DE19931102A1 - Herstellverfahren für ein Leichtmetall-Gehäuse mit einer darin eingegossenen Elektromagnet-Spule - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für ein Leichtmetall-Gehäuse mit einem darin eingegossenen elektrischen oder elektronischen Bauelement, insbesondere einer Elektromagnet-Spule. Erfindungsgemäß wird auf die Oberfläche des elektrischen oder elektronischen Bauelementes zunächst eine gegen höhere Temperaturen beständige elektrische Isolationsschicht aufgebracht, daraufhin kann das mit der Isolationsschicht versehene Bauelement mit einer Deckschicht, bevorzugt einer Leichtmetall-Schicht, ummantelt werden, wonach das solchermaßen ummantelte Bauelement mit dem Leichtmetall-Gehäuse umgossen wird. Die gegen höhere Temperaturen beständige elektrische Isolationsschicht kann in Form einer keramischen oder anorganischen, lufttrocknenden und wasser- oder lösungsmittelbasierten Paste durch Streichen oder Spachteln oder Spritzen aufgebracht werden. Zum Ummanteln mit der Deckschicht kann das Bauelement in ein Schmelzebad getaucht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für ein Leichtmetall-Gehäuse mit einem darin eingegossenen elektrischen oder elektronischen Bauelement, insbesondere einer Elektromagnet-Spule. Zum technischen Umfeld wird ne­ ben der DE 196 46 937 A1 (im Hinblick auf eine in einem Leichtmetall- Gehäuse angeordnete Elektromagnetspule) bezüglich des Eingießens einer solchen Spule beispielshalber auf die DE 30 45 130 A1 verwiesen.

Es kann erforderlich sein, elektrische oder elektronische Bauelemente be­ sonders fest in einem (umgebenden) Gehäuse zu integrieren, da bspw. eine einfache Steck- oder Paßverbindung wegen unvermeidbarer Spalte nicht nur nachteilig bezüglich einer Wärmeabfuhr aus dem Bauelement ist, sondern oftmals den insbesondere dynamisch am Bauelement angreifenden mecha­ nischen Kräften nicht standhalten würde. Gleiches gilt auch bezüglich des bekannten Eingießens dieser Bauelemente in Kunstharz oder dgl. (vgl. hier­ zu bspw. die oben zweitgenannte Schrift). In der oben erstgenannten Schrift ist ein Beispiel für ein hohen Kräften sowie härtesten Einsatzbedingungen ausgesetztes elektrisches Bauelement in Form einer Elektromagnetspule eines elektromagnetischen Aktuators für ein Hubventil einer Brennkraftma­ schine gezeigt.

Wünschenswert ist es demzufolge, ein solchermaßen beanspruchtes elektri­ sches oder elektronisches Bauelement in ein umgebendes Gehäuse eingie­ ßen zu können, da mit dieser Verbindungstechnik eine bestmögliche Stabi­ lität und gleichzeitig eine günstige Wärmekopplung (für eine Wärmeabfuhr aus dem besagten Bauelement) erzielbar ist. Im übrigen zeichnet sich diese Verbindungstechnik in der Großserienfertigung durch einen relativ geringen Herstellaufwand und durch einfachste Handhabbarkeit der fertigen Produkte sowie durch höchste Zuverlässigkeit derselben aus. Beim bevorzugten An­ wendungsfall einer Elektromagnetspule (insbesondere eines elektromagneti­ schen Aktuators) handelt es sich bei dem die Spule aufnehmenden Gehäuse um ein solches aus Leichtmetall. Einerseits soll das Gewicht des Gehäuses nämlich relativ gering sein, andererseits soll das Aktuator-Gehäuse bevor­ zugt in einem Leichtmetall-Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine installiert werden, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gehäuses sowie des Zylinderkopfes annähernd gleich sein sollen.

