NO824097L - Fremgangsmaate til fremstilling av magnetiske kjerner fra amorft baandmetall. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt magnetiske kjerner som benyttes i transformatorer og liknende elektriske induksjonsapparater og går nærmere bestemt ut på en fremgangsmåte til masseproduksjon av viklede magnetiske kjerner av amorft båndmetall.

Elektriske induksjonsapparater, såsom transformatorer og liknende, er konstruert med kjerner av magnetisk materiale for å frembringe en bane for magnetisk fluks. Ved fremstilling av en slik kjerne er det vanlig å benytte et magnetisk båndmateriale med en foretrukket orienteringsretning parallell med materialets lengderetning, f.eks. et ikke-amorft materiale såsom korn-orien-tert stål. Dette materiale er forholdsvis stivt men ikke desto mindre elastisk bøyelig og lett å forme til kjernens endelige form, enten før eller etter at kjernen har blitt glødet. Etter at kjernen er formet, kan den dessuten lett utformes med en usammenhengende skjøt, eksempelvis ved å skjære helt igjennom én seksjon av kjernen, for montering av én eller flere tilknyttede elektriske spoler omkring kjernen.

Magnetiske kjerner kan også fremstilles fra amorft metall-båndmateriale, f.eks. "METGLAS" amorft båndmetall. Amorft materiale har lavere kjernetapskarakteristika enn ikke-amorft materiale. Imidlertid er amorft båndmateriale meget tynt og svært sprøtt og hardt. Dessuten reduserer spenningsgløding og felt-gløding av amorft materiale, for å optimalisere dets magnetiske egenskaper, dets formbarhet, strekkbarhet og elastiske bøyelig-het ytterligere. Alt dette skaper problemer ved fremstilling av amorfe kjerner.

Etter som det amorfe båndmetallet er meget tynt, er det f.eks. svært tidkrevende å vikle opp amorft båndmetall til dannelse av en kjerne. Det representerer også et problem å montere én eller flere elektriske spoler gjennom en skjøt i en amorf kjerne. Da materialet er svært sprøtt og skjørt, kan oppbøyning og åpning av skjøten, for å montere spolen rundt kjernen, forår-sake at kjernelamelleringene brytes i stykker ved skjøten. Opp-bøyning av skjøten kan også gi opphav til indre spenninger i lamelleringene. Under skjære- eller klippeoperasjonen er det dessuten sannsynlig at amorft båndmetall vil sprekke langs skjære-linjen. Dette gjør det meget tidkrevende og vanskelig å forme sammenføyde amorfe kjerner, og det er derfor ønskelig å frem-stille amorfe kjerner uten skjøt. Alle disse problemer forverres og skjerpes når det ønskes å masseprodusere amorfe kjerner.

Et formål med oppfinnelsen er å redusere de monterings-problemer som knytter seg til amorfe kjerner, problemer som skyl-des at det amorfe båndmaterialet er sprøtt og tynt.

Et mer spesielt formål med oppfinnelsen er å komme frem

til en fremgangsmåte til masseproduksjon av magnetiske kjerner fremstilt fra amorft båndmateriale.

I overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir minst to kontinuerlige bånd av amorft metallmateriale viklet rundt en spindel til dannelse av nærliggende lamelleringer i form av en lukket sløyfe. Samtidig blir minst to andre bånd av amorft båndmetallmateriale viklet rundt et antall andre spindler til dannelse av flere sløyfer. Sløyfene blir deretter bibrakt sin endelige form ved å la spenningskrefter virke fra sløyfenes innerste lamellering og utover. Mens spenningskreftene utøves blir sløyfene utsatt for et magnetisk felt av forutbestemt styrke ved hjelp av en gjennomgående spole som løper gjennom hver av spolene. På samme tid glødes sløyfene sammen i en ovn til en forutbestemt temperatur i et forutbestemt tidsrom. Deretter vil sløyfene avkjøles og spenningen oppheves. En slik fremgangsmåte tillater fremstilling av viklede amorfe kjerner i stor målestokk. Foretrukne utførelseseksempler beskrives i det følgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. la viser skjematisk et apparat til vikling av et antall amorfe bånd rundt flere spindler. Fig. lb viser et alternativt apparat til vikling av amorfe bånd rundt flere spindler.

