SE533657C2 - Pulverbaserad, mjukmagnetisk, induktiv komponent samt metod och anordning för tillverkning därav - Google Patents

Description

20 25 30 35 533 657 2 resulterar naturligtvis i låga verkningsgrader, men vad värre är kommer det magnetiska flödet inte att kunna penetrera kopparrören, vilket resulterar i induktionsvärriiníng av rören. Vidare är tillverkningen av kopparrörstrukturen ett tidsödande manuellt arbete.

Ett första steg mot en eliminering eller lättnad av alla ovanstående problem har dykt upp under den senaste tio-årsperioden i och med uppkomsten av ny materialteknik. Denna nya materialteknik åstadkommer näst intill obegränsade möjligheter att specialanpassa, optimera och integrera dessa typer av manöverdon i både konsument- och indusniprodukter.

Materialtekniken i fråga avser är kompositer av mj ukmagnetiska metalliska material med varierande grad av inblandning av bindemedel/bulkmedel, benärrmt SMC (Sofi Magnetic Composite). Fommingen av komponenter i dessa material tilldrar sig stort intresse, eftersom kraven på hög täthet och frihet i utformning går i konflikt med känd tillverkningsteknik. En lyckad tillverkningsprocess innebär en elektromekanisk energiomvandlare med i många avseenden betydligt bättre egenskaper än konventionella - lägre förluster, mindre fysisk storlek, kompaktare integration i det drivna objektet/produkten.

Föreliggande uppfinning avser att åstadkomma en ny och förbättrad metod och anordning för tillverkning av SMC-komponenter, såväl som SMC-komponenter tillverkade med denna metod.

Sammanfattning av uppfinningen En aspekt av uppfinningen är en metod och anordning för tillverkning av en pulverbaserad, mjukmagnetisk, induktiv komponent, vilket innefattar rotationsgjutning i en form, i enlighet med de oberoende patentkraven. Föredragna utföringsformer definieras i underkraven. Gjutformen kan i vissa utföranden vara en integrerad del av den slutliga produkten. Den tillverkade komponenten kan utgöra en komplett elektromagnetisk energiomvandlare, till exempel en motor, en generator, en induktionsspole, en magnetforrrmingsspole, en dragmagnet (roterande eller translaterande rörelse) som innehåller en eller flera elektriska lindningar.

Detta kan jämföras med den vanligaste metoden att kompaktera och formge SMC, enaxlig pressning, men också med metoder såsom formsprutning, isostatisk pressning samt extrudering används. För enaxlig pressning och isostatisk pressning finns en begränsning av detaljens utformning och det är inte möjligt att integrera komponenter, t.ex. sensorer, kretskort etc direkt vid pressningen av detalj en. Extrudering används för att formge SMC men även demta metod är olämplig för att integrera komponenter i den färdiga produkten.

Extrudering begränsar också designfriheten hos produkten. Formsprutning medger viss designfrihet och att integrera komponenter, men SMC-materialet blir inte tillräckligt kompakterat, vilket resulterar i låg perrneabilitet.

En amtan aspekt av uppfinningen är produkten som tillverkas med den ovan beskrivna anordningen och metoden. 10 15 20 25 30 35 533 657 3 En process eller anordning i enlighet med uppfinningen medger ett optimalt sätt att framställa mjukmagnetiska pulverkompositer, SMC. SMC-Soft Magnetic Composites, består av mjukmagnefiska partiklar, som ibland är ytbehandlade för att minska konduktiviteten, och bindemedel, ßreträdelsevis polymerer. Uppfmningen bygger på rotationsgjutning som är en industriellt använd produktionsmetod inom plastindustrin. En uppfinningsenlig anordning kan omfatta en eller flera formkaviteter monterade på en bärare som kan roteras kring en eller flera axlar. Uppvärmning av forrnkaviteten, i den mån varma verktyg används, sker tex. med induktionsuppvärrnning för att hålla cykeltiden kort medan kylning exempelvis sker med vattenspray eller med luft. F ormkaviteten kan laddas stillastående eller under rotation. Den kan till och med laddas under rotation med polymeren först och metallpartiklarna därefter. De fysiska förutsättningarna för processen kommer att ge ett optimalt blandningstörhâllande. Vid rotation så trycks de tyngre metallpartiklarna utåt av centrifugalkraften medan polymeren med lägre densitet trycks inåt, mot rotationscentrurn.

