JP5706160B2 - 軟磁性コンポーネント並びにその製造のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、軟磁性複合物の分野に係わり、特に、軟磁性複合物からなるコンポーネントの製造のためのプロセスおよび装置に関する。本発明はまた、この種の方法によって直接入手できる製品に関する。

今日の進んだ工業製品の大部分は、いくつかの種類の電磁エネルギー変換器（スライド（例えばＤＶＤプレーヤ）を開／閉するための、紙幣（現金自動支払機）などを供給するための、例えば、電気モータ、スピーカ、マイクロホン、センサおよびアクチュエータ）を使用する。

これらのほぼ全ては、製品内の内蔵部品（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）の製造方法および可能性が過去１世紀の間ほとんど開発されてこなかった、きわめて従来のタイプの標準のモータ／コンポーネントである。

従来のモータ製造は、変圧器鉄板の打抜きおよび積み重ねが関係する。打抜き装置のコストが高いので、生産量は、受け入れ可能な生産コストを有するためにかなりの量でなければならない。さらに、積み重ねられた変圧器鉄板を使用する機械の中には２次元の磁束のみが存在できるので、電気回路の複雑性は高くなければならず、その結果、しばしばモータの歯部に直接巻かれる、例えば多数の相互に接続したコイルに結びつく。この種の機械を生産するために、多数の手作業がなされなければならず、それらは高価である。

変圧器鉄板の機械において使用可能な最も高い可能な周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、個々の変圧器鉄板の厚みによって与えられる。０．２ｍｍ未満の厚みを使用することは、非常に高価な機械に結びつく。したがって、高速および／または多い極数を有する設計に対して、手頃な価格の機械は得られない。

電気モータと同じ欠点を本質的に有する別の例は、従来のインダクタ、チョークその他である。その重要な違いは、大部分の使用されるインダクタコア材料の透磁率がむしろ高いので、コア材料を飽和させないためにエアギャップが導入されなければならないことである。コイルがエアギャップを越えて巻かれる場合は、しばしば相当な縁取り損失（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｌｏｓｓ）があり、そして、冷却するのが困難でありえるホットスポットに結びつく。

また、従来の誘導加熱コイルは、関連した課題を表わす。これらのコイルは、ほぼ例外なく、液冷式銅管によって作られる。銅管は、高周波（ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の表皮効果に起因する非常に限られた実効電流−誘導エリアを有する。これは当然低効率に結びつく。しかし、さらに悪いことに、完全な結果として生じる磁束は、銅管を貫通することができず、したがって管の誘導加熱に結びつく。さらに、銅管の製造は、時間を費やす手作業の労働である。

上記の全ての課題の除去または緩和に対する第１のステップは、新規の材料技術の誕生とともに、最近１０年の間に現れた。この新規な材料技術は、この種のアクチュエータを、生産財と同様に消費財に特に適合させて、最適化して、統合するというほぼ無制限の可能性を提供する。問題の材料技術は、軟磁性複合材料（Ｓｏｆｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ， ＳＭＣ）と名づけられた、バインダおよび充填材の量を変化させることに関する軟磁性金属材料の複合物である。高密度および設計の自由度は、既知の製造方法と衝突するので、ＳＭＣで作られるこれらのコンポーネントの成形には、大きな関心がある。成功した成形プロセスは、エネルギー変換器に結びつく。そして、それは被駆動デバイス／製品におけるより少ない損失、より小さいサイズ、よりコンパクトな統合化に関して、さまざまな方法で従来のものよりも優れている。

本発明は、この種の方法によって製造されるＳＭＣ−コンポーネントと同様に、ＳＭＣ−コンポーネントの製造のための新規でかつ改良された方法および装置を提供することを目的とする。

発明の一態様は、粉体ベースの、軟磁性の、誘導コンポーネントの作成のための方法および装置であり、そしてそれは、独立クレームに係る、型内での回転鋳造を含む。好ましい実施形態は、従属クレームにおいて定義される。型は、いくつかの実施形態において、最終製品の一部を形成してもよい。作成されるコンポーネントは、完全な電磁エネルギー変換装置、例えば、電気モータ、発電機、誘導コイル、インダクタ、電磁成形コイル、１つ以上の電気巻線を収容しているソレノイドのアクチュエータ（回転または並進運動）の一部を形成してもよく、またはそれを構成してもよい。

