專利名稱：粉末基軟磁感應(yīng)元件、生產(chǎn)該元件的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軟磁復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種由軟磁復(fù)合材料組成的元件的生 產(chǎn)方法和裝置。本發(fā)明也涉及直接采用該方法獲得的產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今的絕大部分先進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品都使用一定類型的電磁能量轉(zhuǎn)換器，例如電動機(jī)， 擴(kuò)音器，麥克風(fēng)，傳感器和用于開/關(guān)滑動部件(例如DVD播放器)以及輸送鈔票(自動提 款機(jī))的驅(qū)動器等。幾乎所有的這些都是非常傳統(tǒng)類型的標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)/元件，在上個世紀(jì)，其生產(chǎn)方法 和將元件組裝在一個產(chǎn)品內(nèi)的可能方式還沒有得到充分的發(fā)展。傳統(tǒng)的馬達(dá)生產(chǎn)過程包括變壓器鋼片的沖壓和疊加。由于沖壓的成本很高，大量 生產(chǎn)必須考慮要有一個可接受的成本。進(jìn)一步，由于在使用疊加的變壓器鋼板的機(jī)器中僅 能存在二維磁通量，其電路的復(fù)雜程度會很高，會產(chǎn)生例如很多互聯(lián)線圈，且經(jīng)常是直接纏 繞在馬達(dá)齒上。為了制造這樣的機(jī)器，需要很多的手工操作，這樣就是它們變得很昂貴。在鋼片式變壓器中能使用的最有可能的頻率取決于每個變壓器鋼片的厚度。如果 使用少于0. 2毫米厚度的鋼片會導(dǎo)致變壓器的成本非常高，而價格合理的機(jī)器又不能被設(shè) 計成高速或/和高極數(shù)的。另外一個與電機(jī)有基本相同缺陷的例子是傳統(tǒng)的感應(yīng)器、扼流圈等，主要的區(qū)別 是，由于大多數(shù)使用的電感磁芯材料的磁導(dǎo)率都相當(dāng)高，為了不使磁芯材料飽和不得不引入 氣隙。如果線圈纏繞得超過了氣隙，就要?？紤]邊緣損失，邊緣損失會造成很難冷卻的熱點。傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱線圈也存在相關(guān)的問題。這些線圈，幾乎無一例外，都由液體冷卻 的銅管構(gòu)建。由于高頻下趨膚效應(yīng)，銅管會存在有效性很受限制的導(dǎo)電區(qū)域。這自然會降 低效率，但更糟糕的是，產(chǎn)生的全部磁通量無法穿透銅管，這就導(dǎo)致了銅管的感應(yīng)加熱。進(jìn) 一步，銅管的生產(chǎn)是費時的體力勞動。在過去的十年當(dāng)中，伴隨著新材料技術(shù)的誕生，消除或緩和所有上述問題的第一 步已經(jīng)出現(xiàn)。新材料技術(shù)提供了幾乎無限制的可能性，即特別適應(yīng)、優(yōu)化和組裝這些在消費 品和工業(yè)產(chǎn)品中使用的驅(qū)動器類型的可能性。正在討論的材料技術(shù)為具有可變量的粘結(jié)劑 以及填料的軟磁金屬材料的復(fù)合物，將其命名為軟磁復(fù)合材料，即SMC。由SMC制備的這些 元件的成型是非常令人感興趣的，原因是在高密度的需求和設(shè)計自由方面與熟知的制備方 法相矛盾。一種有效的成型過程將會制備出一個在很多方面都優(yōu)于傳統(tǒng)方式的能量轉(zhuǎn)換 器，如低損耗，小尺寸，在驅(qū)動裝置/產(chǎn)品上更緊湊的組裝。本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)SMC元件的新的、改進(jìn)的方法和裝置，以及利用 該方法制造的SMC元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面，根據(jù)獨立權(quán)利要求所述，涉及一種粉末基軟磁感應(yīng)元件的生產(chǎn)方法和裝置，包括在模型中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鑄造。優(yōu)選的實施方式在從屬權(quán)利要求中予以明確。 在一些實施方式中模型可以形成最終產(chǎn)品的一部分。