Därigenom fås en hög packningstäthet. Resultatet är en formgjuten mjukmagnetisk detalj med maximalt möjlig pulverpackningstäthet, i intervallet 50-80 vo1yrn% (givet iörutsättningama att komen är stäriska, olika storleksfraktioner av kom används och att komen inte deformeras under packningen) oberoende av det ursprungliga blandníngstörhållandet. Pulverpackningstäthet definieras här utgående från homogena, rotatíonsgjutna SMC-partier i den färdiga produkten, som volymen av mjukmagnetiskt pulver dividerat med totala volymen av ett sådant SMC-parti. Genom att använda metoden som patentet avser, så uppnås möjlighet att producera allt i från enkla till mycket komplicerade mjukmagnetiska komponenter i ett enda stycke. Många produktegenskaper kan integreras redan i gjutfasen, exempelvis ingjutna motorfásten, gängor, rotationslager, spolar, olika typer av givare, mikroprocessorer, krafielektriska komponenter, oladdade permanentmagrieter.

Komponentens storlek kan också varieras inom ett stort område.

Kortfattad beskrivning av ritninøarna Fig. 1 är en schematiskt en genomskäming av gjututrusmingen i enlighet med en aspekt av uppfinningen.

Fig. 2 är en schematisk avbildning av giututrustningen i enlighet med en andra aspekt av uppfinningen.

Fig. 3 är en genomskärning av en gjutform som används i gjututrustriingen i Fig. 2.

Fig. 4 är en genomskärning (partiell utskäming) av en integrerad elektrisk komponent, en del av en motor, som kan åstadkommas direkt från produktionen genom att använda sig av den uppfinningsenliga tillverkningsprocessen.

Fig. 5 är en genomskärning av en fylld gjutfonn i en gjututrustning enligt Fig.1, under rotation. 10 15 20 25 30 35 533 657 ll Fig. 6 visar övre och undre gjutformen hos ett giutverktyg med 8 gjutkaviteter, till gjututrustriingen i Fig. 1, där den övre giutformen är partiellt uppskuren för att åskådliggöra den undre gjutformen.

F ig. 7 visar anordningen enligt Fig. 2 under rotation.

Fig. 8 visar en genomskäming av en flergångsform att användas i anordningen enligt Fig. 2.

Fig. 9 illustrerar schematiskt utfornmingen av en induktiv komponent som kan tillverkas med processen och anordningen enligt uppfinningen.

Detalierad beskrivningav föredragna utföringsforrner Fig. 1 och F ig. 5 illustrerar en anordning enligt en första utföringsform av uppfinningen. Den omfattar ett bord 6, vilket kan bringas i rotation. Monterat på bordet finns en undre 11 och en övre 10 gjutformshalva, separerade med en eller flera delningslínjer 1. Då formdelarna sätts samman skapas formkaviteten 2, en gjutkanal 3 och en gjutså 4. Bordet 6 bringas att rotera med hjälp av en motor 7.

Värmekällor, såsom induktionsvärmare 5 kan arrangeras för att värma gjutformen, om detta är nödvändigt. Induktiv värrnning är fördelaktigt, eftersom värmarna 5 kan vara stationära, medan forrnhalvorna 10, 1 1 roterar med avsedd hastighet. Om nödvändigt kan formhalvoma 10, ll kylas med vattensprej. En anledning till att värma gjutforrnen under rotation kan vara att materialet i kaviteten 2 måste solidiiiera innan gjutforrnen kan stoppas, d.v.s. ett avbrott hos rotationen skulle leda till en deformation av produkten, som formas i kaviteten. En anledning till att kyla är att reducera cykeltiden fiarn till dess att formen kan öppnas efter solidifiering. Under rotation samlas det gjutna materialet så långt ifrån rotationscentrum som möjligt, huvudsakligen i riktning med den nedåtriktade jordgravitationen och i riktning med den utåtriktade centrifiigalkraften. Detta betyder att om rotationen avbryts, kommer centrifugalkraften att vara noll, och endast gravitationskrafien kommer att påverka visköst material i fonnen, med konsekvenserna beskrivna ovan.

Anordningen kan bestå av en eller flera giutkaviteter beroende på storleken och komplexiteten hos den komponent som skall tillverkas. Fig. 6 visar ett verktyg med flera gjutkaviteter 102 inuti en övre 110 och nedre formverktygsdel.

