CZ201791A3 - Skelet jádra tvořeného pruty z feromagnetického materiálu - Google Patents
Skelet jádra tvořeného pruty z feromagnetického materiálu Download PDFInfo
- Publication number
- CZ201791A3 CZ201791A3 CZ2017-91A CZ201791A CZ201791A3 CZ 201791 A3 CZ201791 A3 CZ 201791A3 CZ 201791 A CZ201791 A CZ 201791A CZ 201791 A3 CZ201791 A3 CZ 201791A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- core
- skeleton
- rods
- ferromagnetic material
- magnetic
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
- H01F3/04—Cores, Yokes, or armatures made from strips or ribbons
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
- H01F27/24—Magnetic cores
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
- H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
- H01F41/0206—Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
- H01F41/0246—Manufacturing of magnetic circuits by moulding or by pressing powder
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
- H01F3/08—Cores, Yokes, or armatures made from powder
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Soft Magnetic Materials (AREA)
- Linear Motors (AREA)
- Electromagnets (AREA)
Abstract
Skelet jádra tvořeného pruty z feromagnetického materiálu, které zaujímají v každém průřezu jádra směr siločar magnetického toku v ustáleném stavu, je tvořen svazkem prutů (1) oddělených vzduchovými vrstvami, přičemž sousedící pruty (1) jsou vzájemně propojeny pevnými můstky (2) z téhož feromagnetického materiálu rozmístěnými se vzájemným odstupem.
Description
Oblast techniky
Vynález se týká jádra na bázi feromagnetických materiálů, které je určeno pro přístroje fungující na elektromagnetickém principu, a dále se týká způsobu vytvoření jeho struktury.
Dosavadní stav techniky
V přístrojích a zařízeních pracujících na elektromagnetickém principu, jako jsou transformátory, elektromagnetické ventily, magnetoreologické ventily, elektromotory, elektromagnety, senzory založené na indukčním principu atd., prochází proměnný magnetický indukční tok alespoň zčásti jádrem z feromagnetického materiálu (čisté železo, křemíková ocel, měkká konstrukční ocel, slitiny FeNi, slitiny FeCo atd.). Tyto materiály se vyznačují dobrými magnetickými vlastnostmi - vysokou permeabilitou, vysokou mezí magnetického nasycení a nízkou remanencí - a dobrými mechanickými vlastnostmi. Nevýhodou těchto materiálů je jejich značná elektrická vodivost, která u zařízení pracujících s proměnným magnetickým polem umožňuje vznik vířivých proudů v jádru.
Při změně magnetické indukce se v jádru indukuje napětí Ub které vyvolá proud 7(r) =
R , kde R je odpor materiálu jádra. Proud l(t) pak vyvolá magnetické pole, které působí proti budícímu magnetickému poli. Proud l(t) procházející jádrem o odporu R způsobuje tepelné ztráty. Navíc proud indukovaný v jádru má charakter vířivých proudů, které jsou ve většině elektromagnetických zařízení nežádoucí, protože snižují účinnost přístroje. Vířivé proudy rovněž prodlužují dobu odezvy magnetického toku na změny elektrického proudu protékajícího budící cívkou. To je pro zařízení vyžadující extrémně rychlou odezvu, jako jsou elektromagnetické ventily a magnetoreologické ventily, hlavním limitujícím faktorem jejich aplikace.
Obr. 1 a obr. 2 představují typický příklad rozložení magnetické indukce a vektoru proudové hustoty v jednoduchém magnetickém obvodu - jádrem ve tvaru toroidu. Je patrné, že vektor magnetické indukce je kolmý k rovině řezu XZ, zatímco vektor proudové hustoty v této rovině leží. Vířivé proudy vždy protékají v rovině kolmé ke směru magnetických indukčních čar, a to ve všech směrech této roviny.
Aby se potlačily vířivé proudy v jádrech magnetických obvodů, jsou jádra
- 2 9 » • -» • » »» · »
• * »
tvořena feromagnetickými plechy nebo pásy proloženými dielektrikem - viz např.
US 1^251^939 nebo US 2016/0^36^100. S ohledem na průběh vířivých proudů podle obr. 2 to přináší jen částečný efekt, neboť takové uspořádání potlačuje vířivé proudy jen v jednom směru.
