
  • the material is melted, homogenized and then granulated with cooling.
  • the mass prepared in this way can then be processed on the customary injection molding machines designed for processing masses filled with metal particles.
  • the spray parameters are set depending on the type of machine used and the molding to be manufactured.
  • the mixture is made of alloy powder and dielectric ferromagnetic powder cast with a resin.
  • a polyamide or polyacrylate is particularly suitable.
  • Powder and the cast resin formulation to form a cast resin powder formulation; c) filling the cast resin powder formulation into the mold; and d) curing the cast resin powder formulation.
  • the alloy particles are not exposed to any mechanical stress during the manufacturing process. Furthermore, in particular when using a mold equipped with prefabricated windings, the insulation layer applied to the winding wires is not damaged, since by filling the casting resin formulation or casting resin powder formulation with the lowest possible viscosity into the mold due to the gentle introduction of the formulations, these applied insulation layers are not damaged , Cast resin formulations with viscosities of a few millipascal seconds are particularly preferred.
  • Polymer building blocks which are mixed with a polymerization initiator are typically used as cast resin formulations.
  • methacrylic acid methyl esters come into consideration as polymer building blocks.
  • other polymer building blocks are also conceivable, for example lactams.
  • the methacrylic acid methyl esters are then polymerized to polyacrylic during curing.
  • the lactams are polymerized to polyamides via a polyaddition reaction.
  • Possible polymerization initiators are dibenzoyl peroxide or, for example, 2,2 ⁇ - azo-isobutyric acid dinitryl.
  • polymerization processes of the known casting resins are also possible, for example polymerizations which are triggered by light or UV radiation, that is to say largely without polymerization initiators.
  • the mixtures of the ferromagnetic alloy powder and the dielectric powder are aligned during and / or after the mold has been filled with the powder mixture by applying a magnetic field.
  • a magnetic field This can be done in particular when using molds which are already equipped with a winding by passing a current through the winding and the associated magnetic field.
  • This application of magnetic fields which expediently have field strengths of more than 10 A / cm, aligns both the ferromagnetic alloy articles and the ferromagnetic dielectric powder particles.
  • the losses can be greatly reduced and the permeability of the soft magnetic core and thus the inductance of the inductive component can be increased.
  • a cast resin powder formulation is used, to achieve higher permeabilities of the soft magnetic core, it is advantageous to generate a magnetic field with the coil lying in the mold as soon as the cast resin powder formulation is filled, which leads to an orientation of the alloy particles and the dielectric powder particles in the direction of the magnetic flux causes.
  • the mold After the mold is completely filled, it is first set to vibrate, which in turn can be done, for example, by the compressed air vibrator mentioned above and then the magnetizing current is switched off. After the casting resin formulation has finally hardened, the resulting inductive component is then removed from the mold.
  • the figure shows an inductive component according to the present invention in cross section.
  • the figure shows an inductive component 10.
  • the inductive component 10 consists of a soft magnetic core 11 and a winding 12, which consists of relatively thick copper wire with few turns.
  • the figure shows the component 10 during manufacture.
  • the component 10 is introduced into a mold 1, which here consists of aluminum.
  • the winding 12 is a layer winding bobbin, at the winding ends of which are connected with pins 13.
  • the pins 13 protrude from the soft magnetic core 11 and are used for connection to a base plate, for example a printed circuit board.
  • Form 1 shown also serves as housing 14.
  • Starting material for the powder composite material is an initially amorphous alloy of the composition F ⁇ 73, 5 u l Nl:> 3 s IL5, 5 B 7 'which has been using the technology Rascherstarrungs- in the form of thin metal strips prepared. It is once again expressly noted that these production processes are explained in detail, for example, in EP 0 241 657 A2.
  • alloy strips are then subjected to a heat treatment under hydrogen or in a vacuum at a temperature of approximately 560 ° C. in order to set a nanocrystalline structure.
  • a heat treatment under hydrogen or in a vacuum at a temperature of approximately 560 ° C. in order to set a nanocrystalline structure.
  • the alloy strips were crushed to the desired final fineness using a mill.