Innan processen påbörjas kan intergrerade komoponenter positioneras i gjutkaviteten 2. Beroende på vilken produkt det handlar om integreras en eller flera komponenter i gjutkaviteten innan kompositmaterialet tillsätts. Exempel innefattar induktorer där spolarna och fästena integreras i gjutformen innan SMC-materialet tillsätts, elektriska motorer där spolar, olika givare, lager, fästen, mikroprocessorer, kraftelektronikkomponenter integreras i gjutfonnen innan SMC-materialet tillsätts, induktionsvärmarenheter där spolar, fästen, olika givare och kylsystem integreras i gjutformen innan SMC-materialet tillsätts.

Gjutningsprocessen börjar med att sätta formverktyget i rotation och att placera ett kompositrnaterial, som består av mjukmagnetiska partiklar och ett bindemedel, företrädesvis 10 15 20 25 30 35 533 B57 5 ett polymermaterial, i kaviteten. Verktyget kan vara uppvärmt när rotation börjar, eller värmas upp under rotation. Rotation orsakar en centrifiigalkrafi, som driver kompositrnaterialet, i en trögflytande vätskeforrn, ut mot ytterkanten av fonnverktygets hålighet. Rotation i kombination med lämpliga kompositmaterial resulterar i en mcllanprodukt med en del med maximal packningstäthet 8, där de mjukmagnetiska partiklarna ackumuleras, och en del med låg packningstäthet 9, där bindemedel som inte fyller hålrummen mellan partiklar samlas.

Rotationshastigheten i kombination med det radiella avståndet till rotationscentrum måste vara tillräckligt för att kompositrnaterialet som skall pressas radiellt mot formverktyget vilket innebär att centrifugalaccelerationen måste överstiga 1 G, vanligtvis 10-200 G, i extrema fall upp till 1000 G.

När formverktygets kavitet är fylld och när materialet har nått önskad partikelkoncentrationen, värms formkaviteten upp och sedan kyls, om detta behövs för att få det använda bindemedlet att stelna snabbt. När SMC-materialet har solidifierat stannar rotationen och avformning ger den färdiga detaljen komplett med integrerade komponenter.

Fig. 2, 3, 7 och 8 beskriver några aspekter av en anordning enligt en andra uttöringsform av uppfinningen. Demia alternativa konstruktion av utrustningen består av ett roterande bärarbord 14, som kan sättas i rotation via en roterande axel. På det roterande bärarbordet 14 finns ett antal gj utformar 13 med formkaviteter arrangerade, fritt rörliga runt en ledad axel, åtminstone i den riktning i planet som innefattar rotationsaxeln. Gjutforrnarna kan vara av engångstyp, se Fig.3, eller anpassade för flera avgjumirigar, se Fig. 8. Processen startar med att ett kompositmaterial, som består av mj ukmagnetiska partiklar och ett bindemedel, företrädelsevis en polymer, placeras i formkaviteten, samt att hållama sätts i rotation. Rotationen skapar en centrifirgalkrafi, vilket vrider formen runt den ledade axeln och trycker kompositrnaterialet, i flytande form, mot botten av fonnkaviteten. När forrnkaviteten är fylld och materialet nått önskad partikeltäthet, avbryts rotationen och formen återtar sin ursprungliga position. Formen läggs i en ugn för härdníng, om detta är nödvändigt.

Användandet av hållare och gjutforrnar som kan fastsatta töre rotation och borttagna efter det att rotationen av stoppats, har fördelen att värmning under pågående rotation blir överflödig. Gjutformar kan prepareras utanför anordningen och rotationsprocessen, vilket ökar den möjliga tillgängligheten hos den uppfunna processen och anordningen enligt denna variant. I princip kan formkavitetema fyllas i ett första steg, där dessa antingen kan vara anslutna till bärarbordet 14, eller också inte vara detta. I ett efterföljande steg ansluts de till rotationsaxeln och roteras. När rotationen avstannar, kommer produkten inuti formkaviteten inte att deformeras, eftersom den ledbart anbringade formen kommer att anpassa sin position när centrifiigalkraftema avtar. De mjukmagnetiska partiklarna kommer att, i ett välpackat tillstånd, att styras mot botten av formen och det finns normalt inga krafter som tvingar dem att lärnna detta tillstånd. Formkaviteterna kan sedan avlägsnas från anordningen, och härdas på en annan plats, om detta är nödvändigt. 10 15 20 25 30 35 533 657 6 Användningen av ledbart anbringade gjutformar medför således i en fördelaktig fördelning krafter i gjutformen och medger en mycket jämn packning av SMC-materialet 19 (Fi g.3) runt integrerade komponenter 15, 16 (Fig. 3). Kraftfördelningen vid rotations utning som sådan resulterar också att partiklarnas form praktiken inte påverkas alls, vilket kan jämföras med traditionella tillverkningsmetoder där krañfördelningen är mindre homogen.