生產(chǎn)出來的元件可以構(gòu)成一個完整的 電磁能量轉(zhuǎn)換器或僅構(gòu)成其一部分，例如為，電機(jī)，發(fā)電機(jī)，感應(yīng)線圈，感應(yīng)器，生磁線圈，包 含一個或更多電力繞組的螺旋管驅(qū)動器(旋轉(zhuǎn)或平移運動)。這可以和現(xiàn)今最常用的方法進(jìn)行比較，該方法能使其緊湊并獲得SMC元件的最終 形狀，不僅可以使用單軸擠壓，還可以采用注射成型、等靜壓制和擠壓方法得到。由于單軸 加壓和等靜壓制會對產(chǎn)品的設(shè)計自由產(chǎn)生限制，且不可能通過對生產(chǎn)的產(chǎn)品直接進(jìn)行擠壓 而將各個元件，即傳感器、電路板，組裝為一體。使SMC成型需通過擠壓來實現(xiàn)，但該方法仍 不允許生產(chǎn)的產(chǎn)品中的其它元件的組裝。擠壓也限制了產(chǎn)品的設(shè)計自由。注射成型能允許 一些設(shè)計自由和組裝元件的可能性，但獲得的SMC不夠緊湊，導(dǎo)致磁導(dǎo)率降低。本發(fā)明的另一方面涉及依據(jù)上述方法和裝置生產(chǎn)的產(chǎn)品。依據(jù)本發(fā)明的方法或裝置能獲得軟磁粉末復(fù)合材料SMC的最優(yōu)制造。SMC由軟磁 顆粒以及粘結(jié)劑組成，其中軟磁顆粒有時可以被涂覆使得電導(dǎo)率最小，粘結(jié)劑優(yōu)選為一種 聚合物。發(fā)明是基于旋轉(zhuǎn)成型，其主要是在塑料工業(yè)中應(yīng)用的生產(chǎn)方法。發(fā)明的一個裝置 可以包括一個或多個安裝在支架上可以繞一個或多個軸旋轉(zhuǎn)的模型腔。如果模型腔需要加 熱，可以例如通過感應(yīng)加熱實現(xiàn)，以使循環(huán)時間縮短，當(dāng)需要冷卻時，可以通過噴水或空氣 實現(xiàn)。模型腔可以在靜止或旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行裝填。模型腔甚至可以在旋轉(zhuǎn)的過程中先裝填 聚合物再裝填金屬顆粒。整個過程中要為最佳的混合比例提供相應(yīng)的物理條件。在旋轉(zhuǎn)的 過程中，由于離心力的作用，較重的金屬顆粒被從旋轉(zhuǎn)中心向外拋出，而具有較低密度的聚 合物被向內(nèi)推向旋轉(zhuǎn)中心。從而獲得了很高的填塞度。結(jié)果獲得了一種具有最大粉末填塞度的鑄造軟磁元 件，與初始混合比無關(guān)，其填塞度在50-80體積％之間(假設(shè)顆粒為球形，且是不同顆粒尺 寸的組分混合以及在填塞過程中顆粒不發(fā)生形變)。這里的粉末填塞度定義為以最終產(chǎn) 品的均勻的旋轉(zhuǎn)鑄造SMC部分為基準(zhǔn)，軟磁粉的體積占例如SMC部分的總體積的百分?jǐn)?shù)。通過使用本發(fā)明，生產(chǎn)從簡單到復(fù)雜的片狀軟磁元件都能夠?qū)崿F(xiàn)。與其他的生產(chǎn) 過程相比較，在鑄造階段就能夠?qū)a(chǎn)品的零件組裝，例如嵌入式電機(jī)支架、電線、軸承、線 圈、各種傳感器、微處理器、電力電子元件、永磁鐵等。元件的尺寸可以在一個較寬的范圍內(nèi) 變化。


圖1圖示說明了按照本發(fā)明一個方面的鑄造設(shè)備的部分截面圖。圖2圖示說明了按照本發(fā)明第二個方面的鑄造設(shè)備。圖3為圖2所示的鑄造設(shè)備中使用的模型截面圖。圖4為一個組裝后的電子元件的部分截面/裁切圖，馬達(dá)的一部分，采用本發(fā)明的 生產(chǎn)過程可能直接制造出來。圖5為在圖1所示的鑄造裝置中的填充后的模型腔的截面圖，其處于旋轉(zhuǎn)過程中。圖6示出了帶有8個模型腔的模具的模型上半部分和下半部分，對于圖1的鑄造 設(shè)備而言，模型的上半部分已被去掉以示出其下半部分。圖7示出了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的圖2所示的裝置。
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圖8為在圖2所示的鑄造裝置中使用的一個多用途鑄造模具的截面圖。圖9圖示意性地示出了可以采用本發(fā)明的工藝和裝置生產(chǎn)的感應(yīng)元件的設(shè)計圖。
