DD150673A1

DD150673A1 - Verfahren zur herstellung verlustarmer magnetischer kreise

Info

Publication number: DD150673A1
Application number: DD22103980A
Authority: DD
Inventors: Herbert Pilgrimm
Original assignee: Herbert Pilgrimm
Priority date: 1980-05-12
Filing date: 1980-05-12
Publication date: 1981-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verlustarmer magnetischer Kreise. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist die Herabsetzung der magnetischen Verluste und eine effektivere Herstellung von magnetischen Kreisen, wobei die magnetischen Widerstaende und die Streuverluste verringert werden. Erfindungsgemaesz wird das dadurch erreicht, dasz beim Aufbau der magnetischen Kreise magnetische Fluessigkeiten zur Anwendung kommen. Nach dem erfindungsgemaeszen Verfahren lassen sich der Wirkungsgrad von Transformatoren, dynamoelektrischen Maschinen, Relais, Uebertragern usw. erhoehen und der Fertigungsprozesz vereinfachen.

Description

Erfinder

Dr* Η» Pilgrimm

Verfahren zur Herstellung verlust.ann.er magnetischer Kreise

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verlustarmer magnetischer Kreise, Bei einer großen Anzahl von Werkstoffen der Elektrotechnik und "Elektronik werden bestimmte magnetische Eigenschaften gefordert. So sollen im Blektromaschinen- und Transformatorenbau magnetische Kreise mit geringen magnetisierungsverlusten und hoher Induktion eingesetzt v/erden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die magnetischen Widerstände, sowie die Streuverluste der Spulenwicklungen verringert und damit die Verluste an Energie herabgesetzt werden. In der Nachrichtentechnik und. Elektronik sollen Spulen- und übertragerkerne mit hoher Anfangspermeabilität und geringen Verlusten angewendet werden. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die magnetischen Verluste der einge- setzten Werkstoffe, bei gleichzeitiger vereinfachter Herstellung, verringert werden.

g JiJ: j? & e τ b ekannt en t e chni sehen Lö sun ge n

Beim Einsatz von weichmagnetischen Werkstoffen im Elektromaschinenbau, wie z.B. zur Energieumwandlung mit Hilfe von Motoren und Generatoren oder zur Energieverteilung mit Hilf© von Transformatoren, setzt man bevorzugt Dynamo- und Transfomatorenbleche ein. '.Die aus diesen Blechen zusammengesetzten magnetischen Kreise sollen dabei niedrige Usmagnetisierungsverluste aufweisen

Dies kann durch den Einsatz sehr dünner Bleche mit schlechter elektrischer leitfähigkeit erreicht werden, wobei auf Grund d.er Erhöhung der Blechzahl auch die Zahl der Isolierschichten zwischen den Blechen zunimmt und damit ein ungünstiger Füllfaktor entsteht. Als Isoliennaterialien zwischen den Blechen kommen überwiegend oxidisehe Deckschichten, Papier und Lackmaterialien zur Anwendung. Da diese Materialien unmagnetisch sind, wird der magnetische Widerstand der Blechpakete erhöht, die magnetische Flußdichte verringert, und damit der Wirkungsgrad herabgesetzt. Stromverdrängungsverluste von in Eisen eingebetteten Wicklungen lassen sich nur konstruktiv verringern. Auch die Streufeldverluste lassen sich nur, wenn überhaupt, durch konstruktive Maßnahmen verringern.

In der Uaeiirichtentechnik und Elektronik werden Spulen- und Übertragerkerne mit hoher Anfangspermeabilität und geringen Hystereseverlusten benötigt. Je nach Verwendungszweck stellt man. verschieden aufgebaute Kerne her. Bei Massekernen preßt man z.B. ferromagnetische Pulver mit Isolier- und Bindemitteln zu Kernen, wobei der Isolier- und Bindemittelanteil die Anfangspermeabilität und die Verluste mitbestimmt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Herabsetzung der magnetischen Verluste von magnetischen Kreisen, sowie deren effektivere Herstellung.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die magnetischen Widerstände und die Streuverluste der magnetischen Kreise zu verringern, um so den Wirkungsgrad von Transformatoren, dynamoelektrischen Maschinen, Selais, Übertragern u.s.w, zu erhöhen.

