IT201600117005A1 - QUICK-PULSE MAGNETIZED EQUIPMENT - Google Patents
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Description
"APPARECCHIATURA DI MAGNETIZZAZIONE A IMPULSO VELOCE" "FAST PULSE MAGNETIZATION EQUIPMENT"
La presente invenzione si riferisce ad un'apparecchiatura di magnetizzazione a impulso veloce. The present invention relates to a fast pulse magnetization apparatus.
Come è noto, i magneti permanenti si magnetizzano con tecniche a scarica di condensatore, CDU (capacitor discharging units). As is known, permanent magnets are magnetized with capacitor discharge techniques, CDU (capacitor discharging units).
Si caricano lentamente dei condensatori di capacità C alla tensione V, ovvero all'energia 1/2CV<A>2, tramite appositi convertitori switching o analogici a frequenza industriale. I condensatori sono quindi scaricati velocemente, per mezzo di un interruttore elettronico SCR_mag per alte correnti, su un induttore L_coil che genera il campo magnetizzante. Capacitors of capacity C are slowly charged to voltage V, that is to energy 1 / 2CV <A> 2, by means of suitable switching or analogue industrial frequency converters. The capacitors are then discharged quickly, by means of an electronic switch SCR_mag for high currents, on an inductor L_coil which generates the magnetizing field.
La magnetizzazione raggiunge il valore desiderato in corrispondenza del picco di corrente dell'impulso di scarica, quando l'energia elettrostatica si è tutta trasformata in energia magnetica 1/2ΕΙ<Λ>2 . The magnetization reaches the desired value at the peak current of the discharge pulse, when the electrostatic energy has all been transformed into magnetic energy 1 / 2ΕΙ <Λ> 2.
La corrente impulsiva che percorre i conduttori dell'induttore genera un campo magnetico impulsivo che magnetizza i magneti permanenti. La corrente impulsiva dipende dai quattro parametri caratteristici R,L C,V. The impulsive current flowing through the inductor conductors generates an impulsive magnetic field that magnetizes the permanent magnets. The impulse current depends on the four characteristic parameters R, L C, V.
I parametri circuitali non sono necessariamente costanti durante l'impulso. The circuit parameters are not necessarily constant during the pulse.
Essi comprendono anche l'impedenza di uscita del CDU, R_cdu ed L_cdu, e l'impedenza parassita dell'induttore R_coil ed L_coil. They also include the output impedance of the CDU, R_cdu and L_cdu, and the parasitic impedance of the inductor R_coil and L_coil.
L'impulso ricaricherebbe i condensatori e per evitare che questo accada si utilizza un diodo di ricircolo D_free. The pulse would recharge the capacitors and to prevent this from happening, a free-wheeling diode D_free is used.
Secondo una tecnica recente, si sfruttano le correnti indotte su opportuni blocchi di rame o altro materiale conduttore, chiamate "maschere", per sagomare opportunamente la magnetizzazione. According to a recent technique, the currents induced on suitable blocks of copper or other conductive material, called "masks", are exploited to suitably shape the magnetization.
Compito della presente invenzione è quello di realizzare un'apparecchiatura di magnetizzazione a impulso veloce, perfezionata rispetto ai sistemi della tecnica nota citata sopra. The aim of the present invention is to provide a fast pulse magnetization apparatus, which is improved with respect to the systems of the known art mentioned above.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo dell'invenzione è quello di realizzare un'apparecchiatura che abbia uno schema circuitale vantaggioso dal punto di vista funzionale e produttivo. Within this aim, an object of the invention is to provide an apparatus which has a circuit diagram which is advantageous from the functional and production point of view.