これは、一軸加圧成形が使用されるＳＭＣコンポーネントに最終形状を小型化して与えるために、今日最も一般の方法と比較されることができる。しかし、射出成形、静水圧プレス成形および押出成形のような方法も用いられる。一軸加圧成形および静水圧プレス成形にとって、製品の限られた設計の自由度があるが、作成される製品を直接プレスする際に、コンポーネント、すなわちセンサ、電子基板を内蔵する（ｉｎｔｅｇｒａｔｅ）ことは可能でない。押出成形は、ＳＭＣを形成するために用いるが、この方法もまた、作成される製品内に他のコンポーネントの内蔵化（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を可能にしない。押出成形も、製品の設計の自由度を制限する。射出成形は、いくつかの設計の自由度およびコンポーネントを内蔵する可能性を許容するが、しかし、ＳＭＣは十分コンパクトでなく、低い透磁率に結びつく。

本発明の別の態様は、上記の方法および装置で製造される製品である。

本発明に係る方法または装置は、軟磁性粉体複合物（ＳＭＣ）の最適製造を可能にする。ＳＭＣは、軟磁性粒子（ときどき導電率を最小化するために被覆されている）およびバインダ（好ましくはポリマー）から成る。本発明は回転成形に基づく。そして、それは主にプラスチック産業において使用する製作方法である。本発明の装置は、１つまたはいくつかの軸線まわりに回転可能なキャリア上に載置される１つまたはいくつかの型キャビティを含んでもよい。サイクルタイムを短く保つために、必要に応じて、型キャビティの加熱が、例えば誘導加熱によって遂行されることができる。その一方で、必要に応じて、冷却が、散水によってまたは空気によって遂行されることができる。型キャビティは、静止状態でまたは回転中に充填されてもよい。最初のポリマーおよびその後の金属粒子については、型キャビティは、回転中でさえも充填されてもよい。プロセス中の物理的条件は、最適な混合割合を提供する。回転中に、より重い金属粒子は、遠心力のために、回転中心から外向きに押される。その一方で、より低い密度を有するポリマーは、回転中心へ向けて内向きに押される。

これにより、高い圧縮度が達成される。その結果は、最初の混合比から独立している５０〜８０容量％（粒子が球状であり、別々の粒子群（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｆｒａｃｔｉｏｎｓ）が混合されて、そして、粒子の変形が圧縮プロセスの下で行われないという状況を与える）の区間において、最大化した粉体圧縮度を有する鋳造軟磁性コンポーネントである。粉体圧縮度は、完成品の同種の、回転鋳造ＳＭＣ部分を基礎として、この種のＳＭＣ部分の全容積で割った軟磁性粉体の量としてここで定義される。

本発明を用いることによって、単純なものから非常に複雑な軟磁性コンポーネントまですべてを１つのピースで作成するという可能性が、達成される。他の作成工程と比較して、製品機能は、鋳型段階（例えば埋め込み形モータブラケット、ねじ、ベアリング、コイル、各種センサ、マイクロプロセッサ、パワー電子部品、永久磁石など）において、すでに内蔵されることができる。コンポーネントの寸法は、広範囲の中で変化することもできる。

図１は、本発明の第１態様に係る鋳造設備の部分断面図を概略的に示す。 図２は、本発明の第２態様に係る鋳造設備を概略的に示す。 図３は、図２の鋳造設備のために使用する型の断面図である。 図４は、本発明の製造プロセスを利用している製造から直接達成するのが可能な統合した電気部品（モータの一部）の部分断面図／切欠図である。 図５は、回転中の、図１の鋳造装置において充填された型キャビティの断面図である。 図６は、図１の鋳造設備のための（下型を明らかにするために上型は部分的に切欠してある）、８つの型キャビティを有する成形ツールのための下型および上型を示す。 図７は、回転中の図２の装置を示す。 図８は、図２の鋳造装置に使用するためのマルチ使用鋳型の断面図である。 図９は、本発明の方法および装置で製造するのが可能な誘導コンポーネントの設計を概略的に示す。

図１および図５は、本発明の第１実施形態に係る装置を示す。それは、回転するようにセットされることができるテーブル６を含む。型パーツの下部１１はテーブルに固定され、上部１０は、１つ以上の型割線１によって切り離される。型パーツを組み立てて、型キャビティ２、ランナ３および湯溜４を定義する。テーブル６は、モータ７によって回転するように駆動される。

加熱手段、例えば誘導ヒーター５は、必要であれば、型を加熱するために配置されてもよい。型１０、１１が所望の速度で回転している間、ヒーター５が静止していてもよいという点で、誘導加熱は利点を有する。必要であれば、型１０、１１は、散水によって冷却されることができる。回転の間、型を加熱する理由は、型を止めることができる前に、キャビティ２内の材料が凝固するために加熱を必要とするからでもよい。すなわち、回転の中断が、キャビティにおいて形成される製品の変形につながるからでもよい。冷却する理由は、凝固の後、型が開放できる前のサイクルタイムを削減するためである。回転の間、材料は、基本的には、下方へ導かれる重力と、回転の軸線から垂直に導かれる遠心力との成分の方向に、回転の中心からできるだけ離れて、蓄積される。これは明らかに、回転が止まる場合、遠心力がゼロに等しくなることを意味する、そして、上記の結果とともに、重力のみがキャビティ内のいかなる粘性材料にも影響を及ぼす。