具體實施例方式圖1和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第一種實施方式中的裝置。它包括一個平臺6，其能 夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在平臺上固定被一個或更多分型線1分開的模型的上半部分10和下半部分 11。將模型的各個部分組合在一起形成模型腔2、流槽3和澆注池4。平臺6由馬達(dá)7驅(qū)動 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如果需要加熱，可以放置例如感應(yīng)加熱器5的加熱工具來加熱模型。感應(yīng)加熱的 優(yōu)點在于加熱器5可以固定，而模型10、11以預(yù)定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如果需要，模型10、11 能采用噴水的方式冷卻。在旋轉(zhuǎn)的過程中對模型進(jìn)行加熱的原因在于在模型停止旋轉(zhuǎn)之前 模型腔2中的材料需要加熱使其凝固，S卩如果中斷旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致模型腔內(nèi)形成的產(chǎn)品變形。 在凝固之后、打開模型之前進(jìn)行冷卻的原因在于減少循環(huán)時間。在旋轉(zhuǎn)過程中，材料會盡可 能地集中在遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的位置，基本上是沿著向下的重力和垂直地遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸方向的離 心力的分量方向上。明顯地，如果旋轉(zhuǎn)停止，離心力會等于零，則僅有重力影響模型腔中的 任何粘性材料，即會導(dǎo)致上述結(jié)果。根據(jù)生產(chǎn)的元件尺寸和復(fù)雜程度，該裝置可以由一個或數(shù)個模型腔組成。圖6示 出了在模型的上半部分110和下半部分111內(nèi)具有多個模型腔102的模具。在制備過程開始之前，任何組裝的元件都可以定位在模型腔2內(nèi)。在加入復(fù)合材 料之前有一個或多個元件在模型腔中組裝，這取決于產(chǎn)品。實例包括電感器，在加入SMC材 料之前線圈和支架先在模型中進(jìn)行組裝；電動機(jī)，在加入SMC材料之前，線圈、各種傳感器、 軸承、支架、微處理器、電力電子元件先在模型中進(jìn)行組裝；感應(yīng)加熱組件，在加入SMC材料 之前，線圈、支架、各種傳感器和冷卻系統(tǒng)要先在模型中進(jìn)行組裝。鑄造過程開始時，使模型旋轉(zhuǎn)并將由軟磁顆粒和粘結(jié)劑組成的復(fù)合材料放入模型 腔中，粘結(jié)劑優(yōu)選為一種聚合物。在旋轉(zhuǎn)開始時或旋轉(zhuǎn)過程中，都可以對模具加熱。旋轉(zhuǎn)產(chǎn) 生的離心力將以粘性流體形式存在的復(fù)合材料推向模型腔的圓周方向。將合適的復(fù)合材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)能獲得一中間產(chǎn)品，在其具有最大顆粒填塞度的部分 (8)積聚了軟磁顆粒，在其具有低顆粒填塞度的部分(9)積聚了沒有添加至顆粒之間的粘 結(jié)劑。與距離旋轉(zhuǎn)中心的徑向距離相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)速度必須足夠大，以使復(fù)合材料沿著模 型的徑向被擠壓，也就意味著離心加速度必須超過1G，典型地為10-200G，極端個別的情況 下要達(dá)到1000G。當(dāng)將模型腔填充好并且材料已經(jīng)達(dá)到了期望的顆粒濃度時，如果需要使已用的粘 結(jié)劑快速凝固，則將模型腔加熱并隨后冷卻。當(dāng)SMC材料凝固后停止旋轉(zhuǎn)，并完成元件的組 裝后使完成的部分脫模。圖2、3、7和8示出了按照本發(fā)明第二實施方式的裝置的一些方面。該裝置可選擇 的設(shè)計方式包括一個支撐平臺14，其被設(shè)置成能繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在支撐平臺14上有很 多鑄造模型13，并帶有模型腔，其至少能沿一個方向在包括旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)繞樞軸12自由 運動。鑄造模型可以一次性使用，參見圖3，或者能適于多次鑄造，參見圖8。過程開始時先將一種由軟磁顆粒和優(yōu)選為一種聚合物的粘結(jié)劑組成的復(fù)合材料放入模型腔，并使托架做 旋轉(zhuǎn)運動。旋轉(zhuǎn)能產(chǎn)生離心力，該離心力能使模型繞樞軸轉(zhuǎn)動并將以流體形式存在的復(fù)合 材料推向模型腔的底部。