EP1444706A1

EP1444706A1 - Induktives bauelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: EP1444706A1
Application number: EP02785387A
Authority: EP
Inventors: Markus Brunner
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: DE50213224D1; JP2005510049A; EP1444706B1; US20040074564A1; DE10155898A1; WO2003043033A1; US7230514B2

Abstract

Induktives Bauelement (10; 20; 30) mit zumindest einer Wicklung (12; 22; 32) und einem weichmagnetischen Kern (11; 21; 31) aus einem ferromagnetischen Pulververbundwerkstoff, bei dem der ferromagnetische Pulververbundwerkstoff eine Legierungspulvermischung aus Legierungspulvern mit formanisotropen sowie formisotropen Pulverpartikeln Und ein Giessharz aufweist.

Description

Beschreibung

Induktives Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit zumindest einer Wicklung und einem weichmagnetischen Kern aus einem ferromagnetisehen Pulververbundwerkstoff.

Weichmagnetische Pulverwerkstoffe als gepresste Magnetkerne oder als gegossene oder spritzgegossene Magnetkerne sind seit langem bekannt. Als für diese Anwendung geeignete Legierungen kommen Eisenpulver, Eisenlegierungspulver wie insbesondere FeSi oder FeAlSi-Legierungen sowie verschiedene NiFe- Legierungen infrage .

Neben diesen kristallinen Legierungen werden bekannterweise auch amorphe oder nanokristalline Legierungen auf Fe- oder Co-Basis verwendet.

Beispielsweise aus der JP 321934, JP 321935, JP 321936, JP 321933, JP 137431 oder der JP 00590501 sind kunststoffgebundene Verbundwerkstoffe aus weichmagnetischen Materialien und thermoplastischen bzw. duroplastisehen Werkstoffen bekannt, die als Pressteil, Spritzgussteil oder als druckloser Guss verarbeitet werden. Die Verwendung von formanisotropen magne- tischen Partikeln und das Herstellen von Verbundteilen erhöhter Permeabiltät aus diesen Partikeln unter Ausrichtung der Partikel durch Anwendung von Druck, gerichtetem Fliesen sowie äußeren magnetischen Feldern ist beispielsweise in der JP 240635, JP 55061706, JP 181177, JP 11240635, JP 06309059 oder JP 10092585 beschrieben.

Die Verwendung von magnetischen Pulvern in Kombination mit feinsten keramischen Partikeln als isolierende Abstandshalter ist in der JP 241658 offenbart. Die Verwendung von magnetischen Pulvern deutlich unterschiedlicher Partikelgrδße (2 - 3 Fraktionen) zur Optimierung der Packungsdichte bei drucklosem Verguss ist der JP 11101906, JP 242400 oder JP 11218256 zu entnehmen. Aus der DE 333 4827 oder DE 245 2252 ist es bekannt, eine Spule mit einer weichmagnetisches Material enthaltenen Masse zu umgießen. Schließlich lehrt die JP 05022393 die Verwendung von Legierungspulvern unterschiedlicher Dukti- lität zur Optimierung der Pressdichten.

Für den Einsatz als Drosselwerkstoff ist es wünschenswert Magnetkerne hoher Permeabilität ( μ > 40) und Gleichstromvorbelastbarkeit ( B₀ > 0,2 T) herzustellen. Die Gleichstromvorbelastbarkeit ist ein Maß für die im Magnetwerkstoff gespeicherte Energie (Zur Definition der Gleichstromvorbelastbarkeit siehe R. Boll: "Weichmagnetische Werkstoffe" Siemens AG, 1990 S. 114f) .

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Der übliche Fertigungsweg ist ^das Pressen von Kernen in entsprechenden Werkzeugen zum Beispiel mit Ringkern- oder E- Kern-Form. Zum Verdichten der Magnetpulverlegierungen sind dabei Drücke im Bereich von ca. 5 - 15 t/cm² erforderlich. Im

20 Anschluss an die Formgebung ist bei den meisten Legierungen eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich oberhalb 500°C zur Wiederherstellung der guten weichmagnetischen Eigenschaften erforderlich. Diese beiden Verfahrensschritte, die Formgebung unter hohem Druck und die anschließende Wärmebehandlung - ma- 5 chen es praktisch unmöglich, auf diesen Wege Bauelemente mit einer vom Magnetmaterial umhüllten Spule herzustellen.

Für die Fertigung solcher Bauelemente eignet sich praktisch ausschließlich ein Gieß- oder Spritzgießverfahren. Mit derar- 0 tigen Verfahren werden jedoch nur vergleichsweise niedrige

Packungsdichten im Bereich vom maximal 70 Volumenprozent Magnetmaterial erreicht. Damit verbunden sind typische Permeabilitäten des Werkstoffes im Bereich um ca. 10 - 20. Um hier die Permeabilität zu erhöhen, ist es möglich, durch 35 Pulvermischungen mit Pulverpartikeln unterschiedlichen Durchmessers eine Erhöhung der Packungsdichte und damit eine Verringerung des effektiven Luftspaltes zwischen den Einzelpar- tikeln zu erreichen . Durch diese Maßnahme lassen sich j edoch auch nur Permeabilitäten bis ca . 40 errreichen .

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von formanisotropen Partikeln und anschließender Ausrichtung im Magnetfeld hier lassen sich die effektiven Luftspalte zwischen den Einzelpartikeln durch die große Überlappung der Partikel zum Teil kompensieren .