  • the resulting alloy particle sizes typical for these processes were approximately between 0.01 and 0.04 mm in thickness and between 0.04 and 1.0 mm in dimension in the other two dimensions.
  • the alloy particles thus produced which are also called flakes, have now been provided with a surface coating in order to improve their dynamic magnetic properties.
  • a targeted surface oxidation of the alloy particles is first carried out by a heat treatment in the
  • a HQi-quality carbonyl iron powder was then provided by BASF.
  • the carbonyl iron powder had a grain size of less than 5 ⁇ m.
  • the surface oxidized alloy powder and carbonyl iron powder were then mixed together in a weight ratio of approximately 7: 3, i.e. about 7 kg of alloy powder was blended with about 3 kg of carbonyl iron powder.
  • the two powders were homogenized in a suitable mixer and then filled into the desired shape.
  • Form 1 which was made of aluminum, had a suitable separating coating on its inner wall, so that it was not possible for the inductive component 10 to be demolded more difficultly.
  • An electrical current was then passed through the winding 12, so that the ferromagnetic alloy particles and the ferromagnetic dielectric powder particles were aligned with their “long axes” parallel to the resulting magnetic field, which was approximately 12 A / cm.
  • a cast resin formulation was then poured into the filled mold.
  • the cast resin formulation used consisted of a thermoplastic methacrylate formulation with a silane coupling agent.
  • This thermoplastic methacrylate formulation had the following composition: 100 g methyl methacrylate 2 g methacryl trimethoxysilane 6 g dibenzoyl peroxide and 4.5 g N, N-dimethyl-p-toluidine
  • the chemical components were dissolved one after the other in methacrylic ether.
  • the finished mixture was water-clear and was poured into Form 1.
  • the cast resin formulation cured at room temperature in about 60 minutes. Then it was post-cured at about 150 ° C for another hour.
  • a magnetic core was achieved with a packing density of ferromagnetic material in the range of approximately 65 vol%.

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Abstract

Es wird ein induktives Bauelement (10) vorgestellt, dessen weichmagnetischer Kern (11) aus einem Pulververbundwekstoff besteht. Der Pulververbundwekstoff wird durch Mischen eines ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Legierungspulvers mit einem ferromagnetischen dielektrischen Pulver sowie einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer hergestellt. Durch die Verwendung eines dielektrischen ferromagnetischen Pulvers können im Gegensatz zu herkömmlichen spritzgegossenen oder vergossenen weichmagnetischen Kernen Packungsdichten von wesentlich mehr als 55 Vol% erzielt werden.

Description

Beschreibung
Induktives Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit zumindest einer Wicklung und einem weichmagnetischem Kern aus einem ferromagnetischen Material. Insbesondere betrifft die Erfindung induktive Bauelemente mit einem aus einem Pulververbundwerkstoff bestehenden weichmagnetischen Kern.
Weichmagnetische Pulververbundwerkstoffe als gepreßte Magnetkerne sind seit langer Zeit bekannt.
Zum einen sind gepreßte Pulververbundwerkstoffe aus Eisenpul- ver bekannt. Mit diesen Magnetkernen läßt sich der Permeabilitätsbereich von ca. 10 bis 300 gut abdecken. Die mit diesen Magnetkernen erreichbaren Sättigungsinduktionen liegen bei ca. 1,6 Tesla. Die Anwendungsfrequenzen sind wegen des vergleichsweise niedrigen spezifischen Widerstands und der Größe der Eisenpartikel typischerweise unter 50 kHz.
Des Weiteren sind gepreßte Pulververbundwerkstoffe aus weichmagnetischen kristallinen Eisen-Aluminium-Silzium- egierungen bekannt. Mit diesen können Anwendungsfrequenzen aufgrund des vergleichsweise höheren spezifischen Widerstands bis über 100 kHz erreicht werden.