當(dāng)將模型腔裝填滿且材料已達(dá)到預(yù)期的顆粒濃度時，停止旋轉(zhuǎn)，模 型回到其初始位置。如果需要，可以將模型放入烤爐中養(yǎng)護(hù)。托架和在旋轉(zhuǎn)之前進(jìn)行安裝并在旋轉(zhuǎn)停止之后移除的鑄造模型的使用具有一個 優(yōu)點，即不需要在旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行加熱。在裝置和旋轉(zhuǎn)過程之外來制備鑄造模型，以盡可能 的增加依據(jù)該實施方式的本發(fā)明的過程和使用的裝置的運行時間?；旧希谝徊揭忍?充模型腔，其中它們可以與或不與托架平臺14相連接。隨后的步驟中將它們與旋轉(zhuǎn)軸相連 接并使它們旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)停止時，模型腔中的產(chǎn)品并不會變形，原因在于當(dāng)離心力降低的時 候，可樞轉(zhuǎn)的模型會適應(yīng)它的位置。軟磁顆粒會以一個填塞良好的狀態(tài)被置于模型腔中的 底部，在正常情況下沒有力會將它們推離上述位置。如果需要，之后將模型腔從裝置上去除 并在另一個位置上養(yǎng)護(hù)。使用樞軸式鑄造模型能使模型中的力分布得很好，并在組裝的元件15、16(圖3) 周圍產(chǎn)生填塞非常均一的SMC材料19(圖3)。與其中力的分布很不均勻的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相 比，旋轉(zhuǎn)模制中這樣的力分布能使顆粒的形狀幾乎根本不受影響。該裝置的第三種實施方式包括使用一次性模型，而不是能多次使用的模型。如圖8 所示，如果使用能多次使用的模型，則需經(jīng)脫模才能產(chǎn)生最終的部分。如圖3所示，一次性 模型不需要脫模，原因在于它能與最終的部分成為一個整體。一次性模型可以用任何合適 的材料制備，但優(yōu)選由與元件中使用的材料具有相似組分的軟磁復(fù)合材料SMC制備。在鑄 造過程中，一次性模型固定在安裝在托架上的容器中。這樣，就不需要將制備得到的具有均 一性質(zhì)和組分的最終產(chǎn)品進(jìn)行脫模了。在SMC產(chǎn)品中，一個生產(chǎn)上的問題是組裝元件的固定。這能通過采用SMC制造的 模型腔使其變得很容易，其中包括組裝元件的固定。模型腔例如能通過噴射鑄造工藝生產(chǎn)。 于是組裝元件能夠容易在模型腔中固定。然后用SMC裝填模型腔并旋轉(zhuǎn)至最終的填塞密 度。裝有未被硬化的SMC的模型腔能在例如烤爐中硬化。采用了 SMC制造的模型腔會成為 最終產(chǎn)品的一個組裝部分，并與旋轉(zhuǎn)制備的SMC具有相似的性質(zhì)。采用以上所描述的裝置和工藝能使最終制備的產(chǎn)品具有在實際過程中的最終形 狀，在工藝過程之后不需要任何復(fù)雜或繁瑣、密集的工作。進(jìn)一步，該軟磁材料能取得最高 可能性的顆粒濃度，在這種情況下，能產(chǎn)生最優(yōu)的磁性，意味著旋轉(zhuǎn)過程中的力將促使形成 軟磁材料的顆粒以最小能量狀態(tài)沉積，即最佳填塞。該工藝，即旋轉(zhuǎn)鑄造或離心鑄造提供了 在一個單件上可以生產(chǎn)從簡單到非常復(fù)雜的軟磁感應(yīng)元件的可能性。在澆注階段許多產(chǎn)品 的零件/元件都能被組裝，例如嵌入式電機(jī)支架、電線、軸承(參見21，圖4)、線圈(參見 15，圖3)、各種傳感器、線路板(參見22，圖4)、電力電子元件等，其中的一些將在本說明書 的隨后部分說明。軟磁粉末通常包括鐵(Fe)，至少80 %，和硅(Si) 0%~20%,優(yōu)選大約6 %。該粉末 通過氣體噴霧進(jìn)行制備，產(chǎn)生的形狀幾乎為球形。粒徑分布在0. Ιμπι到500μπι之間。為 了獲得最優(yōu)的填塞度，可以使用具有特定篩粉尺寸的部分。通過選擇更小的粒徑，可以獲得 更好的高頻性能，原因在于較小的顆粒在更高頻率下顯示出充分的場滲透性，并由此減少 了渦流損失。然而，較小的顆粒也會增加靜態(tài)磁化損失。在實際操作中，較優(yōu)選的篩分部分是使用除了 100-200 μ m之間部分的所有顆粒分布。產(chǎn)生的粉末填塞密度增加到70%，其接 近于理論上的最大值。將該粉末在缺氧或非活性氣氛的條件及700°C以上的溫度下進(jìn)行加熱處理以去除 可能存在的殘留應(yīng)力并獲得微結(jié)構(gòu)的晶粒生長。通過用一層薄的電絕緣層涂覆顆粒能提高高頻性能。表面涂層涂覆后能成為一種 混合氧化物，例如磷酸鹽/鐵氧化物。該涂層能被應(yīng)用于濕化學(xué)或濕電解過程，如果需要還 可以在氣體環(huán)境下進(jìn)行加熱，氣體例如氬氣、氮氣、氫氣、氧氣/空氣或這些氣體的不同組