Der letzten Variante sind j edoch auch enge Grenzen gesetzt , da zum einen die Fließfähigkeit der Mischung sichergestellt werden muss und zum anderen die Ausrichtung der formanisotropen Partikeln im Magnetfeld nicht sehr effektiv gestaltet werden kann . Die Kraftwirkung, die durch ein äußeres magneti- sches Feld an den Partikeln erzielt werden kann, ist äußerst begrenzt , da lediglich die Formanisotropie der Partikel zum Ausrichten verwendet werden kann .

Diese Ausrichtung ist bei weitem nicht so effektiv wie die zum Beispiel bei Dauermagnet legierungen mögliche Ausrichtung über die Kristallanisotropie der Magnetpulverpartikel . Dies hat zur Konsequenz , dass eine Ausrichtung formanisotroper Partikel durch magnetische Felder in hochviskosen Spritzgussmassen praktisch unmöglich wird und in Gießmassen mit ver- gleichsweise niederviskosen Gießharzen nur eine sehr mäßige Ausrichtung der Pulverpartikel erreicht werden kann. Über den größten Teil des Bauelementevolumens sind daher diese formanisotropen Partikel auch nach der Ausrichtung durch magnetische Felder quasi statisch verteilt . Es ist dabei nicht zu vermeiden, dass sich auch ein merklicher Anteil der Magnetpulverpartikel mit seiner Flächennormalen parallel zur Magnetisierungsrichtung im Bauelement stellt und somit zur Magnetisierung im Bauelement praktisch nicht mehr beiträgt .

Dieser Verlust an magnetisierbarem Material macht sich insbesondere in der erreichen Sättigungsinduktion bzw. Gleichfeld- vorbelastbarkeit bei Verwendung von formanisotropen Partikeln in Magnetpulvermischungen bemerkbar. Es werden zwar vergleichsweise hohe Permeabilitäten bis in den Bereich von mehreren Hundert erreicht, die Gleichfeldvorbelastbarkeit bleibt jedoch sehr begrenzt (typischerweise < 0,2 T) . 5

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein induktives Bauelement sowie ein Verfahren zur dessen Herstellung anzugeben, dass eine Umhüllung vorgefertigter Spulen mit weichmagnetischem Material erlaubt, wobei dieses Material vergleichsweise hohe L0 Permeabilitäten (μ > 40) bzw. eine hohe Gleichfeldvorbelastbarkeit (B₀ > 0,3 T) zulässt.

Die Aufgabe wird durch ein induktives Bauelement gemäß Patentanspruch 1 bzw. ein Verfahren zur dessen Herstellung ge- 5 maß Patentansprüchen 18 und 19 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Vorteil der Erfindung ist es, dass induktive Bauelemente mit 0 universeller Formgebung und hoher Packungsdichte bei hoher

Permeabilität (μ > 40) und hoher Gleichfeldvorbelastbarkeit ( B₀> 0,3 T) geschaffen werden können.

Erreicht wird dies im einzelnen bei einem induktiven Bauele- 5 ment der eingangs genannten Art dadurch, dass der ferromagne- .tische Pulververbundwerkstoff eine Legierungspulvermischung aus je einem Legierungspulver mit formanisotropen sowie einem Legierungspulver mit formisotropen Pulverpartikeln und ein Gießharz aufweist. 30

Die Legierungspulvermischung weist dabei bevorzugt eine Koer- zitivfeidstärke von kleiner 150 mA/cm, eine Sättigungsmagne- tostriktion und eine Kristallanisotropie von annähernd Null, eine Sättigungsinduktion > 0,7 T sowie einen spezifischen e- 35 lektrischen Widerstand von größer 0,4 Ohm*mm²/m auf. Die formanisotropen Pulverpartikel können dabei sowohl Flakes aus amorphen oder nanokristallinen Legierungen al auch ellipti- sehe Teile aus kristallinen Legierungen mit einem Aspektverhältnis größer l,5umfassen. Bevorzugt haben die formanisotropen Pulverpartikel dabei einen Partikeldurchmesser von 30 - 200 μm. Sowohl die formanisotropen als auch die formisotropen 5 Pulverpartikel können darüber hinaus oberflächenisoliert sein. Die Oberflächenisolierung kann beispielsweise durch 0- xidation und/oder durch Behandlung mit Phosphorsäure erzeugt werden.

L0 Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Legierungspulvermischung neben dem anisotropen Legierungspulver zwei formisotrope Legierungspulver aufweist, von denen ein Legierungspulver grobe Partikel mit einem Partikel- durchmesser von 30 - 200 μm und das andere Legierungspulver 5 feine Partikel mit einem Partikeldurchmesser unter 10 μm aufweist . Der Anteil von Legierungspulver mit formanistropen Partikeln 5 - 65 Volumenprozent, dass Legierungspulver mit groben formisotropen Partikeln 5 - 65 Volumenprozent und das Legierungspulver mit feinen formisotropen Partikeln 25 - 30 0 Volumenprozent der Legierungspulvermischung beträgt.

Die formisotropen Pulverpartikel können Carbonyleisen enthalten. Die formanisotropen Pulverpartikel können FeSi- Legierungen und/oder FeAlSi-Legierungen und/oder FeNi- 25 Legierungen und/oder amorphe oder nanokristalline Fe- oder .Co-Basis-Legierungen enthalten.

Vorzugsweise weist das Gießharz eine Viskosität kleiner 50 mPas im unausgehärteten Zustand und eine Daueranwendungs- 30 temperatur von mehr als 150°C im ausgehärteten Zustand auf.

Als Gießharz kommt beispielsweise ein Harz aus der Gruppe der Epoxide, der epoxidierten Polyurethane, der Polyamide sowie der Methacrylatester infrage.