Wie auf besonders günstige und zuverlässige Weise ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, insbesondere eine Elektromagnetspule, in ein Leichtmetallgehäuse eingegossen werden kann, soll hiermit aufgezeigt wer­ den (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß auf die Ober­ fläche des elektrischen oder elektronischen Bauelementes zunächst eine gegen höhere Temperaturen beständige elektrische Isolationsschicht aufge­ bracht wird, und daß das solchermaßen ummantelte Bauelement mit dem Leichtmetall-Gehäuse umgossen wird. Hinsichtlich des erzielbaren Ergeb­ nisses weiter gesteigert werden kann das Verfahren, wenn das mit der Isola­ tionsschicht versehene Bauelement noch vor dem Eingießen in das Leicht­ metallgehäuse mit einer sog. Deckschicht, bevorzugt einer Leichtmetall- Schicht, ummantelt wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der weite­ ren Unteransprüche.

Zumeist ist es nicht möglich, das besagte Bauelement, insbesondere eine elektrische Wickel-Spule, direkt mit einer Schmelze einer Leichtmetall- Legierung, die in eine geeignete Gießform gefüllt wird und im erstarrten Zu­ stand das genannte Gehäuse bildet, durch geeignetes Einlegen bzw. Posi­ tionieren dieses Bauelementes in die/der Gießform zu umgießen, da eine übliche Oberflächenschicht dieses Bauelementes, die zumeist auch elek­ trisch isolierend und daher funktional erforderlich ist, der Temperatur der Leichtmetallschmelze nicht standhalten würde. Beispielsweise ist der übliche Isolationslack auf dem Kupferdraht einer gewickelten Elektrospule tempera­ turbeständig bis zu ca. 280°C, wohingegen die Temperatur einer gängigen Leichtmetallschmelze in der Größenordnung von 700°C liegt.

Mit den erfindungsgemäßen Merkmalen wird diese Problematik nun beho­ ben, und zwar durch zumindest eine isolierende Zwischenschicht zwischen dem Bauelement als solchem sowie der dieses letztendlich umhüllenden Leichtmetall-Vergußmasse, wobei diese Isolation sowohl elektrisch (für den Betrieb des Bauelementes) als auch gegenüber höheren Temperaturen (für das Eingießen desselben) wirken soll. Die letztgenannte Isolationswirkung kann dabei durch die zweite sog. Deckschicht verstärkt werden.

Demnach wird auf die Oberfläche bzw. Außenseite(n) des letztendlich einzu­ gießenden Bauelementes (zunächst) eine gegenüber höheren Temperaturen beständige elektrische Isolationsschicht aufgebracht. Bevorzugt handelt es sich hierbei um organische und/oder anorganische, lufttrocknende, wasser­ basierte oder lösungsmittel-basierte Pasten. Mit einer solchen kann bevor­ zugt durch Aufstreichen oder Spachteln, aber auch durch Tauchen oder Spritzen, alternativ durch eine Verarbeitung mittels Spritzguß o. ä., das elektri­ sche oder elektronische Bauelement (sowie ggf. auch elektrische Anschluß­ teile desselben) ummantelt werden.

Mit dieser elektrischen Isolationsschicht bzw. hinsichtlich elektrischer Leitung isolierend wirkenden Zwischenschicht, die auch gegenüber einer Einwirkung höherer Temperaturen (in der Größenordnung von 700°C) zumindest kurz­ zeitig resistent ist, wird eine Voraussetzung zur Durchführung des nächsten Verfahrensschrittes, nämlich des Eingießens, geschaffen. Dabei sollte das Material, das diese gegen höhere Temperaturen beständige elektrische Iso­ lationsschicht bildet, gegenüber der Oberfläche des zu ummantelnden Bau­ elementes ein relativ gutes Benetzungsverhalten zeigen, um eine großflä­ chige Haftung dieser Isolationsschicht sicherzustellen. Im Falle einer Elek­ tromagnetspule sollte somit ein gutes Benetzungsverhalten bezüglich des die Spule bildenden Kupfer-Materials bzw. des den Kupferdraht umhüllenden Isolierlackes vorliegen. Vorteilhaft ist es, wenn diese elektrische Isolations­ schicht auch gegenüber dem nachfolgend beim Eingießen der Spule oder beim (fakultativen) Aufbringen der sog. Deckschicht aufgebrachten Leicht­ metall-Material ein gutes Benetzungsverhalten zeigt.