I=I O聚合物粘結(jié)劑的作用是獲得一個具有良好力學(xué)性能的產(chǎn)品，并且還可以在金屬粉 末顆粒上面不使用表面涂層的情況下提供顆粒之間的電絕緣作用。該聚合物既可以是熱固 性樹脂也可以是熱塑性樹脂。聚合物的粘度對獲得更高的粉末填塞密度起著重要的作用， 而粉末填塞密度對獲得較高的磁導(dǎo)率起著非常重要的作用。為了獲得高的粉末填塞度和粉 末顆粒的充分潤濕，鑄造過程中的粘度應(yīng)在500-700mPa. S之間。顆粒的充分潤濕也能提高 生產(chǎn)的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。許多熱固性樹脂在室溫下的粘度要求在500-700mPa. S之 間，而熱塑性樹脂為了獲得相似的粘度性質(zhì)溫度必須提高40-60°C?？梢允褂帽景l(fā)明第一種 實施方式中描述的加熱系統(tǒng)，利用例如感應(yīng)加熱，來提高溫度。通過提高金屬粉末的溫度來 提高金屬粉末顆粒和聚合物粘結(jié)劑的混合物漿料的溫度。由于金屬粉末的比熱容Cp要比 聚合物的比熱容低，對金屬粉末的加熱也能用于加熱聚合物。采用此處所描述的工藝過程和裝置生產(chǎn)的產(chǎn)品能具有很多不同的形狀和性能。裝 有根據(jù)本說明書上述部分描述的一種SMC材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鑄造能使產(chǎn)品的生產(chǎn)具有能夠在 已生產(chǎn)的部分中將一個或數(shù)個元件進(jìn)行組裝的可能性。這種組裝元件的可能性也可以在其 他生產(chǎn)技術(shù)即噴射鑄造中完成。然而，使用本發(fā)明的工藝過程和裝置獲得的粉末填塞度較 高，在65-80體積％之間(假設(shè)顆粒為球形，且為不同顆粒部分的混合以及在填塞過程中顆 粒不發(fā)生形變)。具有這種填塞度的該類型材料不能在噴射鑄造中使用。根據(jù)一種或幾種實施方式生產(chǎn)的產(chǎn)品也可以配備冷卻管路或冷卻機(jī)構(gòu)，它們在旋 轉(zhuǎn)鑄造的過程中使用。冷卻管路在實際中也可以使用一種軟磁材料或其他材料制備的管 道，或者簡單的由模壓產(chǎn)品中的孔洞組成。這些孔洞可以通過將由一種材料制備的構(gòu)造物 加入到模型中獲得，其在模制后可以被去除。實施例當(dāng)今流行的一種電磁能量轉(zhuǎn)換器的特點為具有一個或多個電路，該電路相互存在 于由電路中的電流循環(huán)產(chǎn)生的磁場中。能使用一種軟磁結(jié)構(gòu)以提高引導(dǎo)線路周圍磁流的能力。該結(jié)構(gòu)可以包括相對于線 路固定或可移動的部分并且該結(jié)構(gòu)也可以包含硬磁材料。當(dāng)磁通量變化時，軟磁導(dǎo)體產(chǎn)生 了能驅(qū)動電流的感應(yīng)電壓，電流能反過來引起阻力損失即渦流損失。其他損失也與磁通量 的變化有關(guān)，主要是磁滯損失和異常損失。這些損失被統(tǒng)一稱作磁化損失。為了減少磁化損失，一般將電氣絕緣并有一定方 向的薄層(層壓板)中的磁路分開，以使電流在層壓板的平面內(nèi)流動。層壓的方法限制了 電磁能量轉(zhuǎn)換器的設(shè)計自由，而將芯層壓板并排疊放，然后將線圈繞在芯的周圍。這種設(shè)計 對許多感應(yīng)器、變壓器和電機(jī)都是很常見的。一種可選擇的方法是在高壓下將鐵粉擠壓成一個固體，經(jīng)后續(xù)處理以后再配備一個電力繞組。這種方法使用在感應(yīng)器和電機(jī)上。按照之前描述的本發(fā)明的過程制造的電磁能量轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器不同，其特 征在于1、使用所描述的旋轉(zhuǎn)鑄造方法制造磁通量導(dǎo)體(軟磁結(jié)構(gòu))。2、電力繞組澆注在實際的磁通量導(dǎo)體中。3、其他元件，例如支架、傳感器、散熱凸緣等也可以澆注在相同的磁通量導(dǎo)體中。圖4示出了一個包含上述所有特征的電磁能量轉(zhuǎn)換器。圖4的元件是一個電動機(jī) 的定子，其帶有一個電力繞組24，電力繞組被一個復(fù)雜的非磁結(jié)構(gòu)25環(huán)繞，優(yōu)選為一種在 適當(dāng)?shù)奈恢蒙戏植加蠸MC材料的預(yù)制熱塑性樹脂，并留有相等的氣隙。