装置は、作成されるコンポーネントのサイズおよび複雑性に応じて１またはいくつかの型キャビティから成ることができる。図６は、型パーツの上部１１０および下部１１１内に複数の型キャビティ１０２を有するツールを示す。

プロセスを起動する前に、任意の内蔵部品（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）は、型キャビティ２内に位置決めされてもよい。製品に応じて、複合材料を加える前に型キャビティ内に内蔵される１またはいくつかのコンポーネントが、ある。実施例は、ＳＭＣ材料を加える前に、コイルおよびブラケットが型の中で統合されるインダクタ、ＳＭＣ材料を加える前に、コイル、各種センサ、ベアリング、ブラケット、マイクロプロセッサ、パワー電子部品が型の中で統合される電気モータ、ＳＭＣ材料を加える前に、コイル、ブラケット、各種センサおよび冷却システムが型の中で統合される誘導加熱ユニット、を含む。

鋳造プロセスは、型を回転させて、そして、軟磁性粒子およびバインダ（好ましくはポリマー材料）からなる複合材料をキャビティ内に配置することで始まる。ツールは、回転が始まるときに加熱されてもよく、または、回転の間、加熱されてもよい。回転によって遠心力が生じる。そして、それは粘性流体の形態の複合材料を、型キャビティの周辺部の方へ押し出す。

適切な複合材料として組み合わせた回転は、軟磁性粒子が蓄積される最大粒子圧縮度（８）を有する部分、および、粒子間の空所を満たしていないバインダが蓄積される低粒子圧縮度（９）を有する部分、を有する中間生成物に結びつく。

回転の中心に対する半径方向距離と組み合わせた回転速度は、複合材料にとって型に対して放射状に押圧されるために十分でなければならない。そして、それは遠心加速度が、１Ｇ、概して１０〜２００Ｇを越えて、極端な場合は１０００Ｇまでなければならないことを意味する。

型キャビティが充填されるとき、そして材料が所望の粒子濃度に達したとき、使用するバインダを急速に凝固させることが要求される場合には、キャビティは、加熱されて、その後冷却される。ＳＭＣ材料が凝固したとき、回転は停止して、そして、型からの取り外しは、内蔵部品を完成させる最後の部分を作成する。

図２、３、７および８は、本発明の第２実施形態に係る装置のいくつかの態様を示す。装置のこの代わりの設計は、キャリアテーブル１４を含む。そして、それは回転軸を介して回転するようにセットされることができる。キャリアテーブル１４上に、多くの鋳型１３、型キャビティが、少なくとも回転の軸線を含む平面内の方向において、旋回軸１２まわりに自由に移動可能に配置される。鋳型は、１回限りの使用としてもよく（図３参照）、または、マルチ鋳型として適合してもよい（図８参照）。プロセスは、軟磁性粒子および好ましくはポリマー材のバインダから成る複合材料を、キャビティ内に位置付けて、そして、キャリアテーブルを回転運動中に置くことによって開始する。回転によって遠心力が生じて、これは、型を旋回軸回りに回転させ、そして、流体の形態の複合材料を型キャビティの底部の方へ押す。型キャビティが充填されるとき、および材料が所望の粒子濃度に達したとき、回転は停止されて、そして、型はその初期位置に戻る。必要がある場合、型は、硬化のためのオーブンに入れられる。

回転の前に取り付け可能で、そして、回転が止まったあと取り外し可能なキャリアおよび鋳型の使用は、それが不必要な回転プロセスの間、加熱をするという点で、効果がある。鋳型は、装置および回転プロセスの外方で準備されることができる。そして、それはこの実施形態に係る本発明のプロセスおよび装置の可能な動作時間を増加させる。基本的には、型キャビティは、第１ステップにおいて充填されることができる。そこにおいて、それらはキャリアテーブル１４に取り付けられてもよく、または取り付けられなくてもよい。次のステップにおいて、それらは、回転軸に取り付けられて、回転する。遠心力が減少するにつれて、回転可能な型はその位置を適応させるので、回転が止まるときに、型キャビティ内部の製品は変形されない。軟磁性粒子は、十分圧縮された状態で、型キャビティの底部に位置決めされる。そして、通常の状況の下では、それらをその状態から離す力は何もない。型キャビティは、それから、装置から取り外されることができて、必要であれば、他の位置で硬化されることができる。