Den tredje utföringsfonnen av anordningen innefattar användandet av engångsformar istället för av flergångsformar. Om en flergångsforrn, såsom illustrerad i F ig. 8 används, ges produkten vid avformningen av den färdiga detalj en. En engångsforrn, såsom illustrerad i Fig. 3, avformas inte, utan blir en integrerad del av den färdiga detalj en. Engångsfonnen kan tillverkas av ett lämpligt material, men företrädelsevis av ett mjukmagnetiskt kompositmaterial, SMC, med liknande sammansättning som materialet i komponenten. Under gjutning, anbringas engångsfonnen i en behållare, vilket är monterad på bäraren. Härigenom erhålls en färdig produkt med homogena egenskaper och sammansättning, utan behovet att avforma.

Ett produktionsproblem är fixeringen av integrerade komponenter i SMC-produkten.

Detta kan åstadkommas genom att tillverka formkaviteten av SMC och inkludera fixeringsorgan för integrerade komponenter. Verktygskaviteten kan t.ex. tillverkas med en formsprutningsprocess. Därefter kan de integrerade komponenterna enkelt fixeras i formkaviteten. Formkaviteten fylls sedan med SMC och roteras tills slutlig packningsdensitet uppnåtts. Formkaviteten med det ohärdade SMC-materialet kan sedan härdas, t.ex. i en ugn.

Formen, tillverkad av SMC, kommer då att bli en integrerad del av den slutliga produkten, med liknande egenskaper som det roterade SMC-materialet.

Användningen av den ovan beskrivna anordningen och processen medger att den tillverkade produkten får sin slutliga form i själva processen, utan något komplicerat eller besvärligt och arbetsintensivt efterarbete. Vidare kommer det mjukmagnetíska materialet att få högsta möjliga partikelkoncentration, under givna förutsättningar, vilket kommer att resultera i optimala magnetiska egenskaper, vilket innebär att kraftema som uppstår under rotation kommer att tvinga de mj ukmagnetiska partiklarna att sedirnentera i ett tillstånd av minimal energi, d.v.s. optimal packning. Processen, rotationsgjutning eller centrifiigalgjutriing, medger möjligheten att tillverka allt från mycket enkla till mycket komplexa mjukmagnetiska komponenter i ett stycke. Många produktegenskaper/komponter kan integreras redan i gjutstadiet, t.ex. inbyggda motorfästen, gängor, lager (se 21, Fig. 4), spolar (se 15, Fig. 3), olika sensorer, kretskort (se 22, F ig. 4), krafielektriska komponenter etc, somliga av vilka är illustrerade i ett efterföljande avsnitt av denna beskrivning.

Det mjukmagnetiska materialet består allmänt av järn (Fe), minst 80%, och kisel (Si) 0%-20%, företrädelsevis 6%. Pulvret tillverkas genom gasatomisering, vilket ger det en nästan sfárisk form. Partikelstorleksfördelningen kan vara från 0,1 um till 500 um. För att uppnå en optimal packningstäthet, används specifika fraktioner av siktat pulver. Genom att 10 15 20 25 30 35 533 657 7 välja mindre partikelstorlekar kan bättre högfrekvensegenskaper erhållas, eftersom mindre partiklar uppvisa full fältpenetration vid högre frekvenser och därmed reduceras virvelströms- förlusterna. Ytterligare mindre partiklar ökar de statiska magnetiseringsförlusterna I praktiken är den önskvärda fördelningen efter siktning, hela partikeldistributionen, utom fraktionen 100-200 pm. Detta ger en packningstäthet på upp till 70%, vilket är nära teoretiskt maximum.

Pulvret värmebehandlas i en syrereducerande eller ickereaktiv atmosfär vid temperaturer över 700°C för att eliminera möjliga restspänningar och för att erhålla en mikrostrukttlrell korntillväxt.