在這個產(chǎn)品中，非磁 結(jié)構(gòu)25具有與傳統(tǒng)的電動機(jī)設(shè)計中的氣隙相同的電磁作用。電力繞組24和聚合物間隙結(jié) 構(gòu)25嵌入在SMC磁通量導(dǎo)體23中。控制系統(tǒng)可以由組裝電子板22上的電子元件提供。該 元件被安裝在由組裝軸承21引導(dǎo)的一個軸(未示出)上。圖4示出了一個風(fēng)扇的馬達(dá)，因 此，扇葉在模型中組裝并作為磁通量導(dǎo)體23的一部分。對使用本方法生產(chǎn)的元件而言，磁 質(zhì)量、組裝繞組和其他單體的組合是獨特的。在制造過程中，將磁通量導(dǎo)體直接澆注在印刷電路板上。該印刷電路板包括與線 圈的接觸部分、軸承座、電力電子元件、馬達(dá)控制器、安全電路(溫度、過流)。性能為非常 高的扭矩密度，非常好的高頻性能，由于所有的發(fā)熱元件都熱耦合于SMC上而容易冷卻，非 常低的聲發(fā)射(對6% Si合金而言)。在制造過程中，將磁導(dǎo)體23直接澆注在印刷電路板上。該印刷電路板22包括與 線圈的接觸部分、軸承座、電力電子元件、馬達(dá)控制器、安全電路(溫度、過流)。制備好的產(chǎn) 品的特有性能為非常高的扭矩密度，非常好的高頻性能，由于所有的發(fā)熱元件都熱耦合于 SMC上而容易冷卻，非常低的聲發(fā)射(對6% Si合金而言)。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的過程和裝置采用實質(zhì)上更少的步驟就可能制造出復(fù) 雜的組裝元件。在模型腔中能夠容易地將不同的元件定位，例如微處理器(22，圖4)、電力 電子元件、傳感器、冷卻凸緣、馬達(dá)支架、線圈(24，圖4和28，圖9)、軸承(21，圖4)、電容器 等，進(jìn)而能進(jìn)一步較少生產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)時間。該過程和裝置能直接生產(chǎn)出成品，而傳統(tǒng)的生 產(chǎn)過程還需包括幾個后續(xù)操作，即加工、裝配，才能獲得最終的產(chǎn)品。作為另外一個實施例，使用本發(fā)明所描述的過程和設(shè)備，包括控溫器、感應(yīng)器、電 容器、配線、端子板和安裝支架的完整的EMC過濾器的制造可以在一個操作步驟中完成。其他實施例，可能使用本發(fā)明的過程和裝置制造的元件為電機(jī)(馬達(dá)，發(fā)電機(jī)， (旋轉(zhuǎn)的和平移的)螺線管制動器)中的元件，包括一個或多個電力繞組、感應(yīng)加熱線圈、磁 力成型線圈和不同類型的感應(yīng)器。使用此處所描述的材料和方法制造的基于SMC的感應(yīng)元件在模型內(nèi)能具有高的 部件組裝程度。這不但具有能減少制造時間的優(yōu)點，而且能給出一個全新的設(shè)計電磁能量 轉(zhuǎn)換器的可能性。其中傳感器的組裝能夠使傳感器定位于接近測量點而對元件的性能沒有影響。例 如能將溫度傳感器定位在元件的熱點而不需要在磁通量導(dǎo)體上鉆孔，也不會影響到磁性 能。在感應(yīng)加熱單元中，溫度傳感器和位置傳感器能被直接組裝在加熱單元內(nèi)，能非常近地 測量離被加熱的物體，而沒有單獨安裝設(shè)備所帶來的需要接近于期望測量點的問題。
大多數(shù)電磁能量轉(zhuǎn)換器為機(jī)器和設(shè)備的一部分。像這樣的能量轉(zhuǎn)換器可以用許多 不同的方法安裝。因為傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換器緊固件必須用在幾個生產(chǎn)步驟中，并且所在的位 置對電磁方面不利。本發(fā)明能使包含這些特征的部分以一個最佳的方式組裝起來。機(jī)器組 件的組裝，即軸承、軸承座、支架、緊固件和連接器的組裝，能生產(chǎn)一個隨時可使用的元件， 即當(dāng)使用根據(jù)本文件記載的方法和裝置時，元件制造出來之后基本上能直接投入使用。所有的電子設(shè)備和線路都傳輸電磁能量，其會影響周圍的設(shè)備和人。增加電力電 子設(shè)備的使用已經(jīng)提升了電磁兼容性EMC的重要性。能通過使用屏蔽元件即金屬板來減少 EMC。通過組裝電力電子元件能減少EMC問題，因為SMC能作為一個屏蔽元件，同時也能獲 得更短的線路以及更加緊湊的、有效的和容易制造的產(chǎn)品。所有的電磁能量轉(zhuǎn)換器都或多或少的有損耗，進(jìn)而產(chǎn)生熱量。