DE10063549A1

DE10063549A1 - Manufacturing electromagnet involves making magnetic yoke from at least two dense yoke parts with electrically isolating ceramic substrate arranged between the yoke parts

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Publication number: DE10063549A1
Application number: DE2000163549
Authority: DE
Inventors: Werner Flierl; Werner Graf; Matthias Gramann; Hermann Kilian; Roland Krebser; Oliver Meister; Christoph Mueller; Michael Nagel; Wolfgang Thiel; Steffen Walter
Original assignee: DaimlerChrysler AG; Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG; Aumovio Microelectronic GmbH
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-07-11

Abstract

The method involves making the electromagnet from a magnetic yoke (2.1,3.1) and a stimulation coil (3.3), whereby the magnetic yoke is made from at least two dense yoke parts. An electrically isolating ceramic substrate (9) is arranged between the two or more yoke parts. The ceramic substrate is joined to the yoke parts by soldering with an active solder in the form of a solder paste. AN Independent claim is also included for the following: a method of manufacturing an actuator for electromagnetic valve control from two electromagnets.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.The invention relates to a method for producing an electromagnet the preamble of claim 1.

Elektromagnete werden bei ihrer Fertigung speziell an die Anforderungen beim ih rem Betrieb angepaßt. Dabei stehen der erforderliche magnetische Fluß sowie die dafür notwendige Leistungsaufnahme des Elektromagneten im Vordergrund.Electromagnets are manufactured specifically to meet the requirements of the IH adapted for operation. The required magnetic flux and the necessary power consumption of the electromagnet in the foreground.

Bei der Verwendung von Elektromagneten für einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung werden ein Öffnermagnet und ein Schließermagnet benötigt, die durch mindestens ein Bauteil aus einem nicht ferromagnetischen Material vonein ander getrennt sind. Dieses Bauteil kann beispielsweise durch ein Gehäuseteil ge bildet werden. Zwischen den Elektromagneten, dem Öffnermagnet und dem Schlie ßermagnet, befindet sich die aus einem ferromagnetischen Material bestehende An kerplatte, die durch Bestromen der Erregerspule des Öffnermagneten oder der Erre gerspule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Das Ma gnetjoch des Öffnermagneten weist eine Durchführung für einen Ventilstößel auf, der die auf die Ankerplatte einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswechselven til überträgt.When using electromagnets for an actuator for electromagnetic Valve control requires an opening magnet and a closing magnet, which by at least one component made of a non-ferromagnetic material are separated. This component can ge, for example, by a housing part be formed. Between the electromagnet, the opening magnet and the closing ßermagnet, is the consisting of a ferromagnetic material kerplatte, by energizing the excitation coil of the opening magnet or the Erre Coil of the closer magnet is moved in the respective direction. The Ma gnetjoch of the opening magnet has a bushing for a valve tappet, of the forces acting on the anchor plate on at least one gas exchange til transmits.