Lepší výsledky přináší použití materiálů s vysokou magnetickou vodivostí a přitom s velkou elektrickou rezistivitou, jako například feritů a materiálů SMC (soft magnetic composite materials). Nevýhodou oproti kovovým materiálům jsou jejich nevyhovující mechanické vlastnosti, náklady na výrobu prototypů, omezené rozměry, které lze vyrobit, a u SMC pak malá permeabilita a u feritů nízká mez nasycení.
V JP 200^108559 se řeší potlačení vířivých proudů v přímém úseku jádra tak, že tato část jádra je tvořena svazkem k sobě přiléhajících železných drátů, z nichž každý je opatřen izolačním potahem obsahujícím oxidy. Obdobně v JPS 6450403 jsou v jádru lineárně uspořádány vzájemně se dotýkající dráty z feromagnetického materiálu. Pro potlačení vířivých proudů jsou potaženy izolačním filmem. Spáry mezi dráty jsou vyplněny feromagnetickým materiálem. Nevýhodou těchto řešení je, že neumožňují vytvořit kompaktní konstrukci jádra, která by byla variabilní jak co do vnějšího tvaru, tak i pokud se týká vnitřního uspořádání feromagnetických vodičů. Zejména neumožňují vytvořit optimální strukturu tak, aby se ušetřil materiál jádra a snížila jeho hmotnost.
Vynález si klade za úkol navrhnout feromagnetické jádro včetně způsobu jeho zhotovení, jehož struktura při zachování dobrých mechanických a magnetických vlastností podstatně omezí vznik nežádoucích vířivých proudů a umožní podstatnou úsporu materiálu.
Podstata vynálezu
Uvedený úkol řeší skelet jádra tvořeného pruty z feromagnetického materiálu, které zaujímají v každém průřezu jádra směr siločar magnetického toku v ustáleném stavu, přičemž skelet je tvořen svazkem prutů oddělených vzduchovými vrstvami, přičemž sousedící pruty jsou vzájemně propojeny pevnými můstky z téhož feromagnetického materiálu rozmístěnými se vzájemným odstupem.
V jádru tvořeném uvedeným skeletem je skelet zalit polymerovou nebo epoxidovou zalévací hmotou.
» ·
- 3 V jádru tvořeném uvedeným skeletem může být skelet vyplněn magneticky vodivým dielektrikem.
Skelet může být k vytvoření jádra vyplněn buněčnou strukturou tvořenou materiálem prutů.
Počet prutů a jejich rozmístění v průřezu jádra s výhodou odpovídá intenzitě magnetického toku v daném průřezu jádra.
Souhrnná průřezová plocha prutů v průřezu jádra odpovídá intenzitě magnetického toku v daném průřezu jádra.
Ve výhodné, provedení se plocha a tvar průřezu prutu po jeho délce mění podle aktuální intenzity magnetického toku v daném místě.
Pro zachování pevnosti jádra je výhodné doplnit skelet jádra do konečného tvaru jádra buněčnou strukturou vytvořenou z materiálu prutů.
Popsaný skelet jádra obsahujícího pruty z feromagnetického materiálu se vyhotoví tak, že se tvar svazku prutů, rozmístění prutů ve svazku, jakož i plocha a tvar průřezu jednotlivých prutů stanoví numerickou metodou, například FEM metodou konečných prvků, načež se svazek prutů vytvoří aditivní technologií na 3D tiskárně, například SLM - selektivní laserová tavba, SLS - selektivní laserové sintrování, DMLS - přímé laserové sintrování kovů, nebo metoda 3D welding.
Následně se může feromagnetický skelet jádra zalít ve formě polymerovou nebo epoxidovou zalévací hmotou, která se nechá ztuhnout nebo se může feromagnetický skelet jádra vyplnit magneticky vodivým dielektrikem.
»
o.
Objasnění bbrázků-ftá výkres»
Na obr. 1 je znázorněno rozloženi siločar magnetického toku v jednoduchém toroidním jádru a na obr. 2 vektorové rozložení vířivých proudů vznikajících při změně hodnot resp. směru magnetického toku. Na obr. 3 je v axonometrickém promítání příkladný skelet feromagnetického jádra ve tvaru toroidu, na obr. 4 je táž struktura v půdorysu, na obr. 5 v řezu, na obr. 6 je výřez struktury podle obr. 3 a na obr. 7 je příklad jiného provedení skeletu jádra podle vynálezu.