Noch vor dem Eingießen kann in einem nächsten Bearbeitungsschritt das solchermaßen mit dieser (ersten) Isolationsschicht versehene elektrische oder elektronische Bauelement mit einer (zweiten) sog. Deckschicht, bevor­ zugt gebildet durch eine Leichtmetallschicht ummantelt werden. Bevorzugt wird hierzu das Bauelement ggf. mehrmals in ein geeignetes (Leichtmetall-)­ Schmelzebad getaucht, wodurch sich auf dem Bauelement bzw. auf dessen gegen höhere Temperaturen beständigen elektrischen Isolationsschicht die dünne Deckschicht ablagert, deren Dicke in der Größenordnung zwischen 0,1 mm bis 1,0 mm liegen kann. Eine Aufgabe dieser Deckschicht liegt darin, die zuvor aufgebrachte Isolationsschicht vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. Sie sollte im Hinblick auf optimale magnetische Eigenschaften eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Insbesondere wenn die Dicke dieser Deckschicht geringer als 0,5 mm ist, kann sie durch eine schlecht leitende Leichtmetall-Legierung gebildet sein.

In diesem Zusammenhang sei nochmals auf die Funktion der ersten Zwi­ schenschicht oder Isolationsschicht eingegangen. Wie bereits erläutert soll diese das elektrische oder elektronische Bauelement vor einer direkten schädlichen Einwirkung des beim Eingießen das umgebende Gehäuse bil­ dende Leichtmetalls schützen. Die gleiche Schutzwirkung entfaltet die (erste) Isolationsschicht aber auch gegenüber der fakultativ aufgebrachten zweiten Zwischenschicht bzw. Deckschicht. Keines dieser Materialien darf am elek­ trischen/elektronischen Bauelement einen Kurzschluß erzeugen, so daß zwi­ schen der ggf. vorhandenen Deckschicht bzw. dem Leichtmetall des Guß­ gehäuses sowie dem Bauelement eine elektrisch wirksame Isolationsschicht vorhanden sein muß.

Wird dabei die genannte Deckschicht aufgebracht, so muß die erste Isolati­ onsschicht gegenüber der - allerdings nur relativ kurzzeitigen - Temperatur- Einwirkung, die in Verbindung mit dem Aufbringen der (dünnen) Deckschicht stattfindet, resistent sein. Die genannte Temperatur-Einwirkung erfolgt dabei deshalb nur relativ kurzzeitig, weil die für die Deckschicht bevorzugt aufzu­ bringende Leichtmetallschicht relativ dünn ist, so daß dieses (selbstverständlich zunächst flüssige und daher heiße) Deckschicht-Material äußerst schnell abkühlt.

Die wesentliche Funktion der ggf. aufgebrachten Deckschicht, bevorzugt dünnen Leichtmetallschicht, wird in Verbindung mit dem Eingießen des elektri­ schen oder elektronischen Bauelementes in das besagte Leichtmetall-Gehäuse erläutert. Der besondere Vorteil des Aufbringens dieser Deckschicht durch einen Tauchvorgang liegt insbesondere in einer daraus resultierenden relativ geringen Wärmebelastung des Bauelementes durch die heiße Schmelze des die Deckschicht bildenden Materials. Weil bei einem solchen Tauchvorgang das elektrische/elektronische Bauelement nur für eine kurze Zeitdauer in der (bevorzugt Leichtmetall-) Schmelze verbleibt, besteht ferner nur eine geringe Gefahr eines metallischen Angriffes durch aggressive Bestandteile des die Deckschicht bildenden Materials. Dabei kann durch mehrfaches Eintauchen die Dicke der Deckschicht gezielt beeinflußt werden.