In der nicht vorveröffentlichten Druckschrift 199 24 814.1-33 der selben Anmelde rin wird zur Leistungsoptimierung eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteue rung vorgeschlagen, das Magnetjoch des Öffnermagneten und das Magnetjoch des Schließermagneten mehrteilig auszuführen, wobei die resultierenden Schlitze zwi schen den Einzelteilen der Magnetjoche die Entstehung von Wirbelströmen unter drücken. Zur Verbindung der durch Massenkräfte hoch belasteten Magnetjoche wird vorgeschlagen, die Schlitze der Magnetjoch oberflächlich zu verschweißen. In the unpublished publication 199 24 814.1-33 of the same application rin is used to optimize the performance of an actuator for electromagnetic valve control tion proposed, the magnetic yoke of the opening magnet and the magnetic yoke of Execute closer magnets in several parts, the resulting slots between between the individual parts of the magnetic yokes the formation of eddy currents to press. To connect the magnetic yokes, which are highly stressed by mass forces proposed to superficially weld the slots of the magnetic yoke.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß durch die Schweißnaht die Unter drückung der Wirbelströme nicht vollständig gelingt, und daß die oberflächlich auf gebrachte Schweißnaht nicht die erforderliche Stabilität der Magnetjoche gewähr leistet.The disadvantage of this arrangement is that the bottom of the weld pressure of the eddy currents is not completely successful, and that the superficial the welded seam does not guarantee the required stability of the magnetic yokes guaranteed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Elek tromagneten nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 anzugeben, bei dem die Entstehung von Wirbelströmen vollständig unterdrückt wird, und bei dem die Ver bindung der mehrteiligen Magnetjoche der Elektromagnete hohen Belastungen stand hält.The invention has for its object a method for producing an elec specify tromagnets according to the preamble of claim 1, in which the Generation of eddy currents is completely suppressed, and in which the ver Binding of the multi-part magnet yokes of the electromagnets high loads withstands.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal im Kennzeichen des Pa tentanspruchs 1 gelöst, wonach zwischen den zwei Jochteilen elektrisch isolierende Keramiksubstrate angeordnet werden.This object is achieved by the feature in the characteristics of Pa Tent claims 1 solved, according to which electrically insulating between the two yoke parts Ceramic substrates are arranged.

Dabei werden die Keramiksubstrate durch Löten mittels eines Aktivlotes in Form ei ner Lötpaste mit dem mindestens zwei Jochteilen verbunden.The ceramic substrates are egg-shaped by soldering using an active solder ner solder paste connected to the at least two yoke parts.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die zu verlötenden Flächen der aus Weicheisen bestehenden Magnetjoch vor dem verlöten metallisiert werden. Zur Metallisierung der Magnetjoche kann beispielsweise Nickel verwendet werden.In a development of the invention it is provided that the surfaces to be soldered the magnetic yoke made of soft iron is metallized before being soldered. For example, nickel can be used to metallize the magnetic yokes.

Die Keramiksubstrate können beispielsweise als Scheiben aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid hergestellt werden. Die Dicke der Keramiksubstratscheiben beträgt dabei ca. 0,1 bis 0.8 Millimeter.The ceramic substrates can, for example, be made of aluminum oxide or Aluminum nitride can be produced. The thickness of the ceramic substrate wafers is 0.1 to 0.8 millimeters.

Die Erregerspule der Elektromagneten werden in dem Magnetjoch in einem Spu lenfenster angeordnet. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehenen, daß die scheibenförmigen Keramiksubstrate entsprechend der Teilung des Magnetjochs gegebenenfalls mit Aussparungen für das Spulenfenster hergestellt werden.The excitation coil of the electromagnet is in the magnet yoke in a Spu len window arranged. In a further advantageous development of the invention it is envisaged that the disc-shaped ceramic substrates according to the Division of the magnetic yoke, if necessary, with cutouts for the coil window getting produced.

Zudem ist vorgesehen, daß die scheibenförmigen Keramiksubstrate vor dem Verlö ten auf beide Seiten metallisiert werden. Als Metall zur Metallisierung kann vorteil haft eine Wolfram-Nickel Verbindung oder eine Wolfram-Mangan-Nickel Verbin dung verwendet werden. In addition, it is provided that the disc-shaped ceramic substrates prior to the Löö metalized on both sides. As a metal for metallization can be advantageous adheres to a tungsten-nickel compound or a tungsten-manganese-nickel compound be used.

Als Alternative zu scheibenförmigen Keramiksubstraten kann das Keramiksubstrat in einem thermischen Spritzverfahren auf mindestens eines der mindestens zwei Joch teile aufgebracht werden. Danach wird lediglich das Jochteil mit dem aufgespritzten Keramiksubstrat mittels einem Aktivlot mit mindestens einem weiteren Jochteil ver lötet.As an alternative to disk-shaped ceramic substrates, the ceramic substrate in a thermal spray process on at least one of the at least two yokes parts are applied. Then only the yoke part is sprayed on Ver ceramic substrate using an active solder with at least one further yoke part solders.