Příklady uskutečnění vynálezu
Podstata vynálezu bude dokumentována na jednoduchém toroidním jádru * · • ·
- 4 viz obr. 3 až 6. Struktura jádra je tvořena svazkem prutů 1 z feromagnetického materiálu, např. ze slitiny FeNi, vedených s rozestupy tak, že mezi každými dvěma sousedními pruty 1 je ponechána vzduchová vrstva nebo mezera pro případné vyplnění dielektrikem. Jak je zřejmé z porovnání obr. 3 s obr. 1, v každém průřezu jádra zaujímají pruty 1 směr siločar magnetického toku. Sousedící pruty 1 jsou vzájemně propojeny pevnými můstky 2 z téhož materiálu rozmístěnými v pravidelných odstupech.
Další příklad uskutečnění vynálezu je na obr. 7. Pevné můstky, udržující rozestupy jednotlivých prutů, jsou zde provedeny mimo výsledný tvar obvodu a po vyplnění mezer pevným dielektrikem mohou být odstraněny. Tím je zajištěna úplná elektrická izolace jednotlivých prutů.
S ohledem na níže uvedený způsob Vytvoření skeletu jádra může v jiném provedení souhrnná plocha průřezu prutů Iv průřezu jádra s výhodou odpovídat intenzitě magnetického toku v daném průřezu jádra. Případně se mohou plocha a tvar průřezu prutu 1 po jeho délce měnit podle aktuální intenzity magnetického toku v daném místě.
Uvedená opatření směřují v úspoře feromagnetického materiálu v jádru a tím ke snížení jeho hmotnosti. Na druhou stranu to vede k tomu, že hustota prutů např. u válcovitého jádra směrem k jeho obvodu klesá a tím i jeho mechanická pevnost. Ukazuje se jako výhodné opatření doplnit na vhodných místech prutovou strukturu skeletu jádra buněčnou strukturou (lattice structure), kterou lze vytvořit shodnou technologií, současně s výše popsaným polotovarem, přičemž tato struktura zajistí jádru vysokou pevnost při podstatném snížení hmotnosti.
Strukturu dokumentovanou na jednoduchém toroidním jádru lze vytvořit pro jádra v podstatě libovolného tvaru, ať již v nich probíhá uzavřený magnetický obvod, nebo jen zaujímají část magnetického obvodu.
Popsaný skelet jádra se zhotoví tak, že se tvar svazku prutů, rozmístění prutů ve svazku, jakož i plocha a tvar průřezu jednotlivých prutů stanoví numerickou metodou např. FEM, načež se svazek prutů vytvoří aditivní technologií na 3D tiskárně, např. metodou SLM .
Numerickou metodou například FEM je možno určit směr magnetické indukce v ustáleném stavu z magnetického modelu plného jádra buzeného cívkou. Například
« ·
- 5 u toroidního jádra jsou magnetické indukční čáry soustředné kružnice, jejichž přesnou cestu lze získat řešením Maxwellových rovnic. Princip 3D tisku pomocí metody SLM nebo SLS spočívá v nanášení tenké vrstvy prášku, který je následně roztaven nebo sintrován laserovým paprskem. Následuje nanesení nové vrstvy a opakované roztavení prášku takovou energií laseru, aby se jednotlivé vrstvy spojily. Tímto způsobem se postupuje, dokud není vyrobený celý díl. Při využití pomocných podpor je možné stavět i převislé tvary. Podpory se následně vylomí. Pomocí metody 3D svařování lze stavět strukturu i bez využití podpor. Lze tak vyrobit jakýkoliv myslitelný tvar s velkou tvarovou i rozměrovou přesností. Je rovněž možné obdobnou metodou, ze shodného materiálu a na shodném zařízení doplnit prutovou strukturu polotovaru jádra tzv. lattice structure (buněčná struktura), resp. gyroid lattice structure, která dodá polotovaru jádra kompaktnost a pevnost.
V případě jednodušších tvarů polotovaru je možno použít i konvenční metody obrábění, mj. elektroerozivní obrábění, dělení laserem, vodním paprskem, aj.