Högfrekvensegenskaperna kan förbättras genom att belägga partiklarna med ett tunt lager elektriskt isolerande skikt. Ytbeläggningen kan vara en blandoxid, t.ex. fosfat/järn-oxid.

Detta skikt appliceras med en våtkemisk eller en våtelektrolytisk process, om nödvändigt i kombination med uppvärmning i gasrniljö, t.ex. argon, nitrogen, hydrogen, oxygen/luft eller andra kombinationer av dessa.

Polymerbindemedlets funktion är att uppnå goda mekaniska egenskaper hos produkten samt också, då ingen ytbeläggrling har använts på metallpartiklarna, att ombesörja elektrisk isolation mellan partiklarna. Polymeren är antingen en härdplast eller en termoplast.

Viskositeten hos polymeren spelar en viktig roll för att uppnå högre pulverpaekningstätheter, vilket är mycket viktigt för att erhålla hög magnetisk perrneabilitet. Viskositeten under gjutning bör vara i storleksordningen 500-700 mPa s för att uppnå hög paekningstäthet och fiill vätning av pulverpartiklarna. Full vätning av partiklarna ökar också de strukturella och mekaniska e genskapema hos den tillverkade produkten. Viskositeten hos många härdplaster är inom det erforderliga intervallet 500-700 mPa s vid rumstemperatur, men för termoplaster måste temperaturen höj as 40-60 °C för att uppnå liknande viskositetsegenskaper.

Temperaturen kan ökas genom att använda ett uppvärmningssystem beskriven i avsnitten om uppfinningens första utförande, med t.ex. induktionsvärmning. Temperaturen hos slurryn, blandningen av metallpartiklar och polymerbindemedel, kan också ökas genom att öka temperaturen hos metallpulvret. Eftersom värmekapacitiviteten CP, för ett metallpulver är lägre än för polymeren, kan uppvärnming av metallpulvret också användas till att värma polymeren.

Produkter som produceras med den beskrivna processen och anordningen kan ha många olika former och egenskaper. Rotationsgjutningen i kombination med ett SMC- material i enlighet med ovanstående specifikationer möjliggör tillverkning av en produkt med integrering av en eller flera komponenter i den tillverkade detaljen. Möjligheter att integrera komponenter finns också med andra produktionstekniker, t.ex. formsprutning. Emellertid är pulverpackningstätheten vid användandet av den föreslagna processen högre, i intervallet 65- 80 volym-% (givet förutsättningarna att partiklarna är sfäriska, att olika partikelfraktioner mixas samt att ingen deformation av partiklarna sker under packningsprocessen). 10 15 20 25 30 35 533 657 8 Material av denna typ med samma packningstäthet kan inte användas för formsprutning.

Exem el En elektromagnetisk energiomvandlare karakteriseras av en eller flera elektriska kretsar orienterade på ett sådant sätt att de gemensamt existerar i det magnetfält som härrör från strömmen som cirkulerar i de elektriska kretsarna.

En mjukmagnetisk konstruktion kan användas för att öka förmågan att leda det magnetiska flödet runt 'strömkretsarrra Konstruktionen kan bestå av delar som är fixa eller rörliga relativt strömkretsarna och strukturen kan också innehålla hårdrnagnetiska material.

När magnetíältet varierar, utsätts de mjukmagnetiska flödesledarna för en inducerad spänning som driver en ström vilket i sin tur orsakar resistiva förluster, d.v.s. virvelströmsiörluster. Andra förluster har att göra med förändringar i magnetflödet, primärt hysteresfórluster och anomala förluster.

Förlustema är sammantaget kända som magnetiseringsiörluster. För att reducera magnetiseringsförlustema, delas traditionellt den magnetiska kretsen upp i tunna skikt (larninat) som är elektriskt isolerade och orienterade så att de elektriska strömmarna flyter i laminatens plan. Denna lamineringsteknik begränsar designfiiheten hos elektromagnetiska energiomvandlare, enär laminaten staplas intill varandra och att sedan spolen lindas runt derma käma. Denna design år vanlig för många induktorer, transformatorer och elektriska maskiner. En altemativ metod är baserad på att pressa järnpulver med höga tryck till en solid kropp som, med efterföljande värmebehandling, förses med en elektrisk lindning. Denna metod används till både induktorer och elektriska maskiner.