Fig. 2 viser skjematisk en anordning som er innrettet til

å utøve spenning på sløyfer av amorft båndmateriale for å bi-bringe kjernen dens endelige form.

Fig. 3 viser skjematisk en ovn og tilknyttede spoler for gløding av et antall amorfe kjerner mens de utsettes for et magnetisk felt av forutbestemt styrke.

Fig. 4 viser et alternativt utførelseseksempel på oppfinnelsen.

På tegningene er like komponenter betegnet med tilsvarende henvisningstall i samtlige figurer. Det henvises først til fig. la, som viser et apparat til vikling av et antall amorfe bånd rundt et antall spindler. Som vist er et antall amorfe bånd 22 til å begynne med lagret på deres egne spoler, for senere å bli viklet rundt et antall spindler. De amorfe båndene 22 er til å begynne med lagret på spoler 30, 31 og 32 for vikling omkring en sylindrisk spindel 90. Ytterligere amorfe bånd er lagret på spoler 33, 34 og 35 for vikling omkring en sylindrisk spindel 92. Likeledes er amorfe bånd 22 lagret på spoler 36, 37 og 38

for vikling omkring en sylindrisk spindel 94. En drivaksel 99

er på passende måte forbundet med hver av spindlene 90, 92 og 94, slik at rotasjon av akselen 99 ved hjelp av hensiktsmessige midler bringer de amorfe båndene til å bli viklet opp på deres respektive spindler.

I begynnelsen blir runde kjerner 80, 82 og 84, dannet på spindler, henholdsvis 90, 92 og 94. Det er viktig at kjernene 80, 82 og 84 vikles runde, slik at de amorfe båndene, som tjener til å bygge opp de enkelte kjerner, ikke blir utsatt for en rykkende eller liknende uregelmessig bevegelse som kunne forår-sake brudd. Ved å vikle båndene rundt sylindriske spindler uten altfor stor akselerasjon, kan dessuten viklehastigheten i virke-ligheten økes.

Som vist i fig. la formes hver av kjernene 80, 82 og 84

ved å vikle tre kontinuerlige bånd av amorft materiale rundt hver enkelt spindel til dannelse av nærliggende lamelleringer i form av en lukket sløyfe. Det vil forstås at det kan festes flere enn tre spindler til drivakselen 99 for påvikling av et større antall amorfe bånd. Ved fremstilling av de lukkete sløy-fene er det også mulig å vikle ethvert ønsket antall amorfe bånd rundt hver spindel. For å lette masseproduksjonen av kjernene, foretrekkes det at minst to amorfe bånd blir viklet rundt hver spindel.

Som vist i fig. lb er seks bånd 22 av amorft materiale

i ferd med å bli viklet rundt et antall spindler til dannelse av innledningsvis runde kjerner. I dette utførelseseksemplet

blir de kontinuerlige båndene av amorft materiale på spolene 101-106 viklet på en spindel 100. Spolene 101-106 er ved hjelp av passende midler festet til en drivskive 107, og spindelen 100 er festet til en drivaksel 110. Når drivakselen 110 roteres, dreier spindelen 100 seg. Drivskiven 107 forblir stasjonær med hensyn til spindelen 100, slik at de amorfe båndene mates fra deres respektive spoler over på spindelen 100, hvor de danner nærliggende lamelleringer i form av en lukket sløyfe.

Det i fig. lb viste apparat innbefatter dessuten to andre skiver 108 og 109, som er påmontert seks spoler. Av sistnevnte er det bare vist tre 120-122 og 130-132 på hver skive. To andre spindler, som ikke er illustrert, er festet til drivakselen 110 for påvikling av de amorfe båndene fra spolene på skivene 108

og 109. Når drivakselen roteres, dreier hver av de tre spindlene seg, slik at seks kontinuerlige bånd av amorft materiale blir viklet rundt hver spindel til dannelse av tre til å begynne med runde kjerner, idet bare en av disse, nemlig kjernen 180, er vist.