Polotovar jádra lze vyrobit z řady elektricky vodivých, feromagnetických materiálů, jako čisté železo, křemíková ocel, měkká ocel, magnetická nerez, slitiny FeCoV - např. Hiperco, slitiny FeNi, slitiny FeCo apod.
Feromagnetická konstrukce jádra se může následně ve formě zalít dielektrickou polymerovou nebo epoxidovou zalévací hmotou, která se nechá ztuhnout, anebo vyplnit sypkým magneticky vodivým dielektrikem, které zlepší celkové magnetické vlastnosti jádra. Sypké dielektrikum musí být uzavřeno v jádře vnější kostrou. Těmito způsoby se vytvoří zcela kompaktní jádro.
Výhodou výše popsané struktury magnetického jádra je zejména:
• Výrazné potlačení vlivu vířivých proudů a tím i ztrát v magnetickém obvodu • Dosažení vysokých hodnot magnetické indukce v obvodu díky použití vhodných feromagnetických materiálů např. čistého železa nebo slitin kovů (výhoda oproti feritovým jádrům) • Dobré mechanické vlastnosti (výhoda proti SMC a feritům) • Možnost konstrukce jádra z materiálu s vysokou permeabilitou materiálu (výhoda proti SMC) • Snížení hmotnosti jádra a úspora materiálu a ϊ 4 # í a a 4 * * » sta * j » » * > a
j »
>
* · $
a * » í » a
a « i * ♦ «
-6 Využití magnetických obvodů s popsanou konstrukci sníží ztráty v obvodech a zvýší účinnost elektromagnetických strojů. Oblast využití se předpokládá zejména pro cívky, transformátory, elektromagnetické ventily, magnetoreologické ventily, elektromotory, elektromagnety, senzory založené na indukčním principu, atd.
Claims (4)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Skelet jádra tvořeného pruty z feromagnetického materiálu, které zaujímají v každém průřezu jádra směr siločar magnetického toku v ustáleném stavu, vyznačující se tím, že je tvořen svazkem prutů (1) oddělených vzduchovými vrstvami, přičemž sousedící pruty (1) jsou vzájemně propojeny pevnými můstky (2) z téhož feromagnetického materiálu rozmístěnými se vzájemným odstupem.
- 2. Jádro tvořené skeletem podle nároku 1, vyznačující se tím, že skelet je zalit polymerovou nebo epoxidovou zalévací hmotou.
- 3. Jádro tvořené skeletem podle nároku 1, vyznačující se tím, skelet je vyplněn magneticky vodivým dielektrikem.
- 4. Jádro tvořené skeletem podle nároku 1, vyznačující se tím, skelet je vyplněn buněčnou strukturou tvořenou materiálem prutů (1).
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-91A CZ201791A3 (cs) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | Skelet jádra tvořeného pruty z feromagnetického materiálu |
| EP18000128.1A EP3373311B1 (de) | 2017-02-17 | 2018-02-12 | Skelett für magnetkern und verfahren zu seiner herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-91A CZ201791A3 (cs) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | Skelet jádra tvořeného pruty z feromagnetického materiálu |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ307249B6 CZ307249B6 (cs) | 2018-04-25 |
| CZ201791A3 true CZ201791A3 (cs) | 2018-04-25 |
Family
ID=61526509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2017-91A CZ201791A3 (cs) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | Skelet jádra tvořeného pruty z feromagnetického materiálu |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP3373311B1 (cs) |
| CZ (1) | CZ201791A3 (cs) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3102316B1 (fr) * | 2019-10-16 | 2021-09-24 | Commissariat Energie Atomique | pièce monobloc et ferromagnétique d’une machine électrique tournante |
| CN113328549A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-08-31 | 清华大学 | 具有导磁线的铁心、磁路部件、轴向磁场电机和磁阻电机 |
| CN114048705B (zh) * | 2021-11-24 | 2024-05-28 | 大连理工大学 | 一种螺管式电磁阀的优化设计方法 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB162731A (en) * | 1920-01-03 | 1921-05-03 | British Thomson Houston Co Ltd | Improvements in and relating to electro-magnetic devices for controlling alternating current dynamo electric machines |