Als Keramiksubstrat zum Aufspritzen auf ein Jochteil kann beispielsweise Aluminiu moxid oder Zirkoniumoxid verwendet werden.For example, aluminum can be used as the ceramic substrate for spraying onto a yoke part moxide or zirconium oxide can be used.

Das aufgespritzte Keramiksubstrat weist dabei eine Dicke von 10 bis 500 Mikrome tern auf.The sprayed-on ceramic substrate has a thickness of 10 to 500 microns tern on.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten wird die Entstehung von Wirbelströmen in den Magnetjochen wirksam vermieden, wobei durch die Lötverbindung eine hochfeste Verbindung der mehrteiligen Magnetjoche der Elektromagnete entsteht.The inventive method for the production of electromagnets effectively avoided the creation of eddy currents in the magnetic yokes, whereby a high-strength connection of the multi-part magnetic yokes due to the solder connection the electromagnet is created.

Im folgenden ist das Verfahren zur Herstellung von Elektromagneten am Beispiel der Elektromagnete eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung anhand von zwei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit zwei Figuren dargestellt und er läutert.The following is the process for the production of electromagnets using the example of Electromagnets of an actuator for electromagnetic valve control based on two exemplary embodiments in connection with two figures and he purifies.

Es zeigten:It showed:

Fig. 1 ein Schnittbild eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteue rung, bei dem die mehrteiligen Magnetjoche der Elektromagnete durch scheibenförmige Keramiksubstrate voneinander getrennt sind. Fig. 1 is a sectional view of an actuator for electromagnetic Ventilsteue tion, in which the multi-part magnet yokes of the electromagnets are separated from each other by disc-shaped ceramic substrates.

Fig. 2 eine Darstellung eines mehrteiligen Magnetjochs eines Elektroma gneten, bei dem das Keramiksubstrat aufgespritzt wurde. Fig. 2 is a representation of a multi-part magnetic yoke of an electroma, in which the ceramic substrate has been sprayed on.

In der Fig. 1 ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung dargestellt, der im wesentlichen aus zwei Elektromagneten, dem Öffnermagnet 3 und dem Schlie ßermagnet 2 besteht. Die Elektromagneten bestehen jeweils aus einem mehrteiligen Magnetjoch 2.1, 3.1, in dem ein Spulenfenster 2.2, 3.2 ausgearbeitet ist, und der in dem Spulenfenster 2.2, 3.2 eingesetzten Erregerspule 2.3, 3.3. Die Elektromagne ten werden durch zwei aus einem nicht ferromagnetischen Material gefertigte Di stanzstücke 4 voneinander getrennt. Zwischen den Distanzstücken 4 oszilliert die Ankerplatte 5.1, an der der Ventilstößel 5.2 befestigt ist, der die auf die Ankerplatte 5.1 einwirkenden Kräfte über eine Durchführung im Magnetjoch 3.1 des Öffnerma gneten 3 auf ein Gaswechselventil überträgt.In Fig. 1, an actuator for electromagnetic valve control is shown, which consists essentially of two electromagnets, the opening magnet 3 and the closing magnet 2 . The electromagnets each consist of a multi-part magnetic yoke 2.1 , 3.1 , in which a coil window 2.2 , 3.2 is worked out, and the excitation coil 2.3 , 3.3 used in the coil window 2.2 , 3.2 . The Elektromagne th are separated by two made of a non-ferromagnetic material Di 4 pieces. Between the spacers 4 , the anchor plate 5.1 oscillates, to which the valve tappet 5.2 is fastened, which transmits the forces acting on the anchor plate 5.1 via a passage in the magnetic yoke 3.1 of the opener 3 to a gas exchange valve.