En elektromagnetisk energiomvandlare byggs enligt den uppfunna processen beskriven tidigare skiljer sig fiån traditionella energiomvandlare och kännetecknas av: 1. Flödesledaren (den mjukmagnetiska strukturen) tillverkas med den beskrivna metoden rotationsgjutning. 2. Den elektriska lindningen gjuts in i själva den magnetiska flödesledaren. 3. Andra komponenter, såsom fästen, sensorer, kylflänsar etc. kan också ingjutas i samma ilödesledare.

Fig. 4 illustrerar en elektromagnetisk energiomvandlare som innefattar alla kännetecknen ovan. Komponenten i Fig. 4 är en stator till en elektrisk motor, med en elektrisk lindning 24 omgiven av en komplex icke-magnetisk struktur 25, företrädelsevis en förforrrrad terrnoplast som fördelar SMC-materialet till avsedda områden, vilket ger ekvivalenta lufigap.

I denna produkt har den icke-magnetiska strukturen 25 samma elektromagnetiska roll som ett luftgap i en traditionell motordesign. Den elektriska lindningen 24 och polymerstrukturen 25 är inbäddade i en SMC-flödesledare 23. Ett styrsystem kan ombesörjas av elektroniken på det 10 15 20 25 30 35 533 B57 “l integrerade kretskortet 22. Detalj en monteras på en axel (ej visad) försedd med ett integrerat lager 21. Fig. 4 illustrerar en motor till en fläkt och därför är fläktvingar integrerade i gjutformen, som en del av den magnetiska flödesledaren 23. Kombinationen av magnetiska egenskaper, integrerade lindningar och andra element är unikt för denna metod.

Flödesledaren 23 gjuts under processen direkt på kretskortet. Kretskortet 22 innehåller kontaktpunkter för spolen, lagersäten, kraftelektronik, motorstyrning, skyddskretsar (temperatur, överström). Karakteristiska egenskaper hos den färdiga produkten blir: mycket hög momenttätltet, mycket goda frekvensprestanda, enkel att kyla eftersom alla vârmealstrande komponenter är termiskt kopplade till SMC-materialet, mycket låg ljudemission (för 6% Si-legering).

Med den uppfinningsenliga processen och anordningen är det möjligt att skapa komplexa integrerade detaljer med väsentligt färre tillverkningssteg än med existerande teknologier. Det är enkelt att positionera olika komponenter i utfonnen, t.ex. mikroprocessorer (22, Fig. 4), krafielektronik, sensorer, kylflänsar, motorfästen, spolar (24, Fig. 4 och 28, Fig.9), lager (21 , F ig.4), kondensatorer etc, vilket ytterligare reducerar produktionstiden för den tillverkade detaljen. Den kompletta produkten tillverkas direkt i processen och anordningen, varefter ett antal konventionella metoder, t.ex. skärande bearbetning och montering, används för att erhålla den slutliga produkten.

I ett annat exempel, tillverkning av ett komplett EMC-filter, inkluderar temperaturkontroll, induktorer, kapacitanser, lindning, kopplingsplint och monteringsfästen kan ske i en enda operation, då den beskrivna processen och anordningen används.

Andra exempel på potentiella komponenter som kan tillverkas genom den uppfunna processen och anordningen är komponenter i elektriska maskiner (motorer, generatorer, dragmagneter (roterande och linjär rörelse)) som innehåller en eller flera elektriska lindningar, induktionsspolar, magnetformningsspolar, och olika slags induktorer.

De SMC-baserade induktiva komponenterna som tillverkas med material och metod bekrivna häri, kan ha en stor andel delar integrerade i gjutformen. Detta är inte bara fördelaktigt för att reducera tillverkningstid, utan ger också en helt ny möjlighet att designa elektromagnetiska energiomvandlare.

Integrering av sensorer tillåter att dessa positioneras nära mätstället utan påverka egenskaperna hos detaljen. Till exempel temperaturgivare kan positioneras i överhettade punkter (“hot spots”) utan att hål behöver borras i flödesledaren och påverka de magnetiska egenskapema. Vid induktionsvärmning kan både temperatur- och positionsgivare integreras direkt i värmningsenheten, vilket medger mätning mycket nåra det uppvärmda objektet, istället för att göra separata mätfixturer med problemet att komma nära den önskade mätpunkten.

De flesta elektromagnetiska energiomvandlare är delar av maskiner och annan utrustning. Som sådana monteras energiomvandlama på många olika sätt. För traditionella l0 15 20 25 30 35 533 B57 1.0 energiomvandlare måste fästelement appliceras med flera produktionssteg och ur elektromagnetisk synvinkel också på ogynnsamma platser. Föreliggande uppfinning medger en konstruktion av detaljer som innefattar dessa egenskaper på ett optimerat sätt.