In letzten Bearbeitungsschritt wird das nunmehr ummantelte Bauelement mit dem Leichtmetall-Gehäuse umgossen. Als mögliche Gießverfahren eignen sich dabei insbesondere Verfahren mit verlorenen Formen, wie zum Beispiel Kernpaketen, Lost Foam, und Sandguß, aber auch Dauerform-Gieß­ verfahren wie Schwerkraftkokillenguß oder Niederdruckguß und Druckguß. Bei diesem Gießprozess, d. h. beim Umgießen bzw. Eingießen des bereits ummantelten elektrischen/elektronischen Bauelementes kommt nun bevor­ zugt die fakultativ im vorhergehenden Bearbeitungsschritt aufgebrachte Deckschicht zur Geltung.

Zum einen erfolgt beim Eingießen bzw. Umgießen des ummantelten Bau­ elementes ein Anschmelzen dieser Deckschicht, insbesonder Leichtmetall­ schicht. Hierbei erfolgt ein Abzug von Wärme aus der das Leichtmetall- Gehäuse bildenden Leichtmetall-Schmelze, so daß keine Gefahr besteht, daß das elektrische/elektronische Bauelemente geschädigt wird. Eine weite­ re Funktion der vor dem Eingießen aufgebrachten Deckschicht liegt darin, daß diese sozusagen als Haftvermittler zwischen der ersten, gegen höhere Temperaturen beständigen elektrischen Isolationsschicht und der nunmehr durch Umgießen aufgebrachten, letztlich das Leichtmetall-Gehäuse bilden­ den und dabei das elektrische/elektronische Bauelement zumindest teilweise umhüllenden (und dabei selbstverständlich zunächst flüssigen) Leichtmetall- Schmelze wirkt, insbesondere wenn die Deckschicht selbst durch eine Leichtmetall-Legierung gebildet wird.

Sollte die Wärme-Isolationswirkung der vor dem Eingießen auf das elektri­ sche/elektronische Bauelement aufgebrachten Schicht bzw. Schichten nicht ausreichend sein, so kann in Verbindung mit dem Umgießen bzw. Eingießen dieses Bauelementes eine weitere Wärmeabfuhr durch gezielten Wärmeent­ zug, d. h. gezielt hervorgerufene endotherme Vorgänge erfolgen. Bekannte Technologien hierfür sind chemische Reaktionen in den aufgebrachten Schichten. Auch besteht die Möglichkeit einer gezielten Kühlung, so bspw. durch geeignete Kühleinsätze im Gieß-Werkzeug, oder die Möglichkeit einer lokalen Kühlung, so z. B. mittels sog. Kühleisen, bzw. eine Unterkühlung des Bauteiles. Derartige Technologien können im übrigen auch eingesetzt wer­ den, wenn im Rahmen des Aufbringens der weiter oben genannten ersten, gegen höhere Temperaturen beständigen elektrischen Isolationsschicht die­ se bspw. in Form einer keramischen Paste oder dgl. zum Beispiel gebrannt werden muß.

Bezüglich des letzten erfindungsgemäßen Bearbeitungsschrittes, nämlich des Eingießens des bereits ummantelten elektrischen/elektronischen Bau­ elementes, sind auch weitere Ansätze denkbar. So können bspw. Einlege­ kappen aus gebrannter Keramik zur Abkapselung gegen die Leichtmetall- Schmelze beim Eingießen vorgesehen werden. Spulen, Stecker u. ä. können so zu den Guß-Kernen hin abgedichtet werden, wobei außen auch Kühlrip­ pen und Hinterschnitte zur verbesserten mechanischen Verklammerung vor­ gesehen sein können.