In der Verlängerung des Ventilstößels 5.2 liegt auf der Ankerplatte 5.1 ein Federstö ßel 7.1 auf, der in einer Durchführung im Magnetjoch 2.1 des Schließermagneten 2 gelagert ist, und der die auf die Ankerplatte 5.1 einwirkenden Kräfte auf die Aktorfe der 7.2 überträgt. Dazu ist an dem der Ankerplatte 5.1 entgegengesetzten Ende des Federstößels 7.1 ein Aktorfederteller 7.3 ausgearbeitet, auf dem die Aktorfeder 7.2 aufliegt, und über den die Aktorfeder 7.2 den Federstößel 7.1 gegen die Ankerplatte 5.1 preßt.In the extension of the valve tappet 5.2 , a spring tappet 7.1 rests on the anchor plate 5.1 , which is mounted in a bushing in the magnetic yoke 2.1 of the closing magnet 2 and which transmits the forces acting on the anchor plate 5.1 to the actuator 7.2 . For this purpose, an actuator spring plate 7.3 is worked out on the end of the spring plunger 7.1 opposite the armature plate 5.1 , on which the actuator spring 7.2 rests, and via which the actuator spring 7.2 presses the spring plunger 7.1 against the armature plate 5.1 .

Die Aktorfeder 7.2 befindet sich in einer radialsymmetrisch um die Durchführung des Federstößels 7.1 ausgebildeten, eine Wandung bildende Ausformung des Ma gnetjochs 2.1 des Schließermagneten 2. Die Wandung weist auf der Innenseite ein Gewinde auf, in das ein Schraubdeckel 8 eingeschraubt ist. Mittels des Schraub deckels 8 kann die Vorspannung der Aktorfeder 7.2 verändert werden.The actuator spring 7.2 is located in a radially symmetrical design of the implementation of the spring plunger 7.1 , forming a wall of the magnet yoke 2.1 of the closing magnet 2 . The wall has a thread on the inside into which a screw cap 8 is screwed. By means of the screw cover 8 , the bias of the actuator spring 7.2 can be changed.

Das Magnetjoch 3.1 des Öffnermagneten 3 und das Magnetjoch 2.1 des Schließer magneten 2 sind zur Vermeidung von Wirbelströmen mehrteilig ausgeführt, wobei zwischen die sich gegenüberliegenden Flächen eines Magnetjochs 2.1, 3.1 schei benförmige Keramiksubstrate 9, die genau der Form der zu verbindenden Flächen der Einzelteile der Magnetjoche 2.1, 3.1 mitsamt der Aussparung des Spulenfen sters 2.2, 3.2 entsprechen, angeordnet sind. Als Keramiksubstrat 9 wird dabei Alu miniumoxid in einer Dicke von 0.35 Millimetern verwendet.The magnetic yoke 3.1 of the opening magnet 3 and the magnetic yoke 2.1 of the closer magnet 2 are made in several parts to avoid eddy currents, with ben-shaped ceramic substrates 9 between the opposite surfaces of a magnetic yoke 2.1 , 3.1 , exactly the shape of the surfaces of the individual parts of the magnetic yokes to be connected 2.1 , 3.1 together with the recess of the Spulenfen sters 2.2 , 3.2 correspond, are arranged. Aluminum oxide in a thickness of 0.35 millimeters is used as the ceramic substrate 9 .