Besonders gute Sättigungsinduktionen und Permeabilitäten können mit Pulververbundwerkstoffen erreicht werden, die auf kristallinen Nickel-Eisen-Legierungen basieren. Über die exakte Einstellung des Nickelgehaltes können Permeabilitäten bis in den Bereich von ca. 500 erreicht werden. Mit diesen sind ebenfalls aufgrund der vergleichsweise geringen Ummagne- tisierungsverluste Anwendungsfrequenzen bis über 100 kHz mög- lieh. Diese drei bekannten Pulververbundwerkstoffe können jedoch nur zu geometrisch sehr einfachen Formen verarbeitet werden, da die zur Verfügung stehenden Presstechnologien nur einen begrenzten Spielraum lassen. Insbesondere lassen sich ledig- lieh Ringkerne und/oder Schalenkerne herstellen.
Um diese Nachteile zu umgehen, ist es beispielsweise aus der DE 198 46 781 AI bekannt, weichmagnetische Legierungspulver über Spritzgußverfahren zu ferromagnetischen Pulververbund- Werkstoffen zu verarbeiten. Dabei werden insbesondere nano- kristalline Legierungen in einen spritzgießfähigen Kunststoff, insbesondere ein Polyamid, eingebettet und danach zu weichmagnetischen Kernen spritzgegossen.
Ferner ist es der Anmelderin bekannt, nanokristalline Legierungen mit Gießharzen zu ferromagnetischen Pulververbundwerkstoffen zu vergießen.
Sowohl das Spritzgußverfahren als auch das Gießverfahren mit Gießharzen weist den Nachteil auf, daß lediglich Packungsdichten in den Pulververbundwerkstoffen von ungefähr maximal 55 Volumen% in Bezug auf die verarbeiteten Legierungspulver erreicht werden. Dadurch ist die erreichbare Gesamtpermeabilität des induktiven Bauelements begrenzt. Ferner ist die er- reichbare Sättigungsinduktion des Pulververbundwerkstoffes limitiert. Durch die Begrenzung der Gesamtpermeabilität und der Sättigungsinduktion sind wiederum die Bauelementeigenschaften insbesondere bei Speicherdrosseln begrenzt. Ferner tritt durch die große innere Scherung dieser Pulververbund- Werkstoffe eine zusätzliche Erhöhung der Ummagnetisierungs- verluste durch Streufeldverluste auf, was ebenfalls von Nachteil ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Erhö- hung der Packungsdichte innerhalb des Pulververbundwerkstoffes zu erzielen. Damit verbunden ist es Aufgabe, die Erhöhung der effektiven Permeabilitäten und der erzielbaren Sätti- gungsinduktionen sowie die Reduzierung der Ummagnetisierungs- verluste bei den resultierenden induktiven Bauelementen zu erreichen.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein induktives
Bauelement mit zumindest einer Wicklung und einem weichmagnetischen Kern aus einem ferromagnetischen Pulververbundwerkstoff gelöst, der aus einem ferromagnetischen Legierungspulver aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung und einem ferromagnetischen dieleketrischen Pulver sowie einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer besteht.
Durch die Beimischung eines ferromagnetischen, dielektrischen Pulvers besteht die Möglichkeit, wesentlich höhere ferroma- gnetische Packungsdichten zu erzielen. Dies resultiert daraus, dass bei der Verwendung von ferromagnetischen Legierungspulvern aus amorphen oder nanokristallinen Legierungen bezüglich der Korngrößen der Legierungspulver Grenzen gesetzt sind. Die Legierungspulver lassen sich in der Regel nicht auf Körnungen < 0,04 mm zerkleinern, da es dann zu Gefügeänderungen in dem weichmagnetischen amorphen und nanokristallinen Material kommt und somit eine drastische Erhöhung der Koerzi- tivfeidstärken eintritt. Durch den dann erfolgten rapiden Anstieg der Koerzitivfeldstärke in dem ferromagnetischen Legie- rungspulver kommt es zu einer starken Erhöhung der Eisenverluste bei der dynamischen Magnetisierung.
Durch die Verwendung von dielektrischen ferromagnetischen Pulvern als Beimischung können die verbliebenen "Räume" zwi- sehen den einzelnen Legierungspartikeln "verfüllt" werden, da solche Pulver in wesentlich feineren Körnungen hergestellt werden können.