Anstelle des weiter oben genannten Tauchens des mit der ersten, gegen höhere Temperaturen beständigen elektrischen Isolationsschicht versehe­ nen Bauelementes zum Aufbringen der besagten Deckschicht ist auch eine Positionierung mit Einlegteilen möglich, d. h. diese zweite Deckschicht kann bspw. auch durch Spritzgußverfahren (z. B. bei Metallen durch die "Injekted- Metal-Assembly"-Technologie) hergestellt werden. Hierbei wird ebenfalls ei­ ne dünnwandige Ummantelung, die der Außenkontur des Bauelements ent­ spricht und die aus Zink und Magnesium bestehen kann, gebildet. Auch hierbei ist eine schnellstmögliche Abkühlung und eine optimale Positionier­ genauigkeit erzielbar.

In diesem Zusammenhang sei bezüglich des Aufbringens der ersten, gegen höhere Temperaturen beständigen elektrischen Isolationsschicht noch dar­ auf hingewiesen, daß vor deren Auftrag eventuelle Kavitäten im Bauelement (so bspw. zwischen den Spulenwicklungen) durch Vakuumvergießen (mit einem Kunstharz oder dgl.) ausgefüllt werden können. Diese Maßnahme dient einer verbesserten Wärmeabfuhr aus dem elektrischen/elektronischen Bauelement.

Ebenfalls in diesem Zusammenhang sei noch auf einen besonderen Vorteil hingewiesen, der sich durch ein Eingießen bzw. Umgießen eines im Betrieb Abwärme oder Verlustwärme produzierenden elektrischen/elektronischen Bauelementes, so insbesondere einer bereits genannten Elektromagnet­ spule, ergibt. Indem nämlich dieses Bauelement durch das Eingießen mit dem das umgebende Leichtmetall-Gehäuse bildenden Material quasi direkt in wärmeleitender Verbindung steht, kann die Abwärme bzw. Verlustwärme nahezu ungehindert in das Gehäuse abfließen und somit aus dem Bauele­ ment abgeführt werden. Betriebsbedingte Überhitzungsprobleme des Bau­ elementes, bspw. der Elektromagnetspule, werden somit vermieden; im Falle des letztgenannten Bauelementes im übrigen auch steigende Ohm'sche Verlust durch zunehmende Erwärmung.

Selbstverständlich können eine Vielzahl von Details durchaus abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprü­ che zu verlassen. Stets erhält man durch die geschilderte Ummantelung ei­ nen wesentlichen Isolationsschutz, eine verbesserte Wärmeabfuhr sowie ggf. zusätzlich eine elektromagnetische Abschirmung. Ferner sind mechani­ sche Beschädigungen des Bauelementes durch seine dann in der Umman­ telung geschützte Lage quasi ausgeschlossen. Schließlich fallen geringere Herstellkosten aufgrund wegfallender Montage- und Bearbeitungsumfänge an. Dabei läßt sich eine längere Lebensdauer aufgrund der form- bzw. stoff­ schlüssigen Anbindung des elektrischen/elektronischen Bauelementes an das Gehäuse erwarten, da bspw. keine Setzerscheinungen auftreten, aber auch wegen der bereits genannten verbesserten Wärmeabfuhr.

Claims (4)

1. Herstellverfahren für ein Leichtmetall-Gehäuse mit einem darin einge­ gossenen elektrischen oder elektronischen Bauelement, insbesondere einer Elektromagnet-Spule, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des elektrischen oder elektronischen Bauelementes zunächst eine gegen höhere Tem­ peraturen beständige elektrische Isolationsschicht aufgebracht wird, ehe das solchermaßen ummantelte Bauelement mit dem Leichtmetall- Gehäuse umgossen wird.

2. Herstellverfahren nach Anspruch 1, daß das mit der Isolationsschicht versehene Bauelement vor dem Eingießen mit einer Deckschicht, bevorzugt mit einer Leichtmetall- Schicht, ummantelt wird.

3. Herstellverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen höhere Temperaturen be­ ständige elektrische Isolationsschicht in Form einer keramischen oder anorganischen, lufttrocknenden, und wasser- oder lösungsmittelba­ sierten Paste durch Streichen oder Spachteln oder Spritzen aufge­ bracht wird.

4. Herstellverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement zum Ummanteln mit der Deckschicht in ein Schmelzebad getaucht wird.