Integreringen av maskinelement, d.v.s. lager, lagerhus, hållare, fästelement och kontaktdon, ger en produkt färdig att använda, som i princip kan installeras direkt efter tillverkningsprocessen, om man använder metoden och anordningen enligt detta dokument.

All elektronisk utrustning och ledningar överför elektromagnetisk energi, vilket påverkar omgivande utrustning och personer. En ökad användning av kraftelektronik har ökat betydelsen av elektromagnetisk kompatibilitet, EMC. EMC kan reduceras genom att skärma komponenterna med tex. plåt. Genom att integrera kraftelektronik kan EMC-problemen reduceras, eftersom att SMCn fungerar som skärm. Dessutom erhålls kortare ledningar och en kompaktare, effektivare och mera tillförlitligt tillverkad produkt.

Alla elektromagnetiska energíomvandlare uppvisare mindre eller store förluster, vilket resulterar i alstring av värma. Vissa produkter har fördelaktiga driftsegenskaper då de körs vid en viss temperatur. Traditionellt regleras temperaturen hos dessa komponenter med separata system. Denna uppfinning medger emellertid direkt integrering av system för värmning samt kylning och temperaturreglering medger temperaturstyming av produkten. Produkten kan också innehålla inbyggda styrsystem etc, vilket ger produkten integrerad intelligens och flexibilitet.

Produkten kan innehålla flödesledare av annat slag, tråd, laminat, ferritblock etc.

Genom att integrera andra typer av flödesledare i den pulverbaserade flödesledaren, kan speciella styrkor hos det integrerade materialet utnyttjas optimalt; till exempel lokalt minskad mättnadsmagnetisering, anisotropa magnetflödesegenskaper och lokalt maxirnerad permeabilitet. Ett problem som kan identifieras är magnetisk mättnad i tänderna hos en elektriska maskin, där lösningen kan vara att lokalt ersätta tandmaterialet med larninerat flödesledarmaterial.

Fig. 9 illustrerar en induktor som tillverkats med den uppfinningsenliga metoden och anordningen. Induktorer kan användas som induktiva filterkomponenter mellan lcraftttätet och den elektriska utrustning som ansluts till nätet. Induktorn utgörs av en litz-spole, gasatomiserat pulver i en blandning med polymerbindemedel och har en möjlighet att integrera temperaturgivare etc. Egenskaper hos komponetema; mycket högt energi-volym- förhållande, låga förluster vid alla frekvenser, låga läckfält, mycket låg ljudernission (för 6% Si-legeringen). En typisk komponent har en ytterdiameter på 120 mm, en total vikt på 2.5 kg och har 12 lindningsvarv hos spolen, vilket ger en total kopparyta på 42.5 mmz. Induktorn används för 170 ARMS med en induktans på 35mH. Förlustema är totalt 50W jämt fördelade i spolen och i den magnetiska flödesledaren.

Uppfinningen omsluter därför ett stort område, i stort sett hela applikationsområdet för uppfinningsenliga processen. 533 657 li Exemplen innefattar (av vilka somliga har beskrivits tidigare) produkter: Med pulverbaserade mjukmagnetiska komponenter med integrerad spole, tillverkad i en form som är en integrerad del av slutliga produkten.

Där det mjukmagnetiska pulvret består av järn, minst 80% och kisel, Si, O%-20%, 5 företrädelsevis 6% Si.

Där pulvret är gasatomiserat.

Där gjutfonnen är tillverkad av ett mjukmagnetiskt material.

Där produkten också innehåller hårdrnagnetiska material.

Där produkten innehåller sensorer. 10 Där produkten innehåller maskinelement, t.ex. lager, fästdon, kontaktdon.

Där produkten innehåller krafielektronik.

Där produkten innehåller styrsystem.

Där produkten innehåller flödesledare av annan sort; tråd, laminat, ferritblock etc.

Såsom: 15 Induktiva komponenter som innehåller elektriska lindningar, induktanser.

Komponenter i en elektrisk maskin (motorer, generatorer, dragmagneter (roterande och linjär rörelse)) som innehåller en eller flera elektriska lindningar.

Induktionsvämmingsspolar, magnetfonnningsspolar.