Dersom de amorfe båndene skal forsynes med et belegg av isolasjon, kan båndene dykkes ned i et isolasjonsmedium før båndene vikles over på hver enkelt spindel. Alternativt kunne belegg-mediet ha blitt sprøytet på båndene før viklingen.

Etter at det har blitt formet runde kjerner 80, 82 og 84, kan kjernene bibringes sin endelige form ved hjelp av et kjerne-formende fastspenningsapparat 40 som er vist i fig. 2. De magnetiske kjernene kan ha en hvilken som helst ønsket form; de kan eksempelvis være runde, omtrent rektangulære eller rektangulære som illustrert i fig. 2. Ved den rektangulære formen, som fast-spenningsapparatet 40 sørger for å gi kjernen, innbefatter kjernen 10, som er særlig velegnet for bruk i en transformator, ytre ben 14 og 16 samt et øvre åk 18 og et nedre åk 20. De nærliggende lamelleringer som er dannet av det kontinuerlige bånd av amorft materiale er angitt ved 12. Den eller de tilknyttede elektriske spoler, som ikke er vist, er fortrinnsvis montert rundt kjernen 10 gjennom vikling av spolen eller spolene rundt en seksjon av kjernen, noe som representerer velkjent teknikk.

Det kjerne-formende apparat ifølge fig. 2 innbefatter plater 41, 42, 43 og 45 som er plassert innenfor kjernevinduet 6. Platen 41 er plassert på én side av kjernen og platen 43 på den motsatte siden. Platene 41 og 43 befinner seg ved kjernens øvre parti nær åket 18. Platene er forbundet med hverandre ved hjelp av to bolter 44 (bare én er vist), plassert ved platenes motsatte ender. Boltene har høyregjenger ved den ene enden og venstregjenger 44c ved den andre enden. Det gjengete boltpartiet 44b strekker seg gjennom en gjenget åpning i platen 41, mens det gjengete partiet 43c strekker seg gjennom en tilsvarende åpning i platen 43. Ved å utøve en passende kraft på bolten 44 ved et flatt parti 44d på denne, vil platene 41 og 43 tvinges ut fra hverandre som angitt med piler A. Anordningen kan også fremstilles med bolt og mutter for å tvinge platene 41 og 43

ut fra hverandre.

Platene 42 og 45 er likeens anbrakt på motsatte sider av kjernen, men de befinner seg i et lavere parti av kjernen nær åket 20. Platene 42 og 45 er forbundet med hverandre ved hjelp av to andre boltorganer 44. Ved dreining av boltene, som forbin-der platene 42 og 45 innbyrdes, kan platene 42 og 45 bringes til å bevege seg bort fra hverandre som angitt med pilene A. Igjen kan det benyttes bolt og mutter for å tvinge platene ut

fra hverandre.

Apparatet ifølge fig. 2 former kjernen til dens endelige form ved å utsette den for en strekkraft. Strekkraften utøves fra kjernens innerste lamellering og utover. Utøvelsen av denne strekkraften i løpet av den tid kjernene glødes og utsettes for et magnetisk felt forbedrer kjernens ytelseskarakteristika. Det kan benyttes andre apparater som avviker fra det som vises i fig. 2 for å underkaste kjernene den nødvendige strekkspennings-behandling.

Det neste trinn i den i det foregående beskrevne fremgangsmåte nødvendiggjør gløding av kjernene i deres kjerne-formende fastspenningsapparater mens de samtidig utsettes for et magnetisk felt. For å lette masseproduksjon av de viklede amorfe kjernene, vil forskjellige grupper av kjerner bli matet fortløpende inn i en ovn i den hensikt å gløde kjernene. Som vist i fig. 3 befinner en første gruppe av kjerner 70 seg på en plattform 56 eller andre hensiktsmessige organer som hviler på en transportør 53 for transport inn i ovnen 50. Fortrinnsvis vil minst to andre grupper av kjerner 72 og 74 bli båret av plattformer, henholdsvis

57 og 58, på transportøren 53 for transport inn i ovnen 50.

