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Zusammengesetzter Magnetkern und Verfahren zur Herstellung desselben.
Die Erfindung bezieht sich auf aus einzelnen Teilen zusammengesetzte Magnetkerne, in welchen hebe Permeabilität erwünscht ist.
Es ist eine magnetische Legierung aus Nickel und Eisen bekannt, die bei geeignetem Erhitzen eine merklich hohe Permeabilität bei niedrigen magnetisierenden Kräften, etwa solcher, wie sie beim elektrischen Signalisieren benutzt weiden, besitzt. Dieses Material und das Verfahren zur Herstellung desselben ist im Patent Nr. 101562 ausführlich beschrieben. Das Material besteht vorteilhaft aus ungefähr 78Y2% Nickel und 21 Y2% Eisen. Hohe Permeabilität kann auch in Nickel-Eisenlegierungen erzielt werden, deren Teilmengen an Nickel und Eisen stark von den obigen Teilmengen abweichen, die letzteren ergeben jedoch gewöhnlich die höchste Permeabilität.
Die Permeabilität dieser Legierung ändert sich in merk- lichem Masse, wenn das Material Beanspruchungen unterworfen wird, die seine Verwendbarkeit für viele Zwecke beeinträchtigen. Beanspruchungen (Drücke), wie sie beispielsweise durch Wickeln einer Spule um einen lamellierten Kern aus diesem Material entstehen, sind oft ausreichend, die Permeabilität erheblich herabzudrüeken. Weiters ändert sich oft die'Permeabilität bei Änderungen jener Temperatur im Kern, bei welcher Spulen gewöhnlich wirken sollen.
Diese Änderungen in der Permeabilität rühren, wie gefunden wurde, von den Beanspruchungen im Kernmaterial her, wie sie durch geringe Vei zerrungen bei der mechanischen Herstellung der Kerne und beim Auftragen der elektrischen Wicklungen auf dieselben entstehen.
Die Erfindung hat nun den Zweck, diese Nachteile bei Magnetkernen zu beseitigen, bei welchen ein gegen Beanspruchungen empfindliches Material benutzt wird. Weitere Zwecke der Erfindung sind nachstehend angegeben.
Bei Ausführungen nach der Erfindung besteht der magnetische Kern beispielsweise aus Teilen die verhältnismässig dünn sind oder kleine Querschnittsfläche haben, und zusammen den Aufbau in der Weise bilden, dass sie entweder Teile des gleichen Bleches, Drahtes oder Streifens bilden, der in irgendeine gewünschte Form gewickelt, gebogen oder gedreht wird, so zwar, dass die Teile voneinander getrennt sind oder gesonderte Teile sind, die durch irgendein Mittel voneinander getrennt gehalten werden.
Der so gebildete Magnetkern wird dann erhitzt, um die hohe Permeabilität zu erzielen, und schliesslich mit einer Substanz imprägniert, die beim Auftragen flüssig oder halbflüssig ist und nachher fest wird, um eine harte, starre Masse zu bilden, die der gewöhnlichen Benutzung unterworfen werden kann, ohne dass die Permeabilität des eingebetteten Materials beeinträchtigt wird. Als Imprägniersubstanz eignet sich am besten ein Phenol-Kondensationsprodukt, das aus einer Mischung von Phenol mit Formaldehyd, Hexamethylentetramin, Furfural usw. besteht.
Die Zeichnung veranschaulicht perspektivisch eine Ringspule, deren Kein der Erfindung gemäss hergestellt ist, wobei ein Teil dieser Spule weggesehnitten ist.