Un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un'apparecchiatura costruttivamente vantaggiosa dal punto di vista produttivo e che nel contempo permetta di ottenere prestazioni funzionali superiori rispetto alle apparecchiature tradizionali. Another object of the invention is that of realizing an apparatus which is constructively advantageous from the production point of view and which at the same time allows to obtain superior functional performances with respect to traditional apparatuses.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare una struttura che, per le sue peculiari caratteristiche realizzative, sia in grado di assicurare le più ampie garanzie di affidabilità e di sicurezza nell'uso. Another object of the present invention is to provide a structure which, due to its particular constructive characteristics, is able to ensure the widest guarantees of reliability and safety in use.
Questi scopi ed altri che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un'apparecchiatura di magnetizzazione a impulso veloce comprendente un circuito di magnetizzazione avente condensatori di capacità C, i quali vengono caricati lentamente ad una tensione V, all'energia 1/2CV<A>2, tramite convertitori; detti condensatori essendo scaricati rapidamente su un induttore il quale genera un campo magnetizzante utilizzato per magnetizzare un magnete permanente; detta apparecchiatura essendo caratterizzata dal fatto di comprende una resistenza aggiunta, inserita in serie in detto circuito di magnetizzazione, detta resistenza aggiunta riducendo la larghezza dell'impulso di corrente, quindi generando correnti indotte necessarie alla magnetizzazione. These purposes and others which will appear better later, are achieved by a fast pulse magnetization apparatus comprising a magnetization circuit having capacitors of capacity C, which are slowly charged to a voltage V, at the energy 1 / 2CV <A > 2, through converters; said capacitors being rapidly discharged onto an inductor which generates a magnetizing field used to magnetize a permanent magnet; said apparatus being characterized in that it comprises an added resistance, inserted in series in said magnetization circuit, said added resistance reducing the width of the current pulse, thus generating induced currents necessary for magnetization.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, dell'invenzione, illustrate a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui: Further characteristics and advantages will become clearer from the description of preferred, but not exclusive, embodiments of the invention, illustrated by way of non-limiting indication in the accompanying drawings, in which:
la figura 1 illustra uno schema elettrico dell'apparecchiatura oggetto della presente invenzione; Figure 1 illustrates an electrical diagram of the apparatus object of the present invention;
la figura 2 mostra un grafico che pone a confronto la variazione del picco dell'impulso di corrente, ottenuta per mezzo della presente invenzione, con la curva di un'apparecchiatura convenzionale; Figure 2 shows a graph which compares the variation of the peak of the current pulse, obtained by means of the present invention, with the curve of a conventional apparatus;
la figura 3 è una vista prospettica parzialmente in spaccato dell'apparecchiatura oggetto della presente invenzione; Figure 3 is a partially cut-away perspective view of the apparatus object of the present invention;
la figura 4 è una vista prospettica, parzialmente in spaccato, illustrante il gruppo resistore e solenoide; Figure 4 is a partially cut-away perspective view illustrating the resistor and solenoid assembly;
la figura 5 è una vista prospettica, in sezione, ingrandita, illustrante il gruppo resistore e solenoide; Figure 5 is an enlarged sectional perspective view illustrating the resistor and solenoid assembly;
la figura 6 è un'altra vista prospettica, parzialmente in spaccato, illustrante il gruppo resistore e solenoide; Figure 6 is another perspective view, partially cut away, illustrating the resistor and solenoid assembly;
la figura 7 è una vista prospettica, in sezione, illustrante un dettaglio del gruppo nella zona del solenoide; Figure 7 is a perspective view, in section, illustrating a detail of the unit in the region of the solenoid;
la figura 8 è una vista prospettica del gruppo maschere; figure 8 is a perspective view of the mask assembly;
la figura 9 è una vista prospettica dell'elemento contenente il solenoide; figure 9 is a perspective view of the element containing the solenoid;
la figura 10 è una vista prospettica del solenoide; Figure 10 is a perspective view of the solenoid;
la figura 11 è una vista in alzato laterale del solenoide della figura precedente; Figure 11 is a side elevation view of the solenoid of the previous figure;
la figura 12 è una vista prospettica del solenoide configurato "a barchetta"; Figure 12 is a perspective view of the "boat" configured solenoid;
la figura 13 è una vista prospettica di un'ulteriore forma realizzativa del solenoide; Figure 13 is a perspective view of a further embodiment of the solenoid;
la figura 14 è una vista prospettica di un'ulteriore forma realizzativa del solenoide. Figure 14 is a perspective view of a further embodiment of the solenoid.