In einer Ausführungsform werden als ferromagnetische dielek- trische Pulver anorganische Pulver, beispielsweise Ferritpulver. Die Ferritpulver werden dabei typischerweise aus gesinterten Ferritteilen durch Mahlen in in geeigneten Mühlen her- gestellt. Insbesondere Mn-Zn-Ferrite (z. B. Ferrit N 27) haben sich aufgrund ihrer hohen Sättigungsinduktion als besonders geeignet erwiesen.
In einer anderen Ausführungsform werden oberflächenisolierte metallische Pulver verwendet. Insbesondere ferromagnetische Carbonylmetallpulver haben sich als hervorragend geeignet erwiesen. So ist die Verwendung von Carbonyleisenpulver, Car- bonylnickelpulver oder Carbonylcobaltpulver sowie Mischungen dieser Carbonylpulver sind denkbar.
Bei den Carbonyleisenpulvern handelt es sich um ein hochreines Eisenpulver, das über das „Carbonylverfahren" hergestellt wird. Dabei wird aus Eisenpulver und Kohlenmonoxid unter ho- hem Druck und bei hohen Temperaturen Eisenpentacarbonyl hergestellt. Das so hergestellte Eisencarbonyl wird danach mittels Vakuumdestillation von Verunreinigungen getrennt und dann gezielt in seine AusgangsSubstanzen Kohlenmonoxid und Eisen zersetzt.
Dabei entstehen Eisenpulver mit Korngrößen zwischen 0,5 und 10 μm. Durch die gezielte Einstellung der thermodynamisehen Zersetzungsparameter läßt sich die Körnung in gewissen Grenzen einstellen.
Das so entstandene hochreine feinkörnige Eisenpulver weist natürlich einen für Metalle üblichen, sehr niedrigen elektrischen Widerstand auf, was bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Eisenpulvers unerwünscht ist. Das Pulver wird daher anschließend oberflächenisoliert, beispielsweise oberflächen- phosphatiert .
Bei den Carbonylnickel- und Carbonylcobaltpulvern ist die Vorgehensweise analog.
Sowohl den Ferritpulvern als auch den oberflächenisolierten Metallpulvern liegt die Gemeinsamkeit zugrunde, unproblema- tisch in Pulverpartikelgrößen hergestellt werden zu können, die kleiner als 10 μm sind. Besonders gute Ergebnisse erzielt man mit dielektrischen ferromagnetischen Pulvern, deren Pulverpartikel kleiner 5 μm sind.
Die verwendeten Pulver nach der vorliegenden Erfindung sind demnach dielektrisch, womit hier gemeint ist, dass sie keine merkliche elektrische Volumen- oder Oberflächenleitfähigkeit aufweisen. Dadurch wird das Entstehen zusätzlicher Wirbel- strompfade von vornherein vermieden.
Die verwendeten Pulver weisen vorzugsweise eine Dichte auf, die in etwa der Dichte der verwendeten amorphen oder nanokristallinen Legierungen entspricht. Dadurch wird das Entstehen von Trenneffekten beim Vermischen der Pulver mit den Legierungspulvern vermieden. Es ist jedoch auch möglich, Pulver zu verwenden, die im Vergleich zu den verwendeten Legierungspulvern eine stark unterschiedliche Dichte aufweisen. Dann muss jedoch beim Verdichten der Mischung besondere Sorgfalt ver- wendet werden.
Vorzugsweise werden für die Legierungspulver nanokristalline Legierungen verwendet, wie sie beispielsweise eingehend in der EP 0 271 657 A2 oder in der EP 0 455 113 A2 beschrieben sind. Solche Legierungen werden mittels der dort beschriebenen Schmelzspintechnologie typischerweise in Form von dünnen Legierungsbändern hergestellt, die anfänglich amorph sind, und dann zum erzielen des nanokristallinen Gefüges einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Es sind jedoch auch amorphe Kobaltbasislegierungen verwendbar.