Die Nickel-Eisenlegierungen, die etwa 50% bis 90% Nickel enthalten, können am besten in folgender Weise hergestellt werden. Eisen und Nickel in dengewünschten Teilmengen weiden zusammengeschmolzen, worauf die geschmolzene Legierung in eine Form gegossen und gekühlt wird, um eine Stange oder einen Stab zu bilden. Dieses Arbeitsstüek wird durch abwechselndes Schmieden, beispielsweise in Gesenken, und Ziehen oder Walzm so lange bearbeitet, bis das Metall in die gewünschte Form und Abmessung gebracht ist. Sodann wird das Metall einer Behandlung durch Erhitzen ausgesetzt, um eine hohe Permeabilität zu erreichen. Dies geschieht dadurch, dass es eiaH'Temperatur von 850-1100 C einige Zeit
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hindurch ausgesetzt wird.
Diese Behandlung scheint der Legierung eine gleichmässige Molekularbeschaffenheit zu verleihen. Bei den höheren dieser Temperaturen wird ein verhältnismässig kurzer Zeitraum ausreichen, während bei tieferen Temperaturen einige Stunden erforderlich sind. Dies wird offenbar in hohem Masse von den Abmessungen des Materials abhängen. Das Ergebnis wird nicht beeinträchtigt durch unnötig langes Erhitzen während dieser Behandlungsstufe. Das Mass der Abkühlung nach dem Erhitzen ist von besonderer Wichtigkeit.
Das Material wird auf eine Temperatur, die etwas höher ist als die magnetische Übergangstemperatur, gebracht, was zweckmässig allmählich und während eines geeigneten Zeitraumes, etwa 30 Minuten lang geschieht, wenn beispielsweise eine Spule aus einem lose gewickelten Streifen zu behandeln ist, der eine Dicke von wenigen Tausendsteln von einem englischen Zoll besitzt. Die magnetische Übergangstemperatur ändert sich einigermassen mit der Zusammensetzung, beträgt jedoch ungefähr 800-600 C. Der wichtigste Teil der Behandlung ist die Stufe des Abkühlens über eine Temperaturzone, in der die magnetische Übergangstemperatur liegt und die sich bis zu einem beträchtlich tiefer liegenden Punkt, etwa bis 300 C, erstreckt.
Die Abkühlung muss genügend rasch, darf jedoch nicht zu rasch erfolgen. Erfolgt sie nicht genug rasch, so wird die entstehende Permeabilität verhältnismässig niedrig sein, wird dagegen zu rasch abgekühlt, so entstehen Beanspruchungen (Drücke und Züge), die gleichfalls das Entwickeln hoher Permeabilität verhindern. Dieses Mass ändert sich natürlich mit den Abmessungen des
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25 Sekunden abgekühlt wird. Die weitere Abkühlung von 300 C auf Zimmertemperatur kann in irgend einem geeigneten Masse erfolgen.
Wenn der Nickelgehalt der Legierung kleiner als etwa 50% oder 55% oder mehr als etwa 85% oder 90% ist, so kann das Abkühlungsmass über den ganzen Temperaturbereich das gleiche und viel niedriger sein als das oben angegebene Mass für den Bereich zwischen 6500 und 3000 C. Tatsächlich werden auf diese Weise im allgemeinen höhere Permeabilitäten erzielt, jedoch muss das günstigste Mass in jedem Fall durch Versuche bestimmt werden.
Es wurde gefunden, dass verhältnismässig massive Stücke dieser Legierungen, wie sie beispielsweise gewöhnlich bei Elktiomagneten benutzt werden, bei der oben beschriebenen Erhitzungsbehandlung,
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erzielt wird. Die inneren Teile werden nämlich langsamer als die äusseren Teile abgekühlt, so dass beiden Teilen nicht der höchste Permeabilitätswert gegeben werden kann.
Gemäss der Erfindung wird dieser Übelstand dadurch beseitigt, dass dünne Materialblätter oder Elemente von kleiner Querschnittsfläche benutzt werden, welchen eine wesentliche, durchaus gleichmässige Permeabilität gegeben werden kann. Diese Teile werden sodann zusammengefügt, gebogen oder gewickelt, um ein Gebilde von irgendeiner Form und Grösse zu bilden, bevor sie der Behandlung durch Erhitzen ausgesetzt werden.