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, da8 magnetische oder magnetisierbare Flüssigkeiten, wie z.B. magnetische Kleb», G-ieß- und lackharze, oder thermoplastische Kunststoffe, wie z.B_e magnetisches Polystyrol", als Isolier- und/oder Bindemittel bei der Herstellung magnetischer Kreise eingesetzt v/erden. Die magnetischen Flüssigkeiten und Kunststoffe bestehen aus

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ferro» oder superparamagnetischen Teilchen, wie z.B. aus Fe^O₄, y-FeoOo, Fe, Co₅ Hi, die durch Adsorption von grenzflächenaktiven Substanzen oder durch eine chemische Bindung -von Stabilisator-Substanzen auf der Oberfläche der Magnetteilchen in dem entsprechenden Dispersionsmittel oder im thermoplastischen Kunststoff stabilisiert sind* Die dispergieren Teilchen haben dabei einen Durchmesser von 5 » 50 nm.

Diese magnetischen Flüssigkeiten können nun zum Isolieren und/ oder Binden der magnetischen Werkstoffe verwendet werden, aus _· denen der jeweilige magnetische Kreis aufgebaut ist. So können Pulver, Bänder und/oder Bleche mit härtbaren magnetischen Flüssigkeiten zu verlustarmen magnetischen Kreisen zusammengesetzt werden, da die Flüssigkeiten durch die Anwesenheit der kleinen Magnetteilchen geringere magnetische Widerstände besitzen als die bisher verwendeten Isolier- und Bindemittel. Durch die geringe Größe der Magnetteilchen lassen sich auch sehr geringe Schichtdicken Isolier- und/oder Bindemittel realisieren. Bin weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, daß bei Anwendung von ζ₄B„ magnetischen Epoxidharzen oder Polyesterharzen öex elektrische Widerstand groß ist, so daß auch bei geringen Schichtdicken zwischen äen Magnetwerkstoffen eine gute Isolierung erreicht wird» Durch die relativ gute Wärmeleitfähigkeit von z.B« ^©30, und der relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit ist die Wärmeableitung der in den Wicklungen entstehenden Wärme durch die Einbettung' der Spulenwicklungen in ein magnetisches Gießharz möglich. Damit kann der magnetische Widerstand der Spulenkerne herabgesetzt und der Streuverlust verringert werden» Außerdem ist somit eine sehr feste Bindung der Spulen mit den Kernen erreicht, was bei dynamoelektrischen Maschinen Fertigungsvorteile bringen würde* Durch den Einsatz härtbarer magnetischer Flüssigkeiten zur Herstellung von magnetischen Massekernen aus pulverförmigen Kagnet- ' werkstoffen lassen sich sehr einfach verschiedenartige magnetische Kreise, wie sie z.B. als Transforraatorenkerne oder als Statoroder Botorteile bei der Herstellung elektrodynamischer Haschinen benötigt .werden, fertigen* Die Technologien sind in der Kunststoffverarbeitung bekannt und in der Fertigung sehr billig. Die so hergestellten i-Ja-ssekerne weisen, bei sehr kleinen Durch» messern der Kagnetpulverteileben, sehr geringe Wirbelstromverluste auf« Bei entsprechender Technologie liefen sich sogar die

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Spulen bei der Herstellung der Kerne gleich mit eingießen, was wiederum eine Verringerung der Streuverluste bewirken würde. Bei Anwendung dieser Pulvertechnologie kann die Benetzbarkeit der Pulverteilchen durch die Adsorption von grenzflächenaktiven Substanzen oder durch eine chemische Bindung von Stabilisatorsubstanzen auf der Oberfläche der Pulverteilchen heraufgesetzt werden, so daß ein direkter Kontakt der Pulverteilchen ausgeschlossen wird. Das gleiche Resultat kann man bei Bändern oder Blechen erzielen, wenn diese Modifizierung der Oberfläche vorgenommen wird.

Treten im magnetischen.Kreis luftspalten auf, kann eine Verringerung der luftspaltverluste durch Einbringen von magnetischer !Flüssigkeit erreicht werden. Verwendet man nichthärtbare magnetische Flüssigkeiten, wie z.B. magnetische Maschinenöle, so können auch bewegte magnetische Kreise, wie sie z.B. bei rotierenden Elektromaschinen auftreten, in ihrem Kraftfluß eine Erhöhung erfahren.

Aus führungs Beispiele Beispiel 1t

Der magnetische Kreis eines Transformators oder einer rotierenden elektrischen Maschine wird aus geblechten Schenkeln, Polen und Jochen zusammengesetzt, wobei als Isoliermaterial zwischen den Blechen magnetische Kleb- und/oder Gießharze oder thermoplastische Kunststoffe Anwendung finden. Die Bleche können bei der Aushärtung der Kleb- und Gießharze über ein äußeres magnetisches PeId fixiert und zusammengepreßt werden, wobei die magnetischen Kleb- und Gießharze ins Magnetfeld hineingezogen, also durch den Preßdruck nicht zwischen den Blechen herausgedrückt werden. Setzt man z.B. magnetische Polystyrolfolie oder -pulver als Isoliermaterial ein, kann durch Erwärmen der Bleche über den Erweichungspunkt, des Polystyrols ein Einpassen des Kunststoffes in jede Unebenheit der Blechoberfläche erfolgen, ähnlich wie es beim Eingießen mit magnetischen Kleb- und Gießharzen erfolgt.