En kontinuerlig spole er koplet i sløyfe gjennom hver av kjernene i hver enkelt gruppe for å utsette kjernene for et magne tisk felt i det tidsrom de glødes. Som vist er en spole 64 ført i sløyfe gjennom hver av kjernene i gruppen 70. Likeledes er spoler 65 og 66 koplet i sløyfe gjennom hver av kjernene i grup-pene, henholdsvis 72 og 74. Hver av spolene 64, 65 og 66 er paral-lellkoplet med en samleskinne 62 ved hjelp av et glidbart elektrisk koplingsstykke 63. Samleskinnen er koplet til en ikke vist strømkilde, som kan være enten en likestrøms- eller en veksel-strømskilde, for å lede strøm gjennom hver av spolene. Spolene glir langs samleskinnen ved hjelp av koplingsstykkene 63 når en kjernegruppe transporteres gjennom ovnen. Spolene 64, 65 og 66 er fortrinnsvis isolerte kobberkabler som er i stand til å motstå kjernenes glødetemperaturer, som kan være så høye som 435°C.

Antallet av vindingsomganger som hver spole foretar rundt hver kjerne er avhengig av den strømmengde som benyttes for å frembringe det ønskete magnetiske feltet. Det magnetiske feltet er fortrinnsvis på mellom 5 og 20 ørsted, og for "METGLAS" materiale er det fortrinnsvis på 10 ørsted. For et magnetisk felt på 10 ørsted vil følgende ligning, for en bestemt strømverdi,

gi det ønskete antall vindingsomganger for spolen:

hvor H er det anvendte magnetiske feltet,

N er antall vindingsomganger for spolen,

i er strømmen i ampere, og

Å. er kjernens midlere lengde.

Dersom N er lik 1, kunne en spole ganske enkelt føres gjennom hvert kjernevindu, se fig. 4. Dersom N svarer til 2, ville spolen bli ført to ganger rundt kjernen.

Mens kjernene utsettes for et magnetisk felt, blir de også glødet, fortrinnsvis i en beskyttende atmosfære. Den beskyttende atmosfæren kan være et vakuum, en inert gass, såsom 'argon, nitrogen eller helium, eller en reduserende gass såsom en blanding av hydrogen og nitrogen. Eksempelvis kunne det bli blåst en gass i form av en blanding av 5% H^og 95% N,, gjennom ovnen 50 under glødingen av kjernene.

Glødeprosessen krever typisk at det amorfe materialet varmes opp fra omgivelsestemperatur til en maksimal temperatur med en gitt hastighet. Prosessen krever dessuten at materialet blir holdt på denne temperatur over et gitt tidsrom, for deretter å avkjøles med en gitt hastighet. Glødeprosessens spesielle tids-og temperaturparametre varierer i avhengighet til hva slags amorft materiale som glødes. Det er f.eks. vanlig å varme opp "METGLAS" amorf legering 2605 SC fra omgivelsestemperatur til en temperatur på mellom 3 50 og 370°C med en oppvarmingshastighet på 5 til 10°C pr. minutt. "METGLAS" amorf legering 2605S-2 ville derimot blitt varmet opp til en temperatur på mellom 390 og 410°C. 2605 SC-legeringsmaterialet blir holdt på en temperatur mellom 350 og 370°C over et tidsrom på ca. to timer. Deretter avkjøles materialet kontrollerbart til omgivelsestemperatur med en avkjølingshastighet på 100°C pr. time. Materialet kan også bli avkjølt med denne avkjølingshastighet til en temperatur som ligger over omgivelsestemperaturen, såsom 100°C, og deretter fjernes fra ovnen for avkjøling til omgivelsestemperatur. Den tid det tar for å gløde en bestemt kjerne er avhengig av kjernens størrelse.

I overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir flere grupper av kjerner glødet i en enkelt ovn, hvor forskjellige grupper av kjerner befinner seg i ulike stadier av glødeprosessen. Ovnen 50 har følgelig tre særskilte temperatursoner A, B og C, se fig. 3.

I sone A av ovnen er kjernegruppen 74 i ferd med å varmes opp - i illustrasjonsøyemed antas det at kjernene i hver av grup-pene er fremstilt av "METGLAS" amorf legering 2605 SC - fra omgivelsestemperatur, dvs. romtemperatur, til en temperatur på

ca. 365°C. Kjernene blir varmet opp til denne temperatur i et tidsrom på omtrent to timer. I sone B blir kjernene 72 holdt på en temperatur av 365°C. Disse kjernene vil bli holdt på denne temperaturen i omtrent to timer. I sone C avkjøles kjernegruppen 70 fra sin topptemperatur på 365°C til en temperatur på omtrent 165°C. Disse kjernene vil oppholde seg i sone C i omtrent to timer, og avkjølingshastigheten er altså ca. 100°C pr. time. Kjernegruppe 69, som befinner seg utenfor-ovnens 50 utløp 52, avkjøles fra 165°C til omgivelsestemperatur. På dette tidspunkt blir kjernegruppen 69 fortrinnsvis fjernet fra transportøren 53. Spolen 67 vil forbli koplet til samleskinnen 62, slik at kjernene utsettes for et magnetisk felt mens de avkjøles til omgivelsestemperatur. Alternativt kunne avkjølingshastigheten for temperatursonen C reguleres slik at kjernene i denne sonen ble avkjølt fra 365°C til omgivelsestemperatur i løpet av to

timer.

Som vist i fig. 3 befinner kjernegruppen 70 seg i sone

C, som er den sonen hvor kjernenes temperatur reduseres med en bestemt avkjølingshastighet. Etter som dette er en kontinuerlig prosess, vil det forstås at kjernegruppen 70 først ville ha måttet passert gjennom temperatursonene A og B. Den tid kjernegruppene oppholder seg i hver enkelt temperatursone er fortrinnsvis den samme. Transportørens 53 hastighet kan reguleres slik at kjernegruppene oppholder seg i de respektive temperatursoner i det ønskete tidsrom.

Etter at kjernene i en bestemt gruppe har blitt glødet

og utsatt for et magnetisk felt som beskrevet, vil strømspolen som passerer gjennom disse kjerner, som er kjernegruppe 68 i fig. 3, bli koplet fra samleskinnen 62. Strømspolen 59 blir så-ledes fjernet fra kjernene i gruppe 68. Spolen kan deretter mon-teres rundt de kjernene i gruppe 73 som befinner seg utenfor ovnens innløp 51.

Etter at kjernene har blitt avkjølt til omgivelsestemperatur, blir deres kjerne-formende fastspenningsapparat fjernet.

Ved å gløde kjernene under spenning, som frembringes av de kjerne-formende fastspenningsapparatene, oppnås det forbedringer i kjernenes virkelige watt-tap og magnetiseringskraft. Etter at kjernene har blitt befridd for sine kjerne-formende fastspenningsapparater, kan de anbringes i en beholder eller kapsel fremstilt av en harpiks, en Epoxy, eller et annet passende materiale som motvirker at kjernene kommer til skade. Kjernene kan oppbevares i disse kapslene eller de kan fjernes for montering av den endelige elektriske spole eller spoler rundt kjernene.

Fig. 4 illustrerer et alternativt utførelseseksempel på oppfinnelsen, hvor flere kjerner 130, 131, 132 blir glødet i en ovn 120 som bare har én temperatursone. Kjernene glødes i kjerne-formende fastspenningsapparater 40. En kobberstang eller strømspole 121 er ført gjennom hvert kjernevindu og er koplet til en strømkilde 126, enten en likestrøms- eller en vekselstrøms-kilde, for å lede en strøm generelt angitt med I gjennom spolen. Strømmen medfører at hver av kjernen utsettes for et magnetisk felt. Spolen 121 kan også føres i sløyfe omkring hver kjerne for å danne mer enn en enkelt vindingsomgang rundt kjernene.