Wenn auf die angegebene Weise versucht wurde, die auftretenden Schwierigkeiten zu beseitigen, so ergab sich jedoch eine weitere Schwierigkeit aus dem Grunde, weil das Material bezüglich der Permeabilität für Beanspruchungen äusserst empfindlich ist. Bei Benutzung gewöhnlicher Methoden der Herstellung einer Spule wurde die Permeabilität zuweilen um 50% vermindert. Weiters blieb die Permeabilität nach Beendigung des Aufbaues nicht immer konstant, sondern änderte sich bei Änderungen jener Temperatur des Kernes, bei welcher die Spulen gewöhnlich zu wirken haben.
Diese Änderungen rühren. wie gefunden wurde, von Beanspruchungen im Kern her, die durch kleine Verzerrungen entstehen, welche durch die mechanischen für die Herstellung der Kerne benutzten Verfahren und durch Aufbringen der elektrischen Wicklungen um die Kerne hervorgerufen werden. Gemäss vorliegender Erfindung wurden diese Übelstände durch Benutzung eines Hilfsträgermaterials vermieden, dessen charakteristische Eigen- schaften dem beabsichtigten Zweck am besten entsprechen.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die Wicklungen ? der dargestellten Konstruktion umgeben einen magnetischen Kern 2, der aus fünf Spulen 3 besteht, die in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise aneinander geschlossen sind und aus einem Niekel-Eisenstreifen verfertigt werden. Jede Spule ist in einer aus einem Phenol-Kondensationsprodukt
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änderungen verzerrt werden, wodurch der hohe Wert der Permeabilität aufrechterhalten bleibt. Die Legierung ist demnach viel wertvoller als alle andern bekannten Materialien in jenen Fällen, bei welchen
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Die Herstellung dieses Materials ist ebenso wie letzteres selbst im U. S. Patent Nr. 1213726 (Balke- land) näher beschrieben. Das Imprägnierverfahren kann entweder unter Druck oder im Vakuum durch- geführt werden, worauf der zusammengesetzte Körper einige Stunden der Luft ausgesetzt wird, damit die überschüssige Flüssigkeit entfernt und die verbleibende Flüssigkeit durch chemische Reaktion in eine harte unschmelzbare Substanz überführt wild. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, werden die
Spulen zuweilen in einem Ofen einige Stunden lang auf ungefähr 700 C erhitzt.
Das Phenol-Kondensations- produkt wird so in ein hartes, unschmelzbares und starres Material umgewandelt, in welchem das magnetische Material eingebettet und derart sicher in Stellung gehalten wird, dass sich die Peimeabilität während der Herstellung von solchen Spulen für Magnetkeine oder wählen ihrer nachherigen Benutzung nicht ändert. Wenn das magnetische Mateiial, nachdem es der Hitzebehandlung zwecks Erzielung hoher
Permeabilität ausgesetzt worden ist, abermals bis über eine Temperatur von etwa 2000 oder 3000 C erhitzt wird, so wird die Permeabilität gewöhnlich stark verringelt.
Das Phenol-Kondensationsprodukt kann jedoch durch chemische Wirkung in starres Mateiial übeifüh : t werden, ohne dass ein Erhitzen über eine Temperatur von 60 oder 70 C erfolgen müsste.
Wie aus obigem erhellt, muss das Imprägniermaterial ein solches sein, das sich nicht ausdehnt, wenn es erhärtet, da hiedurch Spannungen im magnetischen Material entstehen würden, auch muss es einen Ausdehnungskoeffizienten haben, der jenen der Nickel-Eisenlegierung möglichst nahe kommt, damit in letzterer keine wesentlichen Beanspruchungen bzw. Spannungen eintreten, wenn der fertig zusammengesetzte Körper Temperaturänderungen unterworfen wird, wie sie beim gewöhnlichen Gebrauch sicher Kernköiper eintreten. Diesen beiden Erfordernissen entspricht das Phenol-KondensationsprQdukt vollkommen.