Con riferimento alle figure citate, l'apparecchiatura di magnetizzazione a impulso veloce secondo l'invenzione, indicata globalmente con il numero di riferimento 1, è utilizzata per magnetizzare magneti permanenti mediante scarica di condensatori CDU (capacitor discharging units). With reference to the aforementioned figures, the fast pulse magnetization apparatus according to the invention, globally indicated with the reference number 1, is used to magnetize permanent magnets by discharging capacitors CDU (capacitor discharging units).
L'apparecchiatura 1 comprende condensatori 2, di capacità C, i quali vengono caricati lentamente ad una tensione V, ovvero all'energia 1/2CV<A>2, tramite convertitori switching o analogici a frequenza industriale. The apparatus 1 comprises capacitors 2, of capacity C, which are slowly charged to a voltage V, or to the energy 1 / 2CV <A> 2, by means of switching or analogue converters at industrial frequency.
Secondo la presente invenzione, l'apparecchiatura comprende un tiristore di potenza GTO per alte correnti, il quale permette di scaricare i condensatori velocemente su un induttore L_coil, il quale genera il campo magnetizzante. According to the present invention, the apparatus comprises a power thyristor GTO for high currents, which allows the capacitors to be discharged quickly on an inductor L_coil, which generates the magnetizing field.
La magnetizzazione raggiunge il valore desiderato in corrispondenza del picco di corrente dell'impulso di scarica, quando l'energia elettrostatica si è tutta trasformata in energia magnetica 1/2LI<A>2 . The magnetization reaches the desired value at the peak current of the discharge pulse, when the electrostatic energy has all been transformed into magnetic energy 1 / 2LI <A> 2.
La corrente impulsiva che percorre i conduttori dell'induttore genera un campo magnetico impulsivo che magnetizza i magneti permanenti. La corrente impulsiva dipende dai quattro parametri caratteristici R,L C,V. The impulsive current flowing through the inductor conductors generates an impulsive magnetic field which magnetizes the permanent magnets. The impulse current depends on the four characteristic parameters R, L C, V.
I parametri circuitali non sono necessariamente costanti durante l'impulso. The circuit parameters are not necessarily constant during the pulse.
Essi comprendono anche l'impedenza di uscita del CDU 2, R_cdu ed L_cdu, e l'impedenza parassita dell'induttore R__coil ed L_coil. They also include the output impedance of the CDU 2, R_cdu and L_cdu, and the parasitic impedance of the inductor R__coil and L_coil.
L'impulso ricaricherebbe i condensatori. Per evitare che questo accada si utilizza un diodo di ricircolo D. The pulse would recharge the capacitors. To prevent this from happening, a free-wheeling diode D is used.
Secondo la presente invenzione, l'apparecchiatura 1 comprende una resistenza aggiunta R-add, inserita in serie nel circuito di magnetizzazione, la quale permette di avere un impulso di corrente più stretto che dà la possibilità di generare nelle maschere le correnti indotte necessarie all'uso della magnetizzazione ed altri vantaggi . According to the present invention, the apparatus 1 comprises an added resistance R-add, inserted in series in the magnetization circuit, which allows to have a tighter current pulse which gives the possibility to generate in the masks the induced currents necessary for the use of magnetization and other advantages.
La resistenza aggiunta è indicata con il numero di riferimento 3 nelle figure 4-6, illustranti un esempio realizzativo pratico dell'invenzione . The added resistance is indicated with the reference number 3 in Figures 4-6, illustrating a practical embodiment of the invention.