Die Legierungen werden zu Legierungspulvern mit einer durchschnittlichen Partikelgröße < 2mm vermählen. Optimal sind Dicken von 0,01 bis 0,04 mm und Abmessungen in den beiden an- deren Dimensionen von 0,04 bis 1,0 mm. Zu elektrischen Isolation der Legierungspartikel untereinander werden die Legierungspartikel oberflächenoxidiert. Dies kann einerseits dadurch bewirkt werden, dass die gemahlenen Legierungspartikel in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oxidiert werden. Es kann jedoch die Oberflächenoxidation auch über eine Oxidation des Legierungsbandes vor dem Vermählen zu einem Legierungspulver hergestellt werden.
Zur weiteren Verbesserung der Isolierung der Legierungsparti- kel untereinander können diese mit einem Kunststoff, beispielsweise einem Silan oder Metallalkyl-Verbindung beschichtet werden, wobei die Beschichtung bei Temperaturen zwischen 80°C und 200°C während einer Dauer von 0,1 bis 3 Stunden vorgenommen wird. Durch diese Vorgehensweise wird die Beschich- tung in die Legierungspartikel "eingebrannt" .
Da so vorbereitete Legierungspulver wird dann in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit den dielektrischen ferromagnetischen Pulver im gewünschten Verhältnis ver- mischt und anschließend in einem beheizbaren Schaufelmischer mit einem Spritzgußpolymer als Bindemittel vermischt. Als Spritzgußpolymer kommt insbesondere Polyamid 11 (z. B. Ril- san) in Betracht. Bei Bedarf kann die Rezeptur durch weitere Additive wie z. B. Fließverbesserer oder Antioxidantien im Rahmen der vom Hersteller des jeweiligen Produktes empfohlenen Rahmen variiert werden. Das Material wird aufgeschmolzen, homogenisiert und anschließend unter Kühlen granuliert. Die so vorbereitete Masse ist dann auf den üblichen, zur Verarbeitung von mit Metallpartikeln hochgefüllten Massen ausge- legten Spritzgießmaschinen verarbeitbar. Die Einstellung der Spritzparameter erfolgt abhängig vom konkret verwendeten Maschinentyp und dem herzustellenden Formling.
In einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfin- düng, die besonders bevorzugt ist, wird die Mischung aus Legierungspulver und dielektrischem ferromagnetischem Pulver mit einem Gießharz vergossen. Dabei kommt insbesondere ein Polyamid oder Polyacrylat in Betracht.
Dabei wird in einer ersten Alternative mit folgenden Verfah- rensschritten vorgegangen:
a) Bereitstellen einer Form, eines Legierungspulvers, eines dielektrischen Pulvers und einer Gießharzformulierung; b) Befüllen der Form mit dem Legierungspulver und dem dielek- trischen Pulver; c) Einfüllen der Gießharzformulierung in die Form; und d) Aushärten der Gießharzformulierung.
In einer zweiten alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird mit folgenden Verfahrensschritten vorgegangen:
a) Bereitstellen einer Form, eines Legierungspulvers und eines dieelektrischen Pulvers sowie einer Gießharzformulierung; b) Vermischen des Legierungspulvers und des dielektrischen
Pulvers sowie der Gießharzformulierung zu einer Gießharzpulverformulierung; c) Einfüllen der Gießharzpulverformulierung in die Form; und d) Aushärten der Gießharzpulverformulierung.
Im Gegensatz zum weiter oben erwähnten Spritzgußverfahren werden dadurch die Legierungspartikel keiner mechanischen Belastung beim Herstellungsprozeß ausgesetzt. Des Weiteren wird auch insbesondere bei Verwendung einer mit vorgefertigten Wicklungen bestückten Form, die auf den Wicklungsdrähten aufgebrachte Isolationsschicht nicht beschädigt, da durch das Einfüllen der möglichst niedrig viskosen Gießharzformulierung bzw. Gießharzpulverformulierung in die Form aufgrund des sanften Einleitens der Formulierungen diese aufgebrachten Isolationsschichten nicht beschädigt werden. Besonders bevorzugt sind Gießharzformulierungen mit Viskositäten von einigen wenigen Millipascalsekunden.
bereitgestellt, das insbesondere auch im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten Spritzgußverfahren erhebliche Vereinfachungen bringt. Bei dem eingangs erwähnten Spritzgußverfahren ist immer eine Form, die noch dazu sehr aufwendig und teuer herzustellen ist, notwendig, die niemals als "verlorene Schalung" dienen kann.