| DE2505080B2 (de) * | 1975-02-07 | 1979-04-26 | Goetz-Udo 6391 Graevenwiesbach Hartmann | Funkentstördrossel und Verfahren zu ihrer Herstellung |
| GB2105522A (en) * | 1981-09-05 | 1983-03-23 | Gen Motors Ltd | Laminated core structure |
| US5530251A (en) * | 1994-12-21 | 1996-06-25 | International Business Machines Corporation | Inductively coupled dual-stage magnetic deflection yoke |
| JP2000067667A (ja) * | 1998-08-25 | 2000-03-03 | Kobe Steel Ltd | Ｎｂ３ Ａｌ系超電導線材の前駆体と、Ｎｂ３ Ａｌ系超電導線材およびその製造方法 |
| US6348275B1 (en) * | 1998-11-06 | 2002-02-19 | Honeywell International Inc. | Bulk amorphous metal magnetic component |
| DE102006017762B4 (de) * | 2006-04-12 | 2010-07-08 | Siemens Ag | Verfahren zum Laminieren eines Elektrobandes für Transformatorenkerne |
| JP5442388B2 (ja) * | 2009-10-22 | 2014-03-12 | 株式会社日立産機システム | 磁性鉄心およびその製造方法、アキシャルギャップ型回転電機、静止機 |
| US10022789B2 (en) * | 2011-06-30 | 2018-07-17 | Persimmon Technologies Corporation | System and method for making a structured magnetic material with integrated particle insulation |
| DE102013112325B4 (de) * | 2013-11-08 | 2024-02-08 | Sma Solar Technology Ag | Ringspule und Herstellungsverfahren für eine Ringspule |
| EP2975618B1 (de) * | 2014-07-16 | 2019-05-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Kern für eine elektrische Induktionseinrichtung |
-
2017
- 2017-02-17 CZ CZ2017-91A patent/CZ201791A3/cs not_active IP Right Cessation
-
2018
- 2018-02-12 EP EP18000128.1A patent/EP3373311B1/de active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ307249B6 (cs) | 2018-04-25 |
| EP3373311B1 (de) | 2022-09-28 |
| EP3373311A1 (de) | 2018-09-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CZ201791A3 (cs) | Skelet jádra tvořeného pruty z feromagnetického materiálu | |
| JP2009004670A (ja) | ドラム型インダクタとその製造方法 | |
| CN110459376B (zh) | 具有磁性相和非磁性相的整体式结构 | |
| Magdaleno-Adame et al. | Electromagnetic finite element analysis of electrical steels combinations in lamination core steps of single-phase distribution transformers | |
| US20130176093A1 (en) | Coil for current limitation | |
| Batdorff et al. | High-fidelity magnetic equivalent circuit model for an axisymmetric electromagnetic actuator | |
| KR20180112007A (ko) | 전자기 유도 장치 및 그 제조 방법 | |
| CN203288375U (zh) | 一种低发热电磁铁铁芯结构 | |
| CN111987704B (zh) | 考虑永磁体漏磁的磁饱和直流故障限流器电感计算方法 | |
| RU2444076C1 (ru) | Трансформатор | |
| Poltschak et al. | Design and optimization of a lightweight single phase linear actuator | |
| CN110447080B (zh) | 用于变压器或电感器的绝缘 | |
| KR101268392B1 (ko) | 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석 및 펄스 전자석 조립체 | |
| Dragomir et al. | COMSOL simulation of electromagnetic field required for a microrobot actuation | |
| JP2012119698A (ja) | ラジアル異方性リング磁石の製造装置 | |
| Paltanea et al. | Soft magnetic composites used in the special electric motor magnetic cores | |
| JP6948170B2 (ja) | 限流リアクトル用コアおよび限流リアクトル | |
| Sunwong et al. | Design and fabrication of a combined function magnet prototype for Siam Photon Source | |
| RU2448384C1 (ru) | Трансформатор | |
| JP2013123318A (ja) | リング磁石およびリング磁石の製造方法およびモータ | |
| EP2936512B1 (en) | An inductor and inductor core | |
| Chang et al. | Additive Manufacturing High Current Power Inductor | |
| JPS63240366A (ja) | 電磁フローカプラおよび直流型電磁ポンプ | |
| Bolotin et al. | Numerical Simulation of Electromagnetic Stirrer with Magnetic Core Made Soft Magnetic Composite | |
| Vrijsen et al. | Finite element analysis and Preisach hysteresis model of a toroid compared to measurements |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20230217 |