Das Verbinden der Jochteile 2.1, 3.1 kann grundsätzlich in einem Lötvorgang erfol gen, bei dem unter Verwendung eines Aktivlotes, dem neben dem Lötmetall, bei spielsweise Silber, weitere Metalle beigemischt sind, beispielsweise Titan, welche die Qualität der Lötverbindung verbessert. Ein derartiger Lötvorgang erfolgt bei Löt temperaturen von 800 bis 1000 Grad. Bei diesen sehr hohen Temperaturen besteht die Gefahr, daß magnetische Eigenschaften der Magnetjoche 2.1, 3.1 degradiert werden. Für einen derartigen Lötvorgang wird der Lötofen auf ca. 800 Grad erhitzt und diese Temperatur für 40 Minuten gehalten. Danach erfolgt die Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 100 Grad pro Stunde, wodurch Spannungen in den Ma gnetjochen 2.1, 3.1 vermieden werden. Bei dem Lötvorgang ist zu gewährleisten, daß zwischen den Einzelteilen der Magnetjoche 2.1, 3.1 keine elektrisch leitfähige Verbindung beispielsweise durch das Aktivlot entsteht.The connection of the yoke parts 2.1 , 3.1 can fundamentally be carried out in a soldering process in which, using an active solder, in addition to the soldering metal, for example silver, other metals are added, for example titanium, which improves the quality of the soldering connection. Such a soldering process takes place at soldering temperatures of 800 to 1000 degrees. At these very high temperatures, there is a risk that magnetic properties of the magnet yokes 2.1 , 3.1 will be degraded. For such a soldering process, the soldering furnace is heated to approximately 800 degrees and this temperature is held for 40 minutes. Then the cooling takes place at a rate of 100 degrees per hour, whereby tensions in the magnet yokes 2.1 , 3.1 are avoided. During the soldering process, it must be ensured that there is no electrically conductive connection between the individual parts of the magnet yokes 2.1 , 3.1, for example through the active solder.

Zum Verbinden der Einzelteile eines Magnetjoches 2.1, 3.1 bei Temperaturen um 300 Grad werden zuerst die den Keramiksubstraten 9 zugewandten Flächen der Magnetjoche 2.1, 3.1 beispielsweise durch Aufdampfen in einem CVD-Prozeß mit Nickel metallisiert. Alternativ können die entsprechenden Flächen der Jochteile der Magnetjoche 2.1, 3.1 auch in einem Dickschichtprozeß metallisiert werden, bei den das Metall eingebrannt wird.To connect the individual parts of a magnetic yoke 2.1 , 3.1 at temperatures around 300 degrees, the surfaces of the magnetic yokes 2.1 , 3.1 facing the ceramic substrates 9 are first metallized with nickel, for example by vapor deposition in a CVD process. Alternatively, the corresponding surfaces of the yoke parts of the magnet yokes 2.1 , 3.1 can also be metallized in a thick-film process in which the metal is burned in.

Zudem können die Keramiksubstrate 9 beidseitig mit einer Wolfram-Nickel Verbin dung metallisiert werden.In addition, the ceramic substrates 9 can be metallized on both sides with a tungsten-nickel connection.

Beim anschließenden Lötvorgang, bei dem die Jochteile und die scheibenförmigen Keramiksubstrate 9 von einem Rahmen in ihrer Form fixiert werden, wird an die me tallisierten Verbindungsstellen das Lötmittel zugeführt. Als Lötmittel wird ein Weichlot, beispielsweise eine Blei-Zink Verbindung (PbSn 10), verwendet.During the subsequent soldering process, in which the yoke parts and the disk-shaped ceramic substrates 9 are fixed in their shape by a frame, the solder is supplied to the metalized connection points. A soft solder, for example a lead-zinc compound (PbSn 10 ), is used as the solder.

In der Fig. 2 sind die Jochteile 3.1 des Öffnermagneten 3 des Aktors zur elektro magnetischen Ventilsteuerung dargestellt. Das Keramiksubstrat 9 wird hierbei nicht als Scheibe zwischen den zu verbindenden Jochteilen 3.1 angeordnet, sondern in einem Plasmaprozeß, beispielsweise durch Sputtern, auf eine der zwei zu verbin denden Flächen der Jochteile des Magnetjochs 3.1 aufgebracht. Als Keramiksub strat 9 kann dabei wieder Aluminiumoxid verwendet werden, das in einer Dicke von beispielsweise 200 Mikrometern auf den entsprechenden Flächen der Jochteile auf gebracht wird.In FIG. 2, the yoke members are of the opening magnet 3 of the actuator shown 3.1 to electromagnetic valve control. The ceramic substrate 9 is not arranged as a disc between the yoke parts to be connected 3.1 , but in a plasma process, for example by sputtering, applied to one of the two surfaces of the yoke parts of the magnetic yoke 3.1 to be connected. As ceramic substrate 9 , aluminum oxide can be used again, which is brought to a thickness of, for example, 200 micrometers on the corresponding surfaces of the yoke parts.