Detta är bara några exempel på fall där egenskaperna hos detalj en producerade med 20 den presenterade metoden ger överlägsna produktprestanda, järntört med existerande teknik.

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 533 657 ll PATENTKRAV

1. l. Process för tillverkning av en packad mjukmagnetisk komponent, omfattande stegen: - att förbereda en rotationsgjutform, bestående av minst en gjutkavitet förbunden med en driven rotationsaxel, - att anordna en elektrisk komponent i giutforrnen, - att fylla nänmda minst en utkavitet med ett bindmedel och ett mjukmagnetiskt, metalliskt material i pulverform, - att driva axeln för rotation av närrmda minst en gjutform, varvid det mjukmagnetiska, metalliska materialet packas av centrifugalkrafter till en sida av nämnda minst en gjutkavitet, blandas med bindemedlet, och därigenom bildar en komponent innefattande en mjukmagnetisk komposit.

2. Process enligt något föregående krav, vid vilken gjutkaviteten är ledbart förbunden med den drivna rotationsaxeln, varvid giutkaviteten svänger svarande mot centrifiigalkrafierna.

3. Process enligt något föregående krav, varvid steget att fylla gjutkaviteten omfattar understegen: - att tillsätta bindemedlet till gjutkaviteten, - att tillsätta det mjukmagnetiska, metalliska materialet till gjutkaviteteri, varvid blandning sker vid den efterföljande rotationen av gjutkaviteten.

4. Process enligt något föregående krav, vidare innefattande steget att, föregående steget att fylla gjutkaviteten, anordna ytterligare komponenter i giutforrnen, vilka ytterligare komponenter är valda ur gruppen bestående av: diskreta mjukmagnetiska komponenter eller flödesledare; diskreta hårdrnagnetiska komponenter eller flödesledare; diskreta komponenter som inte leder ström eller magnetfält; sensorer, elektroniska komponenter, spolar, kretskort; kylkanaler eller kylkroppar; och fixeringsorgan fór fixering av komponenter, varvid fixeringsorganen är utformade av en mjukmagnetisk komposit eller annat material; eller kombinationer därav.

5. Process enligt något föregående krav, varvid bindemedlet är ett polymerbindemedel.

6. Process enligt något föregående krav, vid vilken den mjukmagnetiska komponenten omfattar sfäriska partiklar, företrädesvis med ett Si-innehåll av 3-10 vikt%. 10 15 20 25 30 533 657 13

7. Process enligt något föregående krav, varvid gjutfonnen omfattar en mjukmagnetisk komposit, företrädesvis av den sort som skall giutas i gjutforrnen.

8. Process enligt krav 7, varvid gjutformen vidare omfattar monteringsfásten för komponenter som skall integreras i den mjukmagnetiska komponenten, varvid monteringsfástena är utformade i en del med gjutformen och av samma material.

9. Anordning för utförande av processen enligt något föregående krav, vilken anordning omfattar - en driven rotationsaxel, och - minst en giutfonn omfattande minst en giutlcavitet förbunden med rotationsaxeln och roterbar med närrmda axel, varvid gjutformen är ledbart förbunden med rotationsaxeln.

10. Produkt tillverkad med en process enligt något av föregående krav 1-8, vilken produkt omfattar en mjukmagnetisk komposit och en spole inbäddad i kompositen, kännetecknad av att den mjukmagnetiska kompositen omfattar sfariska partiklar.

11. 1 1. Produkt enligt krav 10, vidare innefattande ytterligare komponenter inbäddade eller delvis inbäddade i den mjukmagnetiska kompositen valda ur gruppen bestående av: diskreta mjukmagnetiska komponenter eller flödesledare; diskreta hårdmagnetiska komponenter eller flödesledare; diskreta komponenter som inte leder ström eller magnetfält; sensorer, elektroniska komponenter, spolar, kretskort; kylkanaler eller kylkroppar; och fixeringsorgan för fixering av komponenter, varvid fixeringsorganen är utformade av en mjukmagnetisk komposit eller annat material; eller kombinationer därav.

12. Produkt enligt krav 10 eller 11, varvid det mjukmagnetiska, metalliska materialet omfattarjärn, åtminstone 80 vikt-%, och Si 0-20 vikt-%, företrädesvis 6 vikt-% kisel.

13. Produkt enligt krav l0-l2, varvid en packningstäthet av det mjukmagnetiska, metalliska materialet är 50-80 volym%, såsom 70 volym%.