Beispiel 2:

Die Wicklungsstränge eines Transformators Werden auf Isolierzylinder aufgebracht, die aus V/eich- oder Hartpapier bestehen, die

fes

mit magnetischen Flüssigkeiten getränkt wurden. Beim Transformatorenbau für höhere Spannungen kann die Eandfelö isοlierung ebenfalls aus magnetischen Papieren bestehen. Zur Verbesserung der Isolierwirkung können die Isoliermaterialien. auch aus magnetischen Kunststoffolien bestehen.

Die Wicklungsstränge eines Transformators oder einer rotierenden elektrischen Maschine können mit Hilfe von magnetischen Kleb- . und Gießharzen, wie z_eB, auf der Basis von Epoxidharzen oder härtbaren Polyesterharzen, im oder am magnetischen Kreis befestigt werden, um so die Streuverluste und den magnetischen Widerstand zu senken und die Fertigung zu effektivleren„

Bin verlustarmer Transformator wird dadurch realisiert, daß man' die beiden miteinander magnetisch zu koppelnden Wicklungsspulen übereinander schiebt und zu einem geschlossenen Kreis biegt« In diesen Torroid füllt man eine Suspension, bestehend, aus einem weichmagnetischen Pulver von z.B. Kanifer-Perrit und. einer härtbaren magnetischen flüssigkeit, wie z.B. atis Polyesterharzen» Das Einbetten der Spulen kann durch StromfluS erfolgen, indem sich beim Anlegen einer Spannung an die äuf3ere Spule ein Magnetfeld ausbildet, das die magnetische Suspension in den Torroid hineinzieht, um den magnetischen Fluß zu erhöhen. In diesem Zustand kann die Aushärtung des Gießharzes erfolgen.

Beispiel 5'

Man kann, beim Bau von magnetischen Kreisen, wie z.B. beim Transformator, auch ganz auf einen festen magnetischen Kreis verzichten, wenn man z.B. durch die Torroidwicklung von Beispiel 4 konzentrierte magnetische Flüssigkeiten leitet. Diese Flüssigkeiten, die ZeB* aus stabilisierten Bisenteilchen mit Eindomänenbezirken und Transformatorenöl bestehen, bewirken im Torroid den magnetischen FIuS und leiten gleichseitig durch Konvektion oder Zwangsumlauf die Stromwärme der Wicklungen ab.

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Beispiel 6:

Die Draht-, Stab-, !Tut-, Erregerspulen- und Feldspulenisolation von rotierenden elektrischen Maschinen kann auf der Basis magnetischer Isolierharze, z.B. magnetischer Epoxidharze, erfolgen. So kann man die Uutisolation durch .Auskleiden der Nute mit magnetischen Kunststoffolien, lackgeweben oder durch Ausgießen mit magnetischen Gießharzen erreichen. Bei Anwendung von Isolierhülsen kann das Isoliermaterial mit magnetischen Flüssigkeiten getränkt v/erden oder aus magnetischen Kunststoffen, wie z.B. aus Polystyrol, bestehen.

Beispiel T;

Bei der leidspulen- und Erregerspulenisolation können zur lagenisolation magnetische !Papiere, hergestellt durch Tränken der Papiere mit magnetischen Flüssigkeiten, oder magnetische Kunststoffolien Anwendung finden oder man bettet die Spulen in magnetische Gießharze, wie s.B. in Polyesterharze, ein.

Beispiel 8:

Drehstromlinearmotoren, sowie Ständer und läufer von rotierenden elektrischen Maschinen, sind mit höheren Wirkungsgraden herstellbar, wenn die Wicklungen mit magnetischen Gießharzen, wie z.B. Polyesterharzen, in den Stator und/oder läufer eingegossen werden, Analog zu Beispiel 4 kann die Herstellung des Stators oder Läufers aus magnetischen Suspensionen, die z.B. aus Eisenpulver und ungehärteten Phenolharzen bestehen erfolgen, wobei die Wicklungen beim HerstellungsprozeS gleich mit eingegossen werden können,

Beispiel 9:

Zur Herstellung magnetischer Kreise mit hoher Energiedichte und geringen Streuverlusten können weichmagnetische Pulvermaterialien, wie z.B. aus Karbonyleisen, Ii-Fe-, Ni-Si-Legierungen, Ferriten, mit magnetischen Gießharzen, wie z.B. auf der Basis von Silikonharzen, vermischt und zu beliebigen magnetischen