Als Gießharzformulierungen werden typischerweise Polymerbausteine, die mit einem Polymerisationsinitiator (Starter) ver- mengt sind, verwendet. Insbesondere kommen als Polymerbausteine Methacrylsäuremethylesther in Betracht. Es sind jedoch auch andere Polymerbausteine denkbar, beispielsweise Lactame. Die Methacrylsäuremethylesther werden beim Aushärten dann zu Polyacryl polymerisiert . Analog werden die Lactame über eine Polyadditionsreaktion zu Polyamiden polymerisiert.
Als Polymerisationsinitiatoren kommen Dibenzoylperoxid in Betracht oder auch beispielsweise 2, 2 λ -Azo-Isobuttersäure- Dinitryl .
Es sind jedoch auch andere Polymerisationsprozesse der bekannten Gießharze möglich, beispielsweise Polymerisationen, die über Licht oder UV-Strahlung ausgelöst werden, dass heißt also weitgehend ohne Polymerisationsinitiatoren auskommen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Mischungen aus dem ferromagnetischen Legierungspulver und dem dielektrischen Pulver während und/oder nach dem Befüllen der Form mit der Pulvermischung durch Anlegen eines Magnetfeldes ausgerichtet. Dies kann insbesondere bei der Verwendung von Formen, die bereits mit einer Wicklung bestückt sind, durch Durchleiten eines Stroms durch die Wicklung und dem damit einhergehenden Magnetfeld geschehen. Durch dieses Anlegen von Magnetfeldern, die zweckmäßigerweise Feldstärken von mehr als 10 A/cm aufweisen, werden sowohl die ferromagnetischen Legierungsartikel als auch die ferromagnetischen dielektrischen Pulverpartikel ausgerichtet. Insbesondere ist es von Vorteil, die ferromagnetischen Partikel die formanisotrop sind, entlang der Magnetfeldlinien, die im später betriebenen induktiven Bauelement vorliegen, auszurichten. Insbesondere durch die Ausrichtung der Legierungspartikel mit ihrer "langen" Achse parallel zu den Magnetfeldlinien kann eine starke Absenkung der Verluste und eine Erhöhung der Permeabilität des weichmagnetischen Kerns und damit der Induktivität des induktiven Bauelements erzielt werden.
Im Fall der Verwendung einer Gießharzpulverformulierung ist es zum Erzielen höherer Permeabilitäten des weichmagnetischen Kerns von Vorteil, bereits beim Einfüllen der Gießharzpulverformulierung ein Magnetfeld mit der in der Form liegenden Spule zu erzeugen, welches zu einer Orientierung der Legierungspartikel und der dielektrischen Pulverpartikel in Richtung des magnetischen Flusses bewirkt.
Nachdem die Form vollständig gefüllt ist, wird diese zunächst in Schwingungen versetzt, was wiederum beispielsweise durch den oben erwähnten Pressluftvibrator erfolgen kann und anschließend der Magnetisierungsstrom abgeschaltet. Nach der endgültigen Aushärtung der Gießharzformulierung wird dann das resultierende induktive Bauteil entformt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei- spiels und der beigefügten Zeichnung erläutert.
Die Figur zeigt dabei ein induktives Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
Die Figur zeigt ein induktives Bauelement 10. Das induktive Bauelement 10 besteht aus einem weichmagnetischen Kern 11 und einer Wicklung 12, die aus relativ dickem Kupferdraht mit we- nigen Windungen besteht. Die Figur zeigt das Bauelement 10 während der Herstellung. Das Bauelement 10 ist in eine Form 1, die hier aus Aluminium besteht, eingebracht. Die Wicklung 12 ist ein Lagenwickel-Spulenkörper, an dessen Wicklungsenden mit Stiften 13 verbunden sind. Die Stifte 13 ragen aus dem weichmagnetischen Kern 11 heraus und dienen zum Anschluß an eine Bodenplatte, beispielsweise eine Leiterplatte. Die gezeigte Form 1 dient gleichzeitig als Gehäuse 14.