Som tidligere angitt glødes kjernene i en beskyttende atmosfære. Kjernene blir oppstilt i serier i ovnen 120 og varmes opp til den ønskete temperaturen. Kjernene holdes på denne temperaturen i det ønskete tidsrommet. Deretter kjøles kjernene gradvis ned med en bestemt avkjølingstakt til en ønsket temperatur, hvor-etter de kan fjernes fra ovnen og tillates å kjølne til romtemperatur. Senere vil kjernene bli befridd for sine kjerne-formende fastspenningsapparater for montering av én eller flere tilknyttede elektriske spoler omkring kjernen.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av magnetiske kjerner fra amorft båndmetall, karakterisert ved følgende trinn (a) at hver kjerne formes fra minst to kontinuerlige bånd av amorft metall som samtidig vikles på plass som radialt nærliggende lamelleringer; (b) at hver kjerne, som er formet på denne måten, settes under spenning som utøves fra dens innerste lamellering mot dens ytterste lamellering; og (c) at kjernene glødes mens en på samme tid utsetter dem for et magnetisk felt og holder hver kjerne under spenning.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at spenningen fjernes fra hver kjerne etter at den er glødet og har kjølnet til omgivelsestemperatur.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at båndene til å begynne med blir viklet opp til dannelse av en stort sett rund kjerne, og at spenningen utøves på en slik måte at den stort sett runde kjernen bibringes sin endelige form.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at samtlige kjerner blir viklet samtidig, hver fra minst to særskilte amorfe metallbånd, som samtidig vikles på plass som radialt nærliggende lamelleringer.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at de kontinuerlige båndene av amorft metall blir påført et isolasjonsbelegg for hver av kjer nene som formes.

6. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det magnetiske feltet har en styrke i det vesentlige mellom 5 og 20 ørsted.

7. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det magnetiske feltet påføres ved hjelp av en elektrisk spole som er koplet induktivt sammen med hver kjerne.

8. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at glødetrinnet innbefatter fortløpende oppvarming av kjernene opp til en forutbestemt temperatur innenfor et forutbestemt tidsrom, idet kjernene holdes på denne temperatur over et forutbestemt tidsrom, mens kjernene avkjøles fra nevnte temperatur med en forutbestemt avkjølings-hastighet.

9. Fremgangsmåte i samsvar med krav 8, karakterisert ved at nevnte forutbestemte temperatur er på mellom 350 og 410°C.

10. Fremgangsmåte i samsvar med krav 8 eller 9, karakterisert ved at avkjølingshastigheten er stort sett 100°C pr. time.

11. Fremgangsmåte i samsvar med krav 8, 9 eller 10, karakterisert ved at oppvarmingen til nevnte temperatur og opprettholdelsen ved nevnte temperatur samt avkjøl-ingen fra nevnte temperatur hver foregår over samme tidsrom.

12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11, karakterisert ved at kjernene glødes i en ovn med en første sone for oppvarming til nevnte forutbestemte temperatur, en annen sone for opprettholdelse ved nevnte temperatur og en tredje sone for avkjøling fra nevnte temperatur, idet kjernene mates sukses-sivt igjennom nevnte første, annen og tredje sone med en hastighet som forårsaker at kjernene oppholder seg i like lang tid i hver sone.

13. Fremgangsmåte i samsvar med krav 12, karakterisert ved at kjernene mates igjennom nevnte første, annen og tredje sone i grupper på flere kjerner pr. gruppe og på en slik måte at én av kjernegruppene befinner seg i den første sonen mens en annen gruppe og enda en annen gruppe befinner seg i henholdsvis den tredje og annen sone.

14. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11, 12 eller 13, karakterisert ved at nevnte tidsrom utgjør stort sett fra to til tre timer.