Secondo la presente invenzione, il tiristore di potenza GTO (gate tura off) è utilizzato come interruttore elettronico, sebbene non sia un elemento indicato in letteratura per questa applicazione. According to the present invention, the power thyristor GTO (gate ture off) is used as an electronic switch, although it is not an element indicated in the literature for this application.
L'utilizzo del tiristore di potenza GTO, permette di sfruttare il gate diffuso, normalmente utilizzato per spegnere il tiristore durante la conduzione, per sostenere l'elevata variazione di corrente nel tempo richiesta da questa applicazione. Questa grandezza è chiamata di/dt. The use of the power thyristor GTO, allows to exploit the diffused gate, normally used to turn off the thyristor during conduction, to support the high variation of current over time required by this application. This quantity is called di / dt.
L'apparecchiatura sfrutta le correnti indotte su opportuni blocchi di rame o altro materiale conduttore, chiamati "maschere", indicati con il numero di riferimento 4 in figura 8, per sagomare opportunamente la magnetizzazione. The apparatus exploits the currents induced on suitable blocks of copper or other conductive material, called "masks", indicated with the reference number 4 in figure 8, to suitably shape the magnetization.
Secondo la presente invenzione, le maschere 4 sono unite in modo che la giunzione elettrica sia lontana dalla zona di lavoro e non comprometta il loro funzionamento. According to the present invention, the masks 4 are joined so that the electrical junction is far from the working area and does not compromise their operation.
Le maschere 4 sono unite tramite un elemento di giunzione 41 e presentano, tra ciascuna di esse e l'elemento di giunzione, un collo 42 per la conduzione termica. The masks 4 are joined by means of a junction element 41 and have, between each of them and the junction element, a neck 42 for thermal conduction.
L'elemento di giunzione 41 presenta a sua volta un'alettatura 43 per il raffreddamento ("heat sink") ed una serie di fori 44 per il fissaggio del gruppo maschere. The junction element 41 in turn has a fin 43 for cooling ("heat sink") and a series of holes 44 for fixing the mask assembly.
L'apparecchiatura 1 comprende inoltre un solenoide 5 separato, costituito da un filo di rame verniciato. The apparatus 1 further comprises a separate solenoid 5, consisting of a painted copper wire.
Il solenoide 5 è costituito da una piattina piegata di costa o lavorata da rame solido. The solenoid 5 consists of a flat bent edge or machined from solid copper.
Per agevolare il processo produttivo di magnetizzazione si è separato il solenoide 5, ricavando un passaggio laterale. To facilitate the magnetization production process, the solenoid 5 has separated, obtaining a lateral passage.
II solenoide può anche avere una geometria "a barchetta" ("ship coil"), tale forma realizzativa è indicata con il numero di riferimento 51 in figura 12. The solenoid can also have a "ship coil" geometry, this embodiment is indicated with the reference number 51 in figure 12.
Le figure 10-12 illustrano esempi realizzativi del solenoide 5, 51, formato da una piattina di rame piegata di costa, mentre le figure 13-14 illustrano forme realizzative del solenoide 52, 53, formate da filo di rame piegato. Figures 10-12 illustrate embodiments of the solenoid 5, 51, formed by a bent copper strip at the edge, while figures 13-14 illustrate embodiments of the solenoid 52, 53, formed by bent copper wire.
L'apparecchiatura secondo la presente invenzione presenta diversi vantaggi. The apparatus according to the present invention has several advantages.
Dal punto di vista circuitale, un vantaggio della presente invenzione è costituito dal fatto che il resistore e l'induttore formano in serie un partitore resistivo, e tutta la potenza attiva viene assorbita dal resistore, che è relativamente lontano dalla zona di magnetizzazione, e quindi può dissipare meglio il calore. From the circuit point of view, an advantage of the present invention is constituted by the fact that the resistor and the inductor form in series a resistive divider, and all the active power is absorbed by the resistor, which is relatively far from the magnetization zone, and therefore it can better dissipate heat.