Ausgangsmaterial für den Pulververbundwerkstoff ist eine zunächst amorphe Legierung der Zusammensetzung Fβ73 , 5 ulNl:>3sil5, 5B7 ' welche mittels der Rascherstarrungs- technologie in Form von dünnen Metallbändern hergestellt wurde. Es wird noch einmal ausdrücklich angemerkt, daß diese Herstellungsverfahren beispielsweise in der EP 0 241 657 A2 eingehend erläutert sind.
Diese Legierungsbänder erfahren dann zur Einstellung eines nanokristallinen Gefüges eine Wärmebehandlung unter Wasserstoff oder im Vakuum bei einer Temperatur von ungefähr 560°C. Im Anschluß an diese Kristallisationsbehandlung wurden die Legierungsbänder mit einer Mühle bis zur gewünschten Endfeinheit zerkleinert. Die für diese Verfahren typischen resultierenden Legierungspartikelgrößen lagen etwa in der Dicke zwischen 0,01 und 0,04 mm und in den Abmessung in den beiden anderen Dimensionen zwischen 0,04 und 1,0 mm.
Die so hergestellten Legierungspartikel, die auch Flakes genannt werden, wurden nun zur Verbesserung ihrer dynamischen magnetischen Eigenschaften mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Dazu erfolgt zunächst eine gezielte Oberflächenoxi- dation der Legierungspartikel durch eine Wärmebehandlung im
Temperaturbereich zwischen 400°C und 540°C für eine Zeitdauer zwischen 0,1 und 5 Stunden. Im Anschluß an diese Behandlung war die Oberfläche der Legierungspartikel mit einer abriebfesten Schicht aus Eisen und Siliziumoxid mit einer typischen Schichtdicke von etwa 150 bis 400 nm bedeckt. Im Anschluß an diese Oberflächenoxidation erfolgt die Beschichtung der Legierungspartikel mit einem Silan in einem Wirbelbett-Coater . Danach wurde die Schicht bei Temperaturen zwischen 80°C und 200°C während einer Zeit von 0,1 bis 3 Stunden "eingebrannt".
Danach wurde ein Carbonyleisenpulver der Qualität HQi von der Firma BASF bereitgestellt. Das Carbonyleisenpulver hatte dabei eine Körnung von weniger als 5 μm. Das oberflächenoxi- dierte Legierungspulver und das Carbonyleisenpulver wurden daraufhin in einem Gewichtsverhältnis von ungefähr 7:3 miteinander vermischt, d.h. ungefähr 7 kg Legierungspulver wurden mit ungefähr 3 kg Carbonyleisenpulver vermengt.
Die beiden Pulver wurden dabei in einem geeigneten Mischer homogenisiert und dann in die gewünschte Form gefüllt.
Das so vorbereitete Pulvergemisch wurde dann in die Form 1 gefüllt. Die aus Aluminium bestehende Form 1 wies dabei an ihrer Innenwandung eine geeignete Trennbeschichtung auf, so dass es nicht zu einer erschwerten Entformung des induktiven Bauelements 10 kommen konnte. Danach wurde durch die Wicklung 12 ein elektrischer Strom geleitet, so dass die ferromagnetischen Legierungspartikel und die ferromagnetischen dielektri- sehen Pulverpartikel sich mit ihren "langen Achsen" parallel zu dem dabei entstehenden Magnetfeld, das ungefähr 12 A/cm betrug, ausrichtete.
Danach wurde in die befüllte Form eine Gießharzformulierung eingefüllt.
Die verwendete Gießharzformulierung bestand aus einer thermoplastischen Methacrylatformulierung mit einem Silan- Haftvermittler . Diese thermoplastische Methacrylatformulie- rung hatte folgende Zusammensetzung: 100 g Methacrylsäuremethylester 2 g Methacryltrimethoxysilan 6 g Dibenzoylperoxid und 4,5 g N, N-Dimethyl-p-Toluidin
Die chemischen Bestandteile wurden dabei nacheinander im Methacrylesther gelöst. Die fertige Mischung war wasserklar und wurde in die Form 1 gegossen. Die Gießharzformulierung härtete bei Raumtemperatur innerhalb von ca. 60 Minuten aus. Anschließend wurde sie bei ca. 150°C für eine weitere Stunde nachgehärtet .