當(dāng)在特定的溫度下 操作時，一些產(chǎn)品也具有良好的運行參數(shù)。一般地，這些元件的溫度使用獨立的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào) 節(jié)。然而本發(fā)明能進(jìn)行加熱、冷卻和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的直接整合，以實現(xiàn)對產(chǎn)品的熱控制。所 述產(chǎn)品也可以包括嵌入式控制系統(tǒng)等，能使組裝的產(chǎn)品具有智能性和靈活性。該產(chǎn)品可以包含其他種類的磁通量導(dǎo)體，線路、層壓板、鐵氧立方體等。通過組裝 其他類型的磁通量導(dǎo)體材料于粉末基磁通量導(dǎo)體中，特殊的優(yōu)點在于組裝后的材料能被最 優(yōu)化利用；例如局部磁飽和度下降的影響，各向異性磁導(dǎo)體的性能、局部最大化磁導(dǎo)率。能 確定的問題是電機(jī)齒內(nèi)的磁飽和度，其可以通過層壓的磁通量導(dǎo)體材料來局部替代齒材 料。這種方式如何影響電子元件的例子為若用于變壓器，那么就是將無效電流最小化并提 高耦合系數(shù)，這兩個是變壓器性能的關(guān)鍵參數(shù)。按照這種方法，無效電流可以被最小化，且 耦合系數(shù)也可以被提高。圖9示出了一個用本發(fā)明的方法和裝置制備的感應(yīng)器。感應(yīng)器能被用作電網(wǎng)和與 電網(wǎng)連接的電子設(shè)備之間的電力濾波器元件。該感應(yīng)器包括一個絞線線圈、含有聚合物粘 結(jié)劑的漿液狀氣體霧化粉末，還可能組裝有溫度傳感器等。該元件的性能為非常高的能 源-體積比率、高頻下的小損失、低漏場、非常低的聲發(fā)射(對于6%的Si合金)。一種典型 的元件具有120mm的外徑，2. 5kg的總重量以及在總共42. 5mm2的銅線圈上繞有12圈。感 應(yīng)器能用于具有35mH電感的170AfflS。一共50W損失均等地分散在線圈和磁通量導(dǎo)體中。在另一實施方式中，加固結(jié)構(gòu)嵌入在軟磁元件中。加固結(jié)構(gòu)可以是纖維的形式，離 散的或紡織或非紡織的形式。該加固結(jié)構(gòu)可以使用夾心結(jié)構(gòu)，這樣生產(chǎn)過程中就可以在模 型中選擇地放置軟磁元件和加固結(jié)構(gòu)。加固結(jié)構(gòu)的使用可以提高產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度，例如以 允許更快速旋轉(zhuǎn)等。在本說明書的教導(dǎo)下，用于形成加固結(jié)構(gòu)的許多材料對本領(lǐng)域技術(shù)人 員來說是顯而易見，具體的例子包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。本發(fā)明包括很寬的范圍，基本上是本發(fā)明的過程全部可適用的范圍。具體的例子 中包括的產(chǎn)品如下(其中的一些已經(jīng)在之前描述)在模具中生產(chǎn)的帶有組裝線圈的粉末基軟磁元件的產(chǎn)品，其是最終產(chǎn)品的一個組 裝部件。其中軟磁粉末包括鐵，至少80%，以及Si 0%-20%，優(yōu)選6%的Si。其中的粉末被氣體霧化。其中的鑄造模型使用軟磁材料制造。其中的產(chǎn)品也包括硬磁材料或硬磁組件。
其中的產(chǎn)品包括傳感器。其中的產(chǎn)品包括機(jī)械元件，例如軸承、支架、連接器。其中的產(chǎn)品包括電力電子元件。其中的產(chǎn)品包括控制系統(tǒng)。其中的產(chǎn)品包括一種離散的軟磁材料或其他種類的磁通量導(dǎo)體，導(dǎo)線、層壓板、鐵 氧體立方體等。例如感應(yīng)元件包括電線/布線，電感。電機(jī)中的元件(馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、(旋轉(zhuǎn)或平移運動的)螺線管制動器)包括一個或 幾個電繞組。感應(yīng)加熱線圈，生磁線圈。這些僅僅是實際例子中的一部分，與現(xiàn)有的工藝相比，在實際例子中使用本方法 生產(chǎn)的產(chǎn)品能提供優(yōu)越的產(chǎn)品性能。所有描述的產(chǎn)品可以最好但不是必須要使用本發(fā)明的 方法生產(chǎn)。正如本申請前面的描述，若使用旋轉(zhuǎn)鑄造，某些性能可能會有所提高。
權(quán)利要求