Inoltre, il resistore è fatto di materiale la cui resistività è stabile al variare della temperatura, tipo costantana o altre leghe. Il ruolo che gioca una relativamente alta resistenza in serie all'RLC, nella risultante corrente di picco è dominante, quindi variazioni di resistenza dovute ai conduttori di magnetizzazione non fanno variare la corrente di magnetizzazione. Questo rende stabili le prestazioni al variare della temperatura e ciò è fortemente desiderabile. Furthermore, the resistor is made of material whose resistivity is stable with varying temperature, such as constantan or other alloys. The role that a relatively high resistance in series to the RLC plays in the resulting peak current is dominant, so changes in resistance due to the magnetizing conductors do not cause the magnetizing current to vary. This makes the performance stable as the temperature changes and this is highly desirable.
Inoltre, il resistore permette una rapida discesa del picco di corrente, a scapito tuttavia della corrente di picco. La rapida discesa di corrente aumenta l'effetto sulla magnetizzazione dovuto alle correnti indotte. Furthermore, the resistor allows a rapid descent of the peak current, however at the expense of the peak current. The rapid drop in current increases the effect on magnetization due to induced currents.
La figura 2 illustra la variazione del picco dell'impulso di corrente ottenuta per mezzo della resistenza in serie. Secondo la presente invenzione, il picco si abbassa ma il tempo all'emivalore, cioè la larghezza impulso a metà ampiezza, si riduce drasticamente. Figure 2 illustrates the change in the peak of the current pulse obtained by means of the series resistance. According to the present invention, the peak is lowered but the time at the half-value, i.e. the pulse width at half amplitude, is drastically reduced.
Un ulteriore importante vantaggio dell'invenzione è dato dall'utilizzo del GTO (gate turn off) il quale ha un gate diffuso e quindi supporta un elevato rate di corrente nel tempo, arrivando fino a migliaia di A/us, laddove un convenzionale SCR (Silicon controlled rectifier) cede a poche centinaia di A/us. A further important advantage of the invention is given by the use of the GTO (gate turn off) which has a diffused gate and therefore supports a high current rate over time, reaching up to thousands of A / us, whereas a conventional SCR ( Silicon controlled rectifier) yields to a few hundred A / us.
Un ulteriore vantaggio della presente invenzione è costituito dal fatto che le maschere 4 sono unite tra loro tramite l'elemento di giunzione 41. A further advantage of the present invention is constituted by the fact that the masks 4 are joined together by means of the joining element 41.
La giunzione delle maschere permette di lavorarle assieme e quindi di mantenere allineamenti precisi. Ciò è vantaggioso perché il magnete da magnetizzare passa tra le maschere e pertanto i fori delle maschere devono essere ben allineati. The junction of the masks allows to work them together and therefore to maintain precise alignments. This is advantageous because the magnet to be magnetized passes between the jigs and therefore the holes in the jigs must be well aligned.
Inoltre, la giunzione aumenta la massa del conduttore, quindi la capacità termica, e pertanto limita le escursioni termiche durante l'impulso. Furthermore, the junction increases the mass of the conductor, therefore the thermal capacity, and therefore limits the thermal excursions during the impulse.
L'elemento di giunzione 41 è alettato, così da aumentare la superficie di dispersione termica. La stabilità termica migliora il funzionamento, in quanto le correnti indotte ad elevate temperature sono inferiori. The junction element 41 is finned, so as to increase the heat dispersion surface. Thermal stability improves operation, as the induced currents at high temperatures are lower.
L'elemento di giunzione 41 permette inoltre di utilizzare un sistema di fissaggio tramite fori 44, altrimenti impossibili con le nude maschere. The junction element 41 also allows to use a fastening system through holes 44, otherwise impossible with bare masks.