回転する鋳型の使用は、したがって、型内での力の好ましい配分に結びつき、そして、内蔵部品１５、１６（図３）まわりのＳＭＣ材料１９（図３）の非常に均一な圧縮を許容する。力の配分がより均質でない伝統的な製造方法と比較すると、回転成形における力の配分も、このように、粒子の形状が実際に全く影響を受けないという点に結びつく。

装置の第３実施形態は、マルチ使用型の代わりに、１回限りの型の使用に関係する。図８に示すように、マルチ使用型が用いられる場合、型から取り外すことは、完成部品を作成する。図３に示すように、１回限りの型は、完成部品の一体化した部分になるので、型から取り外されない。１回限りの型は、任意の適切な材料によって製作されてもよい。しかし、コンポーネントにおいて用いられる材料と同様の構成を有する軟磁性粉体複合材料（ＳＭＣ）でできていることが好ましい。鋳造の間、１回限りの型は容器の内部に固定される。そして、それはキャリア上に取り付けられる。したがって、型から取り外すことの必要性なしに、同種の属性および構成を有する完成品が、達成される。

１つの製造問題は、ＳＭＣ製品内の内蔵部品の固定である。これは、ＳＭＣ内に型キャビティを製造して、そして、内蔵部品のための固定を含むことによって、容易に実現されることができる。型キャビティは、射出成形プロセスで例えば製造されることができる。それから、内蔵部品は、型キャビティ内に容易に取り付けられることができる。型キャビティは、それから、ＳＭＣを充填されて、最終的な圧縮密度まで回転する。非硬式ＳＭＣを有する型キャビティは、それから、例えばオーブンで硬化されることができる。ＳＭＣにおいて製造される型キャビティは、それから、回転されるＳＭＣとしての同様の属性を有する完成品の内蔵部品になる。

上記した装置およびプロセスの使用は、プロセス後の任意の複雑なまたは厄介な強い働きなしでも、実際のプロセスにおいて、完成品がその最終形状を得ることを可能にする。さらに、軟磁性材料は、所与の状況において、最高の可能な粒子濃度を得る。そして、それは最適磁気的特性に結びつき、これは、最小限のエネルギーの状態（すなわち最適圧縮）において、回転中に適用される力が、軟磁性材料を形成している粒子を沈殿させることを意味する。回転鋳造すなわち遠心鋳造のプロセスは、１つのシングルピースにおいて単純な軟磁性誘導コンポーネントから非常に複雑な軟磁性誘導コンポーネントまであらゆるものを製造するという可能性を提供する。多くの製品機能／コンポーネントは、鋳造段階（例えば埋め込み形モータブラケット、ねじ、ベアリング（図４の２１を参照）、コイル（図３の１５を参照）、各種センサ、回路基板（図４の２２を参照）、パワー電子部品など、そして、その幾つかは本記載の続く部分において示される）においてすでに内蔵されることができる。

軟磁性粉体は、一般に、少なくとも８０％の鉄（Ｆｅ）、および０％〜２０％（好ましくはほぼ６％）のシリコン（Ｓｉ）を含む。粉体は、ガス微粒化を通じて作成される。そして、それにほぼ球状形状を与える。粒径分布は、０．１μｍ〜５００μｍでありえる。最適圧縮度を得るために、特定のふるい分けされた粉体粒子群（ｐｏｗｄｅｒ ｓｉｚｅ ｆｒａｃｔｉｏｎｓ）が使われる。より小さい粒子はより高い周波数で全界磁貫通を示して、したがって、渦電流損は減少するので、より小粒径を選択することによって、より良好な高周波特性を得ることができる。それでも、より小さい粒子も、静的磁化損失を増加させる。実際には、好ましいふるい分け粒子群（ｓｉｅｖｉｎｇ ｆｒａｃｔｉｏｎ）は、１００〜２００μｍ粒子群（ｆｒａｃｔｉｏｎ）から離れた完全な粒子分布を使用することの結果である。これは、最高７０％の粉体圧縮密度を与える。そして、それは理論的な最大に近い。

粉体は、可能な残留応力を除去して、そしてマイクロ構造のグレインの成長を達成するために、７００℃より高い温度で、酸素−還元または無反応的な雰囲気において扱われる熱である。

高周波特性は、粒子を薄い電気絶縁層でコーティングすることによって改良することができる。表面コーティングは、それから、混合酸化物（例えばリン酸塩／酸化鉄）でありえる。このコーティングは、必要であればガス雰囲気（例えばアルゴン、窒素、水素、酸素／空気またはこれらの別々の組み合わせ）における加熱と結合して、湿式化学または湿式電気分解のプロセスを使用して適用される。