一種生產(chǎn)填塞的軟磁元件的方法，包括如下步驟制備旋轉(zhuǎn)模型，該模型包括與從動旋轉(zhuǎn)軸相連接的至少一個模型腔，在模型中放置線圈，用粘結(jié)劑和粉末形式的軟磁金屬材料填充該至少一個模型腔，驅(qū)動所述軸使得所述至少一個模型旋轉(zhuǎn)，由此，通過離心力將軟磁金屬材料填塞至所述至少一個模型腔的一邊，并與粘結(jié)劑混合，從而形成包含軟磁復(fù)合材料的元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中模型腔與從動旋轉(zhuǎn)軸為樞軸式連接，由此模型腔響應(yīng) 離心力樞轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，在填充模型步驟之前，進(jìn)一步包括如下步驟放置更多的元件至模型中，所述更多的元件從由下述元件構(gòu)成的組中選擇離散的軟 磁元件或磁通導(dǎo)體；離散的硬磁元件或組件；離散的不導(dǎo)電或不導(dǎo)磁場的元件；傳感器、電 子元件、線路板；冷卻管路或冷卻體、散熱器；加固件、纖維、技術(shù)織物、安裝支架；和用于元 件固定的固定組件，其中固定組件能由軟磁復(fù)合材料或其他材料制造；或上述元件的組合。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中模型本身包括一種軟磁復(fù)合材料，優(yōu)選為要在 模型中模制的種類，這樣該模型或模型的一部分就能構(gòu)成最終產(chǎn)品的一個組裝部分。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中的粘結(jié)劑為聚合物粘結(jié)劑。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中的軟磁元件包括球形顆粒，優(yōu)選其Si含量為 3-10重量％。
7.一種實施前述任一權(quán)利要求的方法的裝置，所述裝置包括從動旋轉(zhuǎn)軸，和至少一個模型，該模型包含與旋轉(zhuǎn)軸相連接并被該軸帶動旋轉(zhuǎn)的至少一個模型腔，其中該模型與旋轉(zhuǎn)軸為樞軸式連接。
8.一種產(chǎn)品，優(yōu)選根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項權(quán)利要求所述的方法制造，所述產(chǎn)品包 括一種軟磁復(fù)合材料和一種嵌入在所述復(fù)合材料中的線圈。
9.權(quán)利要求8所述的產(chǎn)品，進(jìn)一步包括嵌入或部分嵌入在軟磁復(fù)合材料中的附加元 件，所述附加元件從由下述元件構(gòu)成的組中選擇離散的軟磁元件或磁通導(dǎo)體；離散的硬 磁元件或組件；離散的不導(dǎo)電或不導(dǎo)磁場的元件；傳感器、電子元件、線路板；冷卻管路或 冷卻體、散熱器；加固件、纖維、技術(shù)織物；安裝支架；和用于元件的固定的固定組件，所述 固定組件由軟磁復(fù)合材料或其他材料制造；或上述元件的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的產(chǎn)品，其中的軟磁金屬材料包括至少80重量％的鐵，0-20 重量％的Si，優(yōu)選6重量％的Si。
11.根據(jù)權(quán)利要求8、9或10的產(chǎn)品，其中的軟磁元件包括球形顆粒，優(yōu)選其Si含量為 3-10重量％。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11任一權(quán)利要求的產(chǎn)品，其中澆注的軟磁金屬材料的填塞度為 50-80體積%，例如70體積%。
全文摘要
一種生產(chǎn)填塞的軟磁元件的方法，包括如下步驟制備旋轉(zhuǎn)模型，該模型包括與從動旋轉(zhuǎn)軸相連接的至少一個模型腔，在模型中放置線圈，用粘結(jié)劑和粉末形式的軟磁金屬材料填充該至少一個模型腔，驅(qū)動所述軸使得所述至少一個模型旋轉(zhuǎn)，由此，通過離心力將軟磁金屬材料填塞至所述至少一個模型腔的一邊，并與粘結(jié)劑混合，從而形成包含軟磁復(fù)合材料的元件，所述軟磁復(fù)合材料具有嵌入其中的線圈。
文檔編號H01F1/28GK101883673SQ200880118560
公開日2010年11月10日 申請日期2008年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者瑪特斯·阿拉庫拉 申請人:磁性元件瑞典公司