In dem anschließenden Lötschritt werden die Jochteile des Magnetjochs 3.1 mitein ander verlötet, wobei gegebenenfalls wieder das Keramiksubstrat 9 sowie die mit dem Keramiksubstrat 9 zu verbindenden Flächen der Jochteile metallisiert werden.In the subsequent brazing step, the yoke parts of the yoke are soldered 3.1 mitein other, optionally again, the ceramic substrate 9 and the ceramic substrate 9 with the surfaces to be joined be metallized of the yoke parts.

Durch das Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten werden die Jochteile der Magnetjoche 2.1, 3.1 von Öffnermagnet 3 und Schließermagnet 2 des Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung fest miteinander verbunden, wobei die Entstehung von Wirbelströmen zuverlässig unterdrückt wird und der Betrieb des Ak tors mit geringer Leistungsaufnahme möglich ist.By the method for manufacturing an electromagnet, the yoke parts of the magnet yokes 2.1 , 3.1 of opening magnet 3 and closing magnet 2 of the actuator for electromagnetic valve control are firmly connected to one another, the generation of eddy currents being reliably suppressed and the operation of the actuator being possible with low power consumption.

Claims

1. A method for producing an electromagnet from a magnetic yoke ( 2.1 , 3.1 ) and excitation coil ( 2.3 , 3.3 ), the magnetic yoke ( 2.1 , 3.1 ) being produced from at least two solid yoke parts, characterized in that between the at least two yoke parts of the magnetic yokes ( 2.1 , 3.1 ) electrically insulating ceramic substrates ( 9 ) are arranged.

2. The method according to claim 1, characterized in that the ceramic substrates ( 9 ) are connected by soldering by means of an active solder in the form of a solder paste with the at least two yoke parts of the magnetic yokes ( 2.1 , 3.1 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Magnetjo che ( 2.1 , 3.1 ) are made of soft iron, and that the surfaces to be soldered of the at least two yoke parts of the magnetic yoke ( 2.1 , 3.1 ) are metallized before the soldering, and that nickel is used for the metallization of the yoke parts.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the ceramic substrates ( 9 ) are produced as disks made of aluminum oxide or aluminum nitride in a thickness of 0.1 to 0.8 millimeters.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the excitation coil ( 2.3 , 3.3 ) in the magnetic yoke ( 2.1 , 3.1 ) in a coil window ( 2.2 , 3.2 ) is arranged, and that the disc-shaped ceramic substrates ( 9 ) ent speaking of the individual parts of the magnetic yoke ( 2.1 , 3.1 ) with recesses for the coil window ( 2.2 , 3.2 ) if necessary.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the disc-shaped ceramic substrates ( 9 ) for soldering on both sides are metallized, and that tungsten-nickel or tungsten-manganese-nickel is used for the metallization.

7. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the ceramic substrate ( 9 ) is applied in a thermal spraying process to at least one of the at least two yoke parts of the magnetic yokes ( 2.1 , 3.1 ), and that the yoke part with the sprayed-on ceramic substrate ( 9 ) is soldered to at least one further yoke part using an active solder.

8. The method according to claim 7, characterized in that aluminum oxide or zirconium oxide is used for spraying on as the ceramic substrate ( 9 ).

9. The method according to any one of claims 7 or 8, characterized in that the ceramic substrate ( 9 ) is sprayed on in a thickness of 10 to 500 microns.

10. A method for producing an actuator for electromagnetic valve control from two electromagnets ( 2 , 3 ).