Die so hergestellte Magnetspule kann für sich allein oder in Vereinigung mit einer Anzahl gleicher Spulen benutzt werden. Diese letztere Anordnung ist in der Zeichnung dargestellt, wobei die einzelnen 8puleneinheiten mittels eines Gewebestieifens 5 zusammengebunden und zusammengehalten werden. Dieses Band kann mit genügendem Druck umgewickelt werden, um eine besondere starre Konstruktion zu erzielen, ohne die Permeabilität der magnetischen Legierung erheblich zu beeinträchtigen. In gleicher Weise kann der Draht 1 mit üblichem Zug herumgewickelt werden, ohne die charakteristischen Eigenschaften des Belastungsmaterials zu ändern.
Es wird häufig gewünscht, Luftspalten in Magnetkernen vorzusehen, um das Mass zu ändern, mit dem der magnetische Kraftfluss bei Änderungen des Stromes in der Spule sich ändert. Das einfachste und billigste Verfahren zur Erzeugung dieser Spalten besteht darin, die letzteren in gewünschter Breite durch Sägeschnitte berzustellen. edoch können magnetische Legierungen hoher Permeabilität gewöhnlich nicht in dieser Weise behandelt werden, ohne die Permeabilität in einer verhältnismässig grossen Kernzone um den Schnitt ho um auf einen sehr kleinen Wert herabzusetzen.
Der magnetische Kern gemäss vorliegender Erfindung ist jedoch auch in dieser Beziehung insofern überlegen, als Sägeschnitte vorgenommen werden können, ohne im magnetischen Material Beanspruchungen hervorzurufen, wenn von einer kleinen Zone in der Nähe des Schnittes abgesehen wird.
Die Spule ist mit einem Sägeschnitt bei 4 verbehen und ist ein Teil der Spule auf einer Seite des Schnittes weggebrochen, um den Aufbau des Kernes zu zeigen.
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Die Spulen werden dem Zwecke entsprechend nach du'Hitzebehandlung zusammengefügt und erst nachher imprägniert, statt jede Spule, wie oben beschrieben, gesondert zu imprägnieren. Die gesonderte Imprägnierung hat den Vorteil, dass jede Spule sodann eine Einheit bildet, aus der Konstruktionen ver- schiedener Grossen leicht. aufgebaut werden können ; es ist dabei nicht so schwierig, wegen der kleinen Abmessungen eine gleichmässige Hitzebehandlung durchzuführen.
In gleicher Weise können die Einheiten aus Stücken der Legierung gebildet werden, die andere als die beschriebene Gestalt haben und zusammengefügt werden, um einen zusammengesetzten Kern irgendeiner gewünschten Form und Grösse zu bilden. Wenn gesonderte, kurze Stücke gleicher oder verschiedener Form und Grösse zusammenzufügen sind, so können sie gesondert durch Erhitzen behandelt, aufeinandergesetzt oder zusammengepasst werden, wobei eines in das andere enge passt oder beide dicht aneinandergesetzt werden, ohne dass irgend eines der Stücke gebogen oder beansprucht. wird, und kann das Ganze sodann imprägniert und mit dem zum Halten bzw. Zusammenhalten der Teile dienenden Material umgeben werden.
Bei Benutzung von konstanten und keinen wechselnden oder fluktuierenden magnetischen Feldern, erübrigen sich Massnahmen zur Vermeidung von Wirbelströmen und es ist dann nicht wesentlich, die gesonderten Elemente des Kernes durch Isoliermaterial zu trennen.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Zusammengesetzter Magnetkern mit magnetischem Material, dessen Permeabilität für äussere Einwirkungen (mechanische Beanspruchung, thermische Einwirkung) empfindlich ist, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Kern aus Teilen verhältnismässig geringer Dicke ausgeführt wird und durch ein Material zusammengebunden ist, das zwischen diesen Teilen eindringen und erhärten kann, um diese Teile in Stellung zu halten, so dass eine Änderung der Permeabilität nicht eintritt, wenn der fertige Kern äusseren Kräften unterworfen wird.