L'avvolgimento a piattina piegata di costa del solenoide 5, 51 permette di sfruttare le correnti indotte anche all'interno del solenoide stesso, confinando gran parte della densità di corrente verso l'interno, e quindi aumentando l'efficienza del solenoide. The bent strip winding of the edge of the solenoid 5, 51 allows to exploit the induced currents also inside the solenoid itself, confining a large part of the current density towards the inside, and therefore increasing the efficiency of the solenoid.
Il passaggio "tunnel" ricavato separando le spire aumenta l'uniformità del campo, pur abbassando il valore assoluto. Inoltre consente un agevole passaggio laterale per l'ingresso di magneti o assiemi magnetici sottili. The "tunnel" passage obtained by separating the coils increases the uniformity of the field, while lowering the absolute value. It also allows for easy side passage for entry of thin magnets or magnetic assemblies.
La forma a barca permette di aumentare ulteriormente il campo al centro dell'area del solenoide, perché avvicina le spire laterali al punto centrale. The boat shape allows to further increase the field in the center of the solenoid area, because it brings the lateral coils closer to the central point.
La forma a barca allontana le spire e crea una forma tale che aumenta ulteriormente l'uniformità del campo, che è un effetto desiderabile . The boat shape pushes the coils apart and creates a shape that further increases the uniformity of the field, which is a desirable effect.
Si è in pratica constatato come l'invenzione raggiunga il compito e gli scopi prefissati avendo realizzato un'apparecchiatura di magnetizzazione a impulso veloce che permette di realizzare magneti permanenti, sfruttando le correnti indotte su blocchi di rame o altro materiale conduttore, chiamati "maschere", per sagomare opportunamente la magnetizzazione. In practice it has been found that the invention achieves the intended aim and objects, having realized a fast pulse magnetization apparatus which allows to realize permanent magnets, exploiting the currents induced on blocks of copper or other conductive material, called "masks" , to properly shape the magnetization.
La resistenza inserita in serie nel circuito di magnetizzazione favorisce la generazioni delle correnti indotte necessarie all'uso della magnetizzazione ed offre altri vantaggi. The resistance inserted in series in the magnetization circuit favors the generation of induced currents necessary for the use of magnetization and offers other advantages.
Un'ulteriore caratteristica della presente invenzione è costituita dall''utilizzo "improprio" del tiristore di potenza GTO (gate turn off) come interruttore elettronico. Contrariamente a quanto noto nella tecnica, questa nuova e sorprendente applicazione permette di sfruttare il gate diffuso, normalmente utilizzato per spegnere il tiristore durante la conduzione, per sostenere l'elevata variazione di corrente nel tempo richiesta da questa applicazione. A further feature of the present invention is constituted by the "improper" use of the power thyristor GTO (gate turn off) as an electronic switch. Contrary to what is known in the art, this new and surprising application makes it possible to exploit the diffuse gate, normally used to turn off the thyristor during conduction, to sustain the high variation of current over time required by this application.
Un altro vantaggio della presente invenzione è dato dalla giunzione elettrica delle maschere. In questa maniera la giunzione elettrica risulta lontana dalla zona di lavoro e non compromette il funzionamento delle maschere. Another advantage of the present invention is given by the electrical junction of the masks. In this way, the electrical junction is far from the work area and does not compromise the functioning of the masks.
Un ulteriore vantaggio della presente invenzione è dato dalla separazione del solenoide e dalla sua particolare forma geometrica, che agevolano il processo produttivo. A further advantage of the present invention is given by the separation of the solenoid and by its particular geometric shape, which facilitate the production process.
L'apparecchiatura secondo l'invenzione è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti. The apparatus according to the invention is susceptible of numerous modifications and variations, all of which are within the scope of the inventive concept; furthermore, all the details can be replaced by technically equivalent elements.
Naturalmente i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica. The materials used, as well as the dimensions, may of course be any according to the requirements and the state of the art.
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- 2016-11-18 IT IT102016000117005A patent/IT201600117005A1/en unknown
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2017
- 2017-11-17 EP EP17001884.0A patent/EP3324418B1/en active Active
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Also Published As
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