高分子バインダの役割は、製品の良好な機械的性質を達成して、さらに金属粉体粒子に表面コーティングが用いられない場合には、粒子間に電気的絶縁を提供することである。ポリマーは、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のいずれかである。ポリマーの粘度は、より高い粉体圧縮密度を達成するために重要な役割を演ずる。そして、それは高い透磁率を有するために非常に重要である。鋳造中の粘度は、粉体粒子の高い粉体圧縮度および完全なぬれを得るために、５００〜７００ｍＰａ ｓの範囲でなければならない。粒子の完全なぬれはまた、作成される製品の構造的および力学的な属性を増加させる。多くの熱硬化性樹脂にとっての粘度は、室温で、５００〜７００ｍＰａ ｓの必要な範囲にあるが、熱可塑性樹脂にとって、温度は、同様の粘度特性に達するために４０〜６０℃高くなければならない。温度は、例えば誘導加熱を使用する本発明の第１実施形態で記述される加熱システムを使用して増えることができる。金属粉体粒子および高分子バインダのスラリー、混合物の温度は、金属粉体の温度を上げることによっても上昇することができる。金属粉体にとっての特定の熱容量（Ｃｐ）は、ポリマーにとってのものよりも低いので、金属粉体の加熱はまた、ポリマーの加熱に用いることが可能である。

本明細書において記述される方法および装置により製作される製品は、多くの別々の形状および属性を有することができる。上記明細書に係るＳＭＣ材料と組み合わせた回転鋳型は、作成される部品内に１つまたはいくつかのコンポーネントを内蔵する可能性を有する製品の作成を可能にする。コンポーネントを内蔵するという可能性は、他の製作技術（すなわち射出成形）においてされることもできる。しかしながら、現在のプロセスおよび装置を用いて得られる粉体圧縮度は、６５〜８０容量％（粒子が球状であり、別々の粒子群が混合されて、そして、粒子の変形が圧縮プロセスの下で行われないという状況を与える）の区間では、より高い。この圧縮度を有するこのタイプの材料は、射出成形において用いられることができない。

１つ以上の実施形態による製品は、回転成形の間配置される、冷却チャネルまたは放熱板とともに提供されてもよい。冷却チャネルは、軟磁性材料または他の材料で作成される実際の配管でもよく、または単に成形された製品の空所から成ってもよい。これらの空所は、材料でできている構造を型に加えることによって達成されてもよく、そして、それは成形した後に取り除かれてもよい。

電磁エネルギー変換装置は、１またはいくつかの電気回路によって特徴づけられる。そして、それは、電気回路に循環する電流に由来している磁界において相互に存在するように指向される。

軟磁性構造は、回路周辺で電磁流量を行う能力を改良するために用いることができる。この構造は、回路に対して固定されまたは可動な部品から成ることができる。そして、この構造は、ハードな磁性材料を含むこともできる。磁束が変動するときに、軟磁性コンダクタは、電流を駆動する誘導電圧に従い、そして、その電流は、抵抗損失（すなわち渦電流損）を生じさせる。電磁流量の変動と関連した他の損失は、主にヒステリシス損および異常な損失である。

この損失は、磁化損失として連帯して知られる。磁化損失を削減するために、磁気回路は、伝統的に、電気的に絶縁されて、そして電流がラミネート面において流れるように、向きを定めた薄層（ラミネート）において分割される。ラミネーションのこの方法は、電磁エネルギー変換装置の設計自由度を制限する。その一方で、コアのラミネートは並んで積み重ねられて、それから、コイルはコア周辺に巻かれる。この設計は、多くのインダクタ、変圧器および電気機械にとって一般的である。代替法は、次の処理の後で電気巻線が提供される固形物に対して、高圧で鉄粉体を押圧することに基づく。この方法は、インダクタおよび電気機械の両方のために用いられる。

上述の本発明のプロセスに従って構築される電磁エネルギー変換装置は、伝統的な変換装置と異なり、以下によって特徴づけられる：１．磁束コンダクタ（軟磁性構造）は、回転鋳型の記述された方法を使用して製造される。２．電気巻線は、実際の磁束コンダクタ内に鋳造される。３．他のコンポーネント、例えばブラケット、センサ、冷却フランジなども、同じ磁束コンダクタ内に鋳造されてもよい。