Es wurde ein Magnetkern erzielt mit einer Packungsdichte an ferromagnetischem Material im Bereich von ungefähr 65 Vol%.

Claims

Patentansprüche
1. Induktives Bauelement mit zumindest einer Wicklung und einem weichmagnetischen Kern aus einem ferromagnetischen Pul- ververbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Pulververbundwerkstoff aus einem ferromagnetischen Legierungspulver aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung und einem ferromagnetischen die- lektrischen Pulver besteht sowie einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer.
2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ferromagnetisches dielektrisches Pulver ein ferromagnetisches anorganisches Pulver vorgesehen ist.
3. Induktives Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als anorganisches Pulver ein Ferritpulver vorgesehen ist.
4. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ferromagnetisches dielektrisches Pulver ein oberflächenisoliertes metallisches Pulver vorgesehen ist.
5. Induktives Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als oberflächenisoliertes metallisches Pulver ein ferromagnetisches Carbonylmetallpulver oder eine Mischung aus verschiedenen ferromagnetischen Carbonylmetallpulvern vorgesehen ist.
6. Induktives Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als ferromagnetisches Carbonylmetallpulver Carbonylei- senpulver oder Carbonylnickelpulver oder Carbonylcobaltpulver vorgesehen ist.
7. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische ferromagnetische Pulver aus Pulverpartikeln mit einer durchschnittlichen Pulverpartikelgröße < 10 μ besteht.
8. Induktives Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische ferromagnetische Pulver aus Pulverpartikeln mit einer durchschnittlichen Pulverpartikelgröße < 5 μm besteht.
9. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphe oder nanokristalline Legierungspulver aus Legierungspartikeln mit einer durchschnittlichen Partikelgröße < 2 mm besteht.
10. Induktives Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittlichen Legierungspartikeldicken zwischen 0,04 mm und 0,5 mm betragen.
11. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungspartikel oberflächenoxidiert sind.
12. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungspartikel mit einem Kunststoff beschichtet sind.
13. Induktives Bauelement nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff ein Silan vorgesehen ist.
14. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulververbundwerkstoff eine Sättigungsmagnetisierung Bs > 0,5 Tesla und eine Permeabilität 10 < μ < 200 aufweist.
15. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulververbundwerkstoff vergossen ist und als Polymer ein Gießharz vorgesehen ist.
16. Induktives Bauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Gießharz ein monomeres oder oligomeres Harz vorgesehen ist, aus dem ein Polyamid, ein Polyacrylat oder ein Poly- butylenterephtalat aufgebaut wird.
17. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulververbundwerkstoff spritzgegossen ist und als Polymer ein Spritzgußpolymer vorgesehen ist.
18. Induktives Bauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzgußpolymer ein Polyamid vorgesehen ist.
19. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Bauelement ein Gehäuse aufweist.
20. Verfahren zum Herstellen eine induktiven Bauelements nach einem der Ansprüche 15 oder 16, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Form, eines Legierungspulvers, eines dielektrischen Pulvers und einer Gießharzformulierung; b) Befüllen der Form mit dem Legierungspulver und dem dielektrischen Pulver; c) Einfüllen der Gießharzformulierung in die Form; und d) Aushärten der Gießharzformulierung.
20. Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements nach einem der Ansprüche 14 oder 15, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Form, eines Legierungspulvers, eines dielektrischen Pulvers und einer Gießharzformulierung; b) Vermischen des Legierungspulvers, des dielektrischen Pulversund und der Gießharzformulierung zu einer Gießharzpulverformulierung; c) Einfüllen der Gießharzpulverformulierung in die Form; und d) Aushärten der Gießharzpulverformulierung.
21. Verwendung von ferromagnetischen Carbonylmetallpulvernzur Herstellung von weichmagnetischen Kernen induktiver Bauelemente .
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