35 Der Anteil der Legierungspulvermischung liegt vorzugsweise bei 70 - 75 Volumenprozent, der Anteil des Gießharzes bei 25 -30 Volumenprozent. Der Pulververbundwerkstoff kann zudem einen Zusatz von Fließhilfsmitteln beispielsweise auf Kieselsäurebasis enthalten.

Schließlich kann das induktive Bauelement ein Gehäuse aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements mit zumindest einer Wicklung und einem weich- magnetischen Kern aus einem ferromagnetischen Pulververbundwerkstoff ist in einer ersten Ausführungsform durch die folgenden Schritte gekennzeichnet :

a) Bereitstellen einer Form, einer Legierungspulvermischung und einer Gießharzformulierung; b) Befüllen der Form mit der Legierungspulvermischung; c) Einfüllen der Gießharzformulierung in die Form; und d) Aushärten der Gießharzformulierung.

In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements mit zumindest einer Wicklung und einem weichmagnetischen Kern aus einem ferromagnetischen Pulververbundwerkstoff durch folgende Schritte gekennzeichnet:

,a) Bereitstellen einer Form, einer Legierungspulvermischung und einer Gießharzformulierung; b) Vermischen der Legierungspulvermischung und der Gießharzformulierung zu einer Gießharzpulverformulierung; c) Einfüllen der Gießharzpulverformulierung in die Form; und d) Aushärten der Gießharzpulverformulierung .

Durch diese Vorgehensweise wird im Unterschied zum Spritzgussverfahren vermieden, dass die Pulverpartikel einer mecha- nisehen Belastung beim Herstellungsprozess ausgesetzt werden . Des weiteren wird auch insbesondere bei Verwendung einer mit einer vorgefertigten Wicklungen bestückten Form, die auf den Wicklungsdrähten aufgebrachte Isolationsschicht nicht beschädigt, da das Einfüllen der möglichst niedrigviskosen Gießharzformulierung bzw. Gießharzpulver-Formulierung in die Form aufgrund des sanften Einleitens der Formulierungen diese nicht beschädigt. Besonders bevorzugt sind Gießharzformulie- rungen mit Viskositäten von einigen wenigen Millipascalsekun- den.

In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, insbesondere beim Erzielen von großen Füllhöhen in der Form, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Legierungspulvermischung bereits vor dem Einfüllen in die Form mit der Gießharzformulierung vermischt wird. Bei dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann mit einem kleinen Ubersehuss an Gießharz gearbeitet werden, der die Fließfähigkeit der dann hergestellten Gießharzpulver-Formulierung begünstigt . Beim Einfüllen in die Form wird dann die Form durch eine geeignete Einrichtung, beispielsweise einem Pressluft- vibrator in Schwingungen versetzt, was dazu führt, dass die Gießharzpulverformulierung gut durchmengt wird. Gleichzeitig wird die Gießharzpulverformulierung entgast.

Da das Legierungspulver im Vergleich zum Gießharz eine sehr hohe Dichte aufweist, setzt sich das Legierungspulver in der Form problemlos ab, so dass der verwendete Gießharzuberschuss beispielsweise in einem Anguss gesammelt werden kann, welcher nach dem Aushärten des Pulververbundwerkstoffs entfernt werden kann .

Durch die Verwendung von Formen, die mit vorgefertigten Wicklungen bereits bestückt sind, können in einem Arbeitsgang induktive Bauelemente hergestellt, werden, ohne dass später das sehr arbeitsaufwendige "Bewickeln" oder Aufbringen von vorgefertigten Wicklungen auf Teilkerne und anschließendes Zusam- mensetzen der Teilkerne zu Gesamtkernen erforderlich wäre. In einer bevorzugen Ausführungsform der Erfindung wird die Form, die mit dem Legierungspulver und der Gießharz- Formulierung befüllt wird oder die bereits mit einer vorgefertigten Gießharzpulverformulierung befüllt wird, als Gehäu-

5 se des induktiven Bauelements "weiterverwendet". Das heißt, dass in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Form als "verlorene Schalung" dient. Durch diese Vorgehensweise wird ein besonders effektives und kostengünstiges Verfahren bereitgestellt, das insbesondere auch im Gegensatz zu

.0 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.

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Bei den Spritzgussverfahren muss immer das hergestellte Bauelement bzw. der hergestellte weichmagnetische Kern aus Pulververbundwerkstoff aufwendig aus der Form entformt werden, was zu längeren Produktionszeiten führt. 0

Als Gießharzformulierungen werden typischerweise Polymerbausteine, die mit einem Polymerisationsinitiator (Starter) vermengt sind, verwendet. Insbesondere kommen als Polymerbausteine Methacrylsäuremethylester in Betracht. Es sind jedoch 5 auch andere Polymerbausteine denkbar, beispielsweise Lactame. Die Methacrylsäuremethylester werden beim Aushärten dann zu Polyacryl polymerisiert . Analog werden die Lactame über eine Polyadditionsreaktion zu Polyamiden polymerisiert.

0 Als Polymerisationsinitiatoren kommen Dibenzoylperoxid oder auch beispielsweise 2 , 2 ' -Azo-Isobuttersäure-dinitril in Betracht .

Es sind jedoch auch andere Polymerisationprozesse der bekann- 5 ten Gießharze möglich, beispielsweise Polymerisationen, die über Licht- oder UV-Strahlung ausgelöst werden, das heißt also weitgehend ohne Polymerisationsinitiatoren auskommen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Pulverpartikel während und/oder nach dem Befüllen der Form mit der Legierungspulvermischung durch Anlegen eines Magnet- feldes ausgerichtet. Dies kann insbesondere bei der Verwendung von Formen, die bereits mit einer Wicklung bestückt sind, durch Durchleiten eines Stroms durch die Wicklung und den damit einhergehenden Magnetfeld geschehen. Durch dieses Anlegen von Magnetfelder, die zweckmäßigerweise Feldstärken von mehr als 10 A/cm aufweisen, werden die Pulverpartikel ausgerichtet .

Insbesondere ist es von Vorteil, die Pulverpartikel, die formanisotrop sind, entlang der Magnetfeldlinien, die im später betriebenen induktiven Bauelement vorliegen, auszurichten. Durch die Ausrichtung der Pulverpartikel 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 induk- tiven Bauelementes erzielt werden.

Im Fall der Verwendung einer Gießharzpulverformulierung ist es zum Erzielen höherer Permeabilitäten des weichmagnetischen Kerns von Vorteil bereits beim Einfüllen der Gießharzpulver- formulierung mit der in der Form liegenden Spule ein Magnet- feld zu erzeugen, welches zu einer Orientierung der formanisotropen Pulverpartikel in Richtung des magnetischen Flusses wirkt. Nachdem die Form vollständig gefüllt ist, wird diese zunächst in Schwingungen versetzt, was wiederum beispielswei- se durch den oben erwähnten Pressluftvibrator erfolgen kann und anschließend der Magnetisierungsstrom abgeschaltet. Nach der endgültigen Aushärtung der Gießharzformulierung wird dann das resultierende induktive Bauelement entformt.

Schließlich erfolgt während und/oder nach dem Befüllen der Form mit der Legierungspulvermischung, Gießharzformulierung bzw. Gießharzpulverformulierung durch Rütteln ein Verdichten bzw. eine Sedimentation der Legierungspulvermischung.

Obwohl bereits einzelne erfindungsgemäße Maßnahmen die Eigen- Schäften induktiver Bauelemente der eingangsgenannten Art deutlich verbessern, sind Kombinationen verschiedener Maßnahmen besonders vorteilhaft. So lässt sich durch das zu wählende Mischungsverhältnis zwischen dem isotropen und anisotropen Anteil die erreichbare Permeabilität bzw. die erreichbare Gleichfeldvorbelastbarkeit steuern. Als formanisotrope Pulverpartikel lassen sich beispielsweise Flakes aus amorphen, nanokristallinen oder kristallinen Legierungen einsetzen sowie elliptische Partikel mit Aspektverhältnissen größer 1,5, wie sie beispielsweise durch entsprechend angepasste Gasver- düsungsverfahren erzeugt werden können. Als isotrope Mischungskomponente bietet sich -beispielsweise der Einsatz von Carbonyleisenpulvern an. Diese Pulver sind vorzugsweise oberflächenisoliert, so dass neben der Flussführung durch die feinen Magnetpulverpartikel zusätzlich ein isolierender Ef- fekt in der Pulvermischung auftritt. Diese feinen Pulverpartikel wirken in der Mischung als elektrisch isolierende Abstandshalter zwischen den größeren formanisotropen Pulverpartikeln.

Noch bessere Eigenschaften als beim Einsatz dieser binären Metallpulvermischungen werden durch die Verwendung ternärer Magnetpulvermischungen erreicht. Dazu wird vorzugsweise eine Kombination aus einerseits gröberen formanisotropen Pulverpartikeln mit Abmessungen im Bereich von 30 - 200 μm, vor- zugsweise 50 - 200 μm, in der lateralen Ausdehnung und einem Aspektverhältnis von größer 1,5 und andererseits eine zweite isotrope Pulverkomponente mit Partikelndurchmessern im Bereich von 30 - 200 μm mit sphärischer Partikelform und einer dritten isotropen Pulverkomponente mit Partikelndurchmessern im Bereich unter 10 μm verwendet. Letztere Pulverkomponente besteht vorzugsweise aus oberflächenisoliertem Carbonyleisen- pulver . Die ternäre Mischung mit gröberen sphärischen Pulverpartikeln zeichnet sich darüber hinaus durch eine deutlich verbesserte Fließfähigkeit der Gießmasse als die zuvor beschriebene binä- 5 re Pulvermischung aus Flakes und Feinpulver aus . Außerdem wird die Bewegung der Pulverpartikel im magnetischen Feld durch den erhöhten Anteil gröberer sphärischer Partikel wesentlich erleichtert. Hinsichtlich der gröberen Partikel sowohl der formisotropen als auch der formanisotropen Pulver-

L0 partikel ist ein sehr weites Legierungsspektrum anwendbar. Grundvoraussetzung für die Verwendung in dieser Pulvermischung ist eine Legierung mit möglichst niedriger Koerzitiv- feidstärke, verschwindend kleiner Sättigungsmagnetostriktion und Kristallanisotropie sowie ein möglichst hoher spezifi-

15 scher elektrischer Widerstand. Diese Voraussetzungen werden beispielsweise von FeSi-Legierungen, FeAlSi-Legierungs- pulvern, FeNi-Legierungspulvern sowie den amorphen und na- nokristallinen Fe- bzw. Co-Basis-Legierungspulvern erfüllt. Weiterhin ist es wichtig, ^' dass sämtliche erforderlichen Wär- 0 mebehandlungsschritte vor der Herstellung des Gießkerns abgeschlossen werden können. Dies ist bei den genannten Legierungen ebenfalls der Fall.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente lässt sich 25 beispielsweise eine Magnetpulvermischung aus einer Kombinati- .on von 5 - 65 Volumenprozent formanisotroper Pulverpartikel mit einem Aspektverhältnis größer 1,5 und einer Partikelgröße größer 30 μm als erste Komponente sowie einer gröberen isotropen Pulverkomponente mit Partikelndurchmessern größer 30 30 μm und einem Anteil von 5 - 65 Volumenprozent als zweite Komponente sowie die Carbonyleisenpulver mit einem Volumenanteil von 25 - 30 Volumenprozent als dritte Komponente verwenden. Aus den genannten Einzelkomponenten wird in einem geeigneten Mischer eine homogene Pulvermischung erzeugt . Um eine 35 Aglomeration der Feinpulveranteile zu verhindern, hat sich der Zusatz von Fließhilfsmitteln auf Kieselsäurebasis zu dieser Pulvermischung bewährt. Anschließend erfolgt beispiels- weise das Vermischen der so vorbereiteten Magnetpulvermischung mit der für den Verguss vorgesehenen Harzmischung. Die Auswahl der verwendbaren Harze richtet sich dabei sowohl nach den Eigenschaften im ausgehärteten als auch im unausge- härteten Zustand. Verwendbar sind Harze mit Viskositäten kleiner 50 mPas im unausgehärteten Zustand und Dauerwendungs- temperaturen oberhalb 150 °C im ausgehärteten Zustand. Diese Eigenschaften werden beispielsweise von Harzen aus der Gruppe der Epoxide, der epoxidierten Polyurethane sowie von ver- schiedenen Methacrylatestern erfüllt.

Die Herstellung der gießfähigen Mischung erfolgt dann durch Vermischen von 70 - 75 Volumenprozent Magnetpulvermischung und 25 - 30 Volumenprozent eines ausgewählten Harzes. Diese Mischung wird unter Rühren im Vakuum entgast und anschließend in die vorgesehene Vergussform, gefüllt . In der Form erfolgt durch mechanisches Rütteln ein Verdichten bzw. eine Sedimentation des Magnetpulvers und gleichzeitig durch ein äußeres magnetisches Feld oder aber durch Bestromen der eingelegten Kupferspule eine Ausrichtung des formanisotropen Anteiles des Magnetpulvers. Im Anschluss an das Ausrichten des formanisotropen Pulveranteils erfolgt die Aushärtung der Harze bei erhöhter Temperatur.

Mit der beschriebenen Technologie ist die Herstellung von Gießkernen im Permeabilitätsbereich zwischen ca. 20 und 100 problemlos möglich. Die erreichbare Permeabilität wird dabei durch die Größe der formanisotropen Partikel und deren Volumenanteil in der Gesamtpulvermischung bestimmt. Bezüglich der Gleichfeldvorbelastbarkeit werden Werte um 0,3 - 0,35 T erreicht. Die Ummagnetisierungsverluste so hergestellter Bauelemente bewegen sich etwa auf dem gleichen Niveau wie permeabilitätsgleiche Ringkerne aus FeAlSi bzw. hoch nickelhaltigen NiFe-Legierungen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein induktives Bauelement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt; Figur 2 ein induktives Bauelement gemäß einer zweiten Aus- führungsform im Querschnitt; und Figur 3 ein induktives Bauelement gemäß einer dritten Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt .

Die Figur 1 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 wenigen Windungen besteht. Die Wicklung kann dabei sowohl aus Runddraht als auch aus Flachdraht in ein- oder mehrlagiger Ausführung gefertigt werden. Besonders durch die Verwendung von Kupferflachdraht läßt sich durch den kompakteren Wick- lungsaufbau bei konstanten Bauelementevolumen der Kupferquerschnitt des Drahtes erhöhen was wiederum zu einer Reduzierung der ohmschen Verluste in der Wicklung führt. Bei konstantem Wicklungswiderstand läßt sich durch diese Maßnahme umgekehrt entsprechend das Bauelementevolumen reduzieren. Figur 1 zeigt das Bauelement 10 während der Herstellung. Das Bauelement 10 ist in eine Form la, die hier aus Aluminium besteht, eingebracht .

Die Figur 2 zeigt ebenfalls ein induktives Bauelement 20, das aus einem weichmagnetischen Kern aus einem Pulververbundwerkstoff 21 besteht, in welchem ein Lagenwickel-Spulenkörper 22 eingebracht ist. Der Lagenwickel-Spulenkörper 22 ist an seinen Wicklungsenden mit Stiften 23 verbunden, die aus dem weichmagnetischen Kern 21 herausragen und zum Anschluss an eine Bodenplatte, beispielsweise eine Leiterplatte dienen.

Das induktive Bauelement 20 in der Figur 2 ist ebenfalls wie in der Figur 1 während seiner Herstellung gezeigt. Das heißt, dass das induktive Bauelement 20 hier in der Form lb gezeigt ist, in der Pulververbundwerkstoff vergossen wird.

Die Figur 3 zeigt ebenfalls wie die Figuren 1 und 2 ein in- duktives Bauelement. Das hier gezeigte induktive Bauelement 30 besteht aus einem weichmagnetischen Kern 31, aus einem Pulververbundwerkstoff, in den wiederum ein Lagenwickel- Spulenkörper 32 eingebracht ist. Der Lagenwickel-Spulenkörper 32 ist an seinen Wicklungsenden mit Anschlussstiften 33 ver- bunden, die aus der Form lc, die gleichzeitig als Gehäuse 34 dient, ragen.

Als Ausgangsmaterial für den Pulververbundwerkstoff ist in den drei Ausführungsbeispielen eine der folgenden Pulvermi- schungen vorgesehen:

Beispielformulierung 1: Gießkerne mit niedriger Permeabilität

Zur Herstellung eines Gießkernes im Permeabilitätsbereich um ca. 35 - 40 und einem Bauelementgewicht um 100 g läßt sich z.B. folgende Formulierung verwenden:

72 g vorgeglühtes und oberflächenisoliertes Pulver aus Fe₈₄Al₆Siιo oder Ni₇₈Feι₈ mit einem mittleren Partikeldurchmesser von ca. 50 μm und sphärischer

Form

21 g phosphatiertes Carbonyleisen

9 g Gießharzmischung

Aus obiger Mischung lassen sich Gießkerne mit einer

Permeabilität um ca. 40, einer Gleichfeldvorbelastbarkeit von ca. 0,35 T und Ummagnetisierungsverlusten von ca. 90 - 110 W/kg bei 100 kHz und Wechselaussteuerungen von 0,1 T herstellen

Beispielformulierung 2: Gießkerne mit mittlerer Permeabilität Zur Herstellung eines Gießkernes im Permeabilitätsbereich um ca. 60 und einem Bauelementgewicht um 100 g lässt sich z.B. folgende Formulierung verwenden:

5 16 g vorgeglühtes und oberflächenisoliertes Pulver aus

Fe₈₄Al_sSiιo, Ni₇₈Feι₈ oder Fe₇₃,₅CuιNb₃Sii₅,₅B₇ mit einer mittleren Partikelgröße von 40 - 200 μm und einem Aspektverhältnis >1,5 48 g vorgeglühtes und oberflächenisoliertes Pulver aus L0 Fe₈₄Al₆Siιo oder Ni₇₈Feι₈ mit einem mittleren

Partikeldurchmesser von ca. 50 μm und sphärischer Form 21 g phosphatiertes Carbonyleisen 9 g Gießharzmischung L5

Aus_. obiger Mischung lassen sich Gießkerne mit einer Permeabilität um ca. 65, einer Gleichfeldvorbelastbarkeit von ca. 0,30 T und Ummagnetisierungsverlusten von ca. 90 - 110 W/kg bei 100 kHz und Wechselaussteuerungen von 0,1 T 20 herstellen

Beispielformulierung 3: Gießkerne mit höherer Permeabilität

48 g vorgeglühtes und oberflächenisoliertes Pulver aus 5 Fe₈₄Al₆Siι₀, Ni₇₈Feι₈ oder Fe_73/5CuιNb₃Sii5,₅B₇ mit einer mittleren Partikelgröße von 40 - 200 μm und einem

Aspektverhältnis >1,5 16 g vorgeglühtes und oberflächenisoliertes Pulver aus

Fe₈₄Al₆Si₁₀ oder Ni₇₈Fe₁₈ mit einem mittleren 0 Partikeldurchmesser von ca. 50 μm und sphärischer

Form 21 g phosphatiertes Carbonyleisen 9 g Gießharzmischung

5 Aus obiger Mischung lassen sich Gießkerne mit einer

Permeabilität um ca. 85, einer Gleichfeldvorbelastbarkeit von ca. 0,27 T und Ummagnetisierungsverlusten von ca. 90 - 110 W/kg bei 100 kHz und Wechselaussteuerungen von 0,1 T herstellen

Es wird angemerkt, dass die vorstehenden Legierungspulver- mischungen nur beispielhaften Charakter haben. Es sind eine große Fülle von anderen Legierungspulvermischungen als die oben aufgeführten Formulierungen möglich ist.

Wie zu ersehen ist, wurden die formanisotropen Pulverparti- kel, aufgrund ihrer Form auch Flakes genannt, zur Verbesserung ihrer dynamischen magnetischen Eigenschaften einer Wärme- und Oberflächenbehandlung unterzogen. Außerdem erfolgte zum Zwecke der Isolation die Behandlung der formisotropen Pulverpartikel mit Phosphorsäure, wodurch sich an deren Ober- fläche elektrisch isolierendes Eisenphosphat bildet.

Die so vorbereiteten gemischten Legierungspulvermischungen wurden dann bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen in die Formen la bzw. lb gefüllt. Die aus Alumi- nium bestehenden Formen la bzw. lb wiesen an ihren Innenwandungen eine geeignete TrennbeSchichtung auf, so dass es nicht zu einer erschwerten Entformung der induktiven Bauelemente 10 bzw. 20 kommen konnte. Danach wurden durch die Wicklungen 12 bzw. 22 elektrische Ströme geleitet, so dass die Pulverparti- kel sich mit ihrer „langen Achse" parallel zu dem dabei entstehenden Magnetfeld, das ungefähr 12 A/cm betrug, ausrichteten.

Anschließend wurden bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen in die mit Legierungspulver befüllten Formen jeweils eine Gießharzformulierung eingefüllt.

Bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform wurde eine thermoplastische Methacrylatformulierung eingefüllt. Diese thermoplastische Methacrylatformulierung hatte folgende Zusammensetzung:

100 g Methacrylsäuremethylester 2 g Methacryltrimethoxysilan

6 g Dibenzoylperoxid und

4,5 g N,N-Dimethyl-p-Toluidin

Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsform wurde ebenfalls eine thermoplastische Methacrylatformulierung eingefüllt, wobei diese Methacrylatformulierung die folgende Zusammensetzung auf ies :

100 g Methacrylsäuremethylester 2 g Methacryltrimethoxysilan 10 g Diglycoldimethacrylat 6 g Dibenzoylperoxid und 4,5 g N,N-Dimenthyl-p-Toluidin

In beiden Ausführungsformen wurden die vorstehenden chemischen Bestandteile nacheinander im Methacrylester gelöst. Die fertige Mischung war in beiden Fällen wasserklar und wurde dann in die Formen la und lb gegossen. Die Gießharzformulierungen härteten in beiden Fällen bei Raumtemperatur innerhalb von ca. 60 min aus. Anschließend wurde eine Nachhärtung bei ca. 150 C für eine weitere Stunde vorgenommen.

Beim Befüllen der Formen la bzw. lb mit der Legierungspulvermischung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Formen la bzw. lb während des Befüllens in Schwingungen zu versetzen, um damit die Legierungspulvermischung zu verdichten. Mit diesem Vorgehen konnten in beiden Fällen problemlos Volumenanteile von bis zu 70 Volumenprozent Legierungspulvermischung in dem Pulververbundwerkstoff erzielt werden.

Bei dem in der Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde eine warmhärtende thermoplastische Methacrylatformulierung verwendet, die die folgende Zusammensetzung hatte: 100 g Methacrylsäuremethylester 0,1 g 2, 2 ' -Azo-Isobuttersäure-Dinitril Diese Gießharzformulierung wurde in die Form lc, wie in der Figur 3 gezeigt wird, eingefüllt und innerhalb von 15 Stunden bei einer Temperatur von ungefähr 50 °C ausgehärtet. Da die Form lc in der Figur 3 als "verlorene Schalung" verwendet wird, das heißt anschließend nach dem Herstellungsvorgang als Gehäuse 34 für das induktive Bauelement diente, hat es sich hier besonders gut erwiesen, eine warmhärtende Gießharzformulierung zu verwenden, da dadurch eine besonders intensiver und guter Kontakt zwischen der aus Kunststoff bestehenden Form lc und dem Pulververbundwerkstoff gelungen ist.

Anschließend wurde auch diese die Gießharzformulierung bei einer Temperatur von ungefähr 150 °C für ca. eine Stunde nachgehärtet .

Es wird angemerkt, dass die vorstehenden Gießharzformulierungen nur beispielhaften Charakter haben. Es sind eine große Fülle von anderen Gießharzformulierungen möglich, die auch chemisch anders vernetzt werden, als es in den oben aufge- führten Formulierungen der Fall war.

Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, dass die oben genannten Formulierungen polymerisiert wurden und als Startersubstanzen Dibenzoylperoxid bzw. 2, 2 ' -Azo-Isobuttersäure- Dinitril verwendet wurden. Es ist jedoch insbesondere auch _, möglich, ohne eine spezielle Startersubstanz auszukommen und Monomerbaussteine, das heißt chemische Agentien wie hier den Methacrylsäuremethylester, mit UV-Licht zu polymerisieren. Durch die Beimengungen von Methacrylmethoxisilan bzw. Digly- coldimethacrylat und anderen chemischen Substanzen kann die

Zähigkeit bzw. die Schlagfestigkeit des entstehenden Pulververbundwerkstoffes eingestellt, insbesondere erhöht werden.

Bei der Verwendung von thermoplastischen Polyamiden können insbesondere Schmelzen aus ε-Caprolactam und Phenylisocyanat verwendet werden, so hat sich in weiteren Versuchen eine Schmelze aus 100 g ε-Caprolactam und 0,4 g Phenylisocyanat als geeignet erwiesen, welche bei 130 °C miteinander vermischt wurde. Diese Schmelze wurde dann in eine auf 150 °C vorgewärmte Form eingefüllt. Die Aushärtung des Caprolactams zu einem Polyamid erfolgte dann innerhalb von ungefähr 20 min. Eine Nachhärtung bei höheren Temperaturen war bei dieser Vorgehensweise in der Regel nicht erforderlich.

Statt eines Caprolactams kann selbstverständlich auch ein anderes Lactam, beispielsweise Laurinlactam mit einer entspre- chenden Binderphase verwendet werden. Bei der Verarbeitung von Laurinlactam sind jedoch Prozesstemperaturen von über 170 °C erforderlich.

Neben den bisher beschriebenen thermoplastischen Binderharz- formulierungen ist natürlich auch der Einsatz von Reaktionsharzen, die duroplastische Formstoffe liefern denkbar. Insbesondere ist hier der Einsatz von zweikomponentigen heißhärtenden Epoxydharzen möglich. Ein Gießharz aus dieser Gruppe hat beispielsweise folgende Zusammensetzung:

100 g Cycloaliphatisch.es Epoxydharz mit einem Molekulargewicht < 700 g/mol, einem Epoxydgehalt von 5,7 - 6,5 Äquiv./kg und einer Viskosität <800 mPas 100g Säureanhydridhärter mit einem Molekulargewicht <700 g/mol, einem Wasserstoffäquivalentgewicht zwischen

145und 165 und einer Viskosität <100 mPas 2,5g Beschleuniger (Aminbasis)

Aus den vorstehend genannten Einzelkomponenten wird das Ver- gußharz durch Vermischen bei Raumtemperatur hergestellt. Zur Verarbeitung wird die Mischung auf Temperaturen um 80 + 10 °C erwärmt. Dadurch verringert sich die Viskosität der Mischung auf Werte < 20 mPas . Zur Aushärtung von, aus dieser Mischung hergestellten Bauelementen erfolgt eine Erwärmung auf Tempe- raturen von ca. 150 °C für eine Zeitdauer von ca. 30 Minuten. Mit den vorstehend beschriebenen Gießharzformulierungen wurden induktive Bauelemente mit weichmagnetischen Kernen aus ferromagnetischen Pulververbundwerkstoffen hergestellt, die Ummagnetisierungsverluste zeigen, wie permeabilitätsgleiche Ringkerne aus FeAlSi bzw. hoch nickelhaltigen NiFe-

Legierungen. Die erreichbare Permeabilität von ca. 20 und 100 wird dabei durch die Größe der formanisotropen Partikel und deren Volumenanteil in der Gesamtpulvermischung bestimmt. Bezüglich der Gleichfeldvorbelastbarkeit werden Werte um 0,3 - 0,35 T erreicht.

Claims

Patentansprüche

1. Induktives Bauelement (10; 20; 30) mit zumindest einer Wicklung (12; 22; 32) und einem weichmagnetischen Kern (11; 21; 31) aus einem ferromagnetischen Pulververbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Pulververbundwerkstoff eine Legierungspulvermischung aus Legierungspulvern mit formanisotropen sowie formisotropen Pulverpartikeln und ein Gießharz auf- weist.

2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungspulvermischung eine Koerzitivfeidstärke von kleiner 150 mA/cm, eine Sättigungsmagnetostriktion und eine Kristallanisotropie von annähernd null, eine Sättigungs- induktion > 0,7 T sowie einen spezifische elektrische Widerstand von größer 0,4 Ohm*mm²/m aufweisen.

3. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass formanisotrope Pulverpartikel amorphe, nanokristalline oder kristalline Legierungen umfassen.

4. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass formanisotrope Pulverpartikel eine elliptische Form mit einem Aspektverhältnis größer 1,5 haben.

5. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass formanisotrope Pulverpartikel einen Partikeldurchmesser von 30 bis 200 μm aufweisen.

6. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass formisotrope Pulverpartikel oberflächenisoliert sind.

7. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungspulvermischung neben dem anisotropen Legierungspulver zwei formisotrope Legierungspulver aufweist, von denen ein Legierungspulver grobe Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 30 bis 200 μm und das andere Legierungs- pulver feine Partikel mit einem Partikeldurchmesser unter 10 μm aufweist.

8. Induktives Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Legierungspulver mit formanisotropen Partikeln 5 bis 65 Volumenprozent, von Legierungspulver mit gro- ben formisotropen Partikeln 5 bis 65 Volumenprozent und von

Legierungspulver mit feinen formisotropen Partikeln 25 bis 30 Volumenprozent an der Legierungspulvermischung beträgt .

9. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich et, dass formisotrope Pulverpartikel Carbonyleisen enthalten.

10. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass formanisotrope Pulverpartikel FeSi-Legierungen und/oder FeAlSi-Legierungen und/oder FeNi-Legierungen und/oder amorphe oder nanokristalline Fe- oder Co-Basis-Legierungen enthalten.

11. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießharz eine Viskosität kleiner 50 mPas im unausge- härteten Zustand und eine Dauerwendungstemeratur von mehr als 150 °C im ausgehärteten Zustand aufweist.

12. Induktives Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Gießharz mindestens ein Harz aus der Gruppe der Epo- xide, der epoxidierten Polyurethane sowie der Methylacryla- tester vorgesehen ist.

13. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Legierungspulvermischung 70 bis 75 Volumenprozent und der Anteil des Gießharzes 25 bis 30 Volumenprozent an dem Pulververbundwerkstoff beträgt .

14. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulververbundwerkstoff einen Zusatz von Fließhilfsmitteln enthält.

15. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Bauelement (30) ein Gehäuse (34) aufweist

16. Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Form (la; lb; lc) , einer Legierungspulvermischung und einer Gießharzformulierung; b) Befüllen der Form (la; lb; lc) mit der Legierungspulvermischung; c) Einfüllen der Gießharzformulierung in die Form (la; lb; lc) ; und d) Aushärten der Gießharzformulierung.

17. Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Form(la; lb; lc) , einer Legierungspul- Vermischung und einer Gießharzformulierung; b) Vermischen der Legierungspulvermischung und der Gießharz- formulierung zu einer Gießharzpulverformulierung; c) Einfüllen der Gießharzpulverformulierung in die Form (la; lb; lc) ; und d) Aushärten der Gießharzpulverformulierung.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass. eine mit zumindest einer mit einer Isolationsschicht versehenen Wicklung (12; 22; 32) aus Rund- oder Profildraht bestückte Form (la; lb; lc) bereitgestellt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (lc) als Gehäuse (34) des induktiven Bauelementes (30) verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gießharzformulierung bestehend aus Polymerbausteinen und einem Polymerisationsinitiator verwendet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch ge ennzeichnet, dass als Polymerbaustein Methacrylsäuremethylester verwendet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymerisationsinitiator Dibenzoylperoxid verwendet wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymerisationsinitiator 2, 2 ' -Azo-Isobuttersäure- Dinitril verwendet wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch eken zeich et, dass die Pulverpartikel während und/oder nach dem Befüllen der Form mit dem Legierungspulver durch Anlegen eines Magnetfeldes ausgerichtet werden.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld durch Bestromen der Wicklung (12; 22; 32) angelegt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeld mit einer Feldstärke größer 10 A/cm angelegt wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befüllen der Form mit Legierungspulvermischung, Gießharzformulierung bzw. Gießharzpulverformulierung durch Rütteln ein Verdichten bzw. eine Sedimentation der Legie- rungspulvermischung erfolgt.