図４は、上記のすべての特性を含む電磁エネルギー変換装置を示す。図４のコンポーネントは、複合の非磁性構造２５によって包囲される電気巻線２４を有する電気モータのステータであり、そして、その非磁性構造は、好ましくは、ＳＭＣ材料を正しい位置に配分する（等価性のアエギャップを与える）予備成形された熱可塑性樹脂である。この製品において、非磁性構造２５は、伝統的な電気モータの設計におけるエアギャップと同じ電磁の役割を有する。電気巻線２４およびポリマーギャップ構造２５は、ＳＭＣ磁束コンダクタ２３内に埋め込まれる。制御システムは、内蔵電子工学基板２２上のエレクトロニクスによって提供されてもよい。コンポーネントは、一体化したベアリング２１によって導かれる軸（図示せず）に取り付けられる。図４は、ファン用のモータを示し、そしてこのために、ファン翼が、磁束コンダクタ２３の一部として型内に内蔵される。磁気特性、一体化した巻線および他の素子の組み合わせは、この方法によって作成されるコンポーネントにとって一意である。

磁束コンダクタは、プロセスの間、プリント回路基板上に直接鋳造される。プリント回路基板は、コイル、ベアリングハウス、パワーエレクトロニクス、モータ制御、安全回路（温度、過電流）用の接続エリアを含む。属性：非常に高いトルク密度、非常に良好な高周波性能、全ての熱生成コンポーネントがＳＭＣに熱的に接続されているので冷却する容易性、非常に低い音響放射（６％のＳｉ合金に対する）。

磁束コンダクタ２３は、プロセスの間、プリント回路基板上に直接鋳造される。プリント回路基板２２は、コイル、ベアリングハウス、パワーエレクトロニクス、モータ制御、安全回路（温度、過電流）用の接触エリアを含む。完成品の特性属性は、以下の通りである：非常に高いトルク密度、非常に良好な高周波性能、すべての熱生成コンポーネントがＳＭＣに熱的に接続されていることによる冷却の容易性、非常に低い音響放射（６％のＳｉ合金に対する）。

本発明のプロセスおよび装置で、既存の技術が有するよりも実質的に少ないステップを有する複合の内蔵コンポーネントを製作することは、可能である。それは、例えばマイクロプロセッサ（２２、図４）、パワーエレクトロニクス、センサ、冷却フランジ、モータブラケット、コイル（２４、図４および２８、図９）ベアリング（２３、図４）コンデンサなどの別々のコンポーネントを、型キャビティ内に位置決めすることを容易にする。そして、それはさらに作成される製品のための生産時間を減らす。従来の生産プロセスが、完成品を得るために、いくつかの次のオペレーション（すなわち機械加工、組み立て）を含む場合に、このプロセスおよび装置から完全な製品が直接作成される。

別の実施例として、温度範囲制御、インダクタ、コンデンサ、導線、端子板および取り付けブラケットを含む完全なＥＭＣフィルタの製造は、本明細書において記述したプロセスおよび装置を用いる単一のオペレーションにおいて実行されてもよい。

本発明のプロセスおよび装置を用いて製造されることができる潜在的コンポーネントの他の実施例は、１またはいくつかの電気巻線、誘導加熱コイル、電磁成形コイル、および別々の種類のインダクタを収容している電気機械（モータ、発電機、ソレノイドのアクチュエータ（回転および並進運動））のコンポーネントである。

本明細書において記述される材料および方法を用いて製造されるＳＭＣベースの誘導コンポーネントは、型内に内蔵される高度の部品を有することができる。これは、製造時間の減少において有利であるだけでなく、電磁エネルギー変換装置を設計するという完全な新しい可能性を与える。

センサの内蔵化によって、コンポーネントの性能に影響を及ぼすことのない測定点の付近に、センサを位置決めすることができる。例えば、温度センサは、磁束コンダクタ内にドリル孔を有することのない、そして磁気的特性に影響を及ぼすことのないコンポーネントの、ホットスポットにおいて位置決めされることができる。誘導加熱ユニットにおいて、温度センサおよび位置決めセンサの両方は、所望の測定点に近づく課題をともなう別個の取付容易性を行う代わりに、被加熱物に非常に近くで測定可能な加熱ユニット内に直接内蔵されることができる。

大部分の電磁エネルギー変換装置は、機械および器材の部品である。このように、エネルギー変換装置は、多くの別々の方法で取り付けられる。伝統的なエネルギー変換装置にとって、いくつかの製造ステップにおいて、そして、電磁の態様から好ましくない場所に、ファスナが適用されなければならない。本発明は、これらの機能を最適方法に含む部品の構造を可能にする。機械要素、すなわちベアリング、ベアリングハウス、ブラケット、ファスナおよびコネクタの内蔵化は、すぐに使えるコンポーネントを与える。そして、それは、本文書による方法および装置を使用するときに、基本的には製造から直接導入されることができる。

すべての電子器材および導線は電磁エネルギーを伝播させる。そして、それは周囲の器材および人々に影響を及ぼす。パワーエレクトロニクスの使用の増加は、電磁環境両立性（ＥＭＣ）の重要性を上げた。ＥＭＣは、すなわち薄板でコンポーネントを遮蔽することによって減少することがありえる。パワーエレクトロニクスの内蔵によって、ＳＭＣがシールドとして作用するにつれて、ＥＭＣの課題は減少して、そしてまた、より短い導線が得られて、よりコンパクトで、効率的で、容易に製造される製品が、得られる。

すべての電磁エネルギー変換装置は、多かれ少なかれ熱の発生に結びつく損失を有する。いくつかの製品はまた、特定の温度で作動するときに、好ましい実行パラメータを有する。伝統的に、これらのコンポーネントのための温度は、分離システムによって調整される。しかしながら、本発明によって、製品の熱制御を許容するための加熱、冷却および温度調整のための、システムの直接的内蔵化が可能になる。製品はまた、埋め込み制御システムその他を含むこともできる。そして、それはインテリジェンスで柔軟性のある一体化した製品を与える。

製品は、他の種類の磁束コンダクタ、導線、ラミネート、フェライト立方体などを含んでもよい。他のタイプの磁束コンダクタ材料を粉体ベースの磁束コンダクタに組み込むことによって、一体化した材料を有する特定の利点（例えば、局地的に減少した磁気飽和効果、異方的磁束コンダクタ特性、局地的に最大化した透磁率）は、最適に利用されることができる。識別可能な課題は、電気機械の歯の磁気飽和である。ここで、その解決策は、積層磁束コンダクタ材料を有する歯材料を局地的に交換することでありえる。電子部品に影響を及ぼすかもしれない方法の１つの実施例が、これである。これは、変圧器に適用される場合、両方とも変圧器の性能のための重要なパラメータである、アイドル電流を最小化して、結合係数を改良する。このようにして、アイドル電流は最小化されてもよく、そして、結合係数は改良されてもよい。

図９は、本発明の方法および装置で製造されるインダクタを示す。インダクタは、電源ネットと、このネットに接続される電気設備との間の電気フィルタコンポーネントとして用いられてもよい。インダクタは、リッツコイルおよび、高分子バインダを有するスラリー状のガス噴霧粉体を含み、そして、内蔵した温度センサなどに可能性を有する。コンポーネントの属性；非常に高いエネルギー対容量比、高周波での小さい損失、低い漏れ磁界、非常に低い音響放射（６％のＳｉ合金に対する）。典型的なコンポーネントは、１２０ｍｍの外径、２．５ｋｇの総重量を有して、そして、合計４２．５ｍｍ^２の銅を与える１２巻きのコイルを有する。インダクタは、３５ｍＨのインダクタンスを有する１７０Ａ_ＲＭＳのために用いられる。損失は、全体で、コイルに、そして、磁束コンダクタに等しく分けられる５０Ｗである。

別の実施形態では、補強構造は、軟磁性コンポーネントに埋め込まれる。補強構造は、個別の、あるいは、編まれるかまたは編まれない形での、繊維の形態であってもよい。生産工程が、型内に軟磁性コンポーネントおよび補強構造を交互に配置することに関係するように、補強構造は、サンドイッチ構造として適用されてもよい。補強構造の使用は、例えば、より高速回転などを許容するように、製品の機械的強度を改良してもよい。補強構造のための多くの材料は、本記述の教示によって提示される熟練した人にとって明らかである。そして、実施例は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、などを含む。

本発明は、したがって、広いエリア（基本的には本発明のプロセスのための全ての適用可能エリア）を含む。実施例は、（その幾つかは、前に記述された）製品を含む。その製品は、粉体ベースの軟磁性コンポーネントを有し、そして、その軟磁性コンポーネントは、最終製品の内蔵部である型内において製造される一体化したコイルを有する。

軟磁性粉体は、少なくとも８０％の鉄、および０％〜２０％、好ましくは６％のシリコンを含む。

粉体は、ガス霧状である。

鋳型は、軟磁性材料において製造される。

製品はまた、硬い磁性材料または硬い磁気ユニットを含む。

製品は、センサを含む。

製品は、機械要素（例えばベアリング、ブラケット、コネクタ）を含む。

製品は、パワーエレクトロニクスを含む。

製品は、制御システムを含む。

製品は、個別の軟磁性材料すなわち、他の種類、導線、ラミネート、フェライト立方体その他の磁束コンダクタを含む。

例えば：電気導線／配線、インダクタンスを含む誘導コンポーネント。

１またはいくつかの電気巻線を含む電気機械（モータ、発電機、ソレノイドのアクチュエータ（回転または並進運動））のコンポーネント。

誘導加熱コイル、電磁成形コイル。

これらは、この方法によって製造される製品の属性が、従来技術と比較して、製品の優れた性能を提供する場合の単にいくつかを例示する。記述された全ての製品は、好ましくは、しかし必然的にではなく、本発明の方法によって製造されてもよい。回転鋳型が使われる場合、本願の最初に記述したように、特定の属性は改善されてもよい。

Claims (12)

1. 圧縮された軟磁性コンポーネントの製造のための方法であって、
   − 被駆動回転軸に接続される少なくとも１つの型キャビティから構成される、回転する型を準備するステップ、
   − 前記少なくとも１つの型キャビティ内にコイルを配置するステップ、
   − 前記コイルが配置された前記少なくとも１つの型キャビティを、軟磁性複合物を成形するためのバインダ及び前記軟磁性複合物を成形するための粉体の形態の軟磁性金属材料で充填するステップ、
   − 充填された前記少なくとも１つの型キャビティの回転のために前記被駆動回転軸を駆動するステップ、を含み、
   前記型は、当該型が遠心力に応答して旋回するように、前記被駆動回転軸を含む平面内の方向において旋回軸の周りに旋回可能に接続され、
   前記型又はその一部が前記軟磁性コンポーネントの一部を構成するために、前記型自体が、前記型キャビティに充填される前記軟磁性金属材料と同様の構成を有し、
   前記軟磁性金属材料は、前記遠心力によって前記少なくとも１つの型キャビティの一側に圧縮されて、前記バインダと混合されて、これにより、前記コイル及び前記軟磁性複合物を含む軟磁性コンポーネントを製造する、方法。
2. 前記型キャビティを充填するステップよりも前に、前記コイルが配置された前記型キャビティ内に追加的な構成要素を配置するステップを更に含み、
   前記追加的な構成要素は、別の軟磁性構成要素；別の硬磁性の構成要素又はユニット；非導電性又は磁気非透過性の別の構成要素；センサ、電子部品、回路基板：冷却チャネル又は放熱板、ヒートシンク；補強材、ファイバ、ファブリック；取り付けブラケット；及び、追加的な構成要素の固定のための、前記軟磁性複合物又は他の材料で製作される固定エレメント；又はそれらの組み合わせ、から成るグループから選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記バインダが高分子バインダである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記軟磁性金属材料が、シリコンを含有する球状粒子を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法を実行する装置であって、
   − 被駆動回転軸、及び
   − 前記被駆動回転軸に接続されて前記被駆動回転軸によって回転される少なくとも１つの型キャビティを含む少なくとも１つの型、を備え、
   前記型キャビティには、その内部に、前記コイルが配置され、且つ前記バインダ及び前記軟磁性金属材料が充填され、
   前記型自体が、前記型キャビティに充填される前記軟磁性金属材料と同様の構成を有し、
   前記型は、前記型が遠心力に応答して旋回するように、前記被駆動回転軸を含む平面内の方向において旋回軸の周りに旋回可能に接続される、装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法によって製造される軟磁性コンポーネントであって、
   軟磁性コンポーネントの一部が、前記型又はその一部から構成されており、前記軟磁性複合物及び前記軟磁性複合物に埋め込まれるコイルを含む、軟磁性コンポーネント。
7. 前記軟磁性複合物に埋め込まれるか又は部分的に埋め込まれる追加的な構成要素を更に含み、前記追加的な構成要素は、別の軟磁性構成要素；別の硬磁性の構成要素又はユニット；非導電性又は磁気非透過性の別の構成要素；センサ、電子部品、回路基板：冷却チャネル又は放熱板、ヒートシンク；補強材、ファイバ、ファブリック；取り付けブラケット；及び、追加的な構成要素の固定のための、前記軟磁性複合物又は他の材料で製作される固定エレメント；又はそれらの組み合わせ、から構成されるグループから選択される、請求項６に記載の軟磁性コンポーネント。
8. 前記軟磁性金属材料が、少なくとも８０重量％の鉄及び、２０重量％未満のシリコンを含む、請求項６又は７に記載の軟磁性コンポーネント。
9. 前記軟磁性金属材料が、シリコンを含有する球状粒子を含む、請求項６〜８のいずれか１項に記載の軟磁性コンポーネント。
10. 前記軟磁性金属材料を含む前記軟磁性複合物の圧縮度が、５０〜８０容量％である、請求項６〜９のいずれか１項に記載の軟磁性コンポーネント。
11. 前記軟磁性金属材料は、６重量％のシリコンを含む、請求項８に記載の軟磁性コンポーネント。
12. 前記軟磁性金属材料を含む前記軟磁性複合物の圧縮度は、７０容量％である、請求項１０に記載の軟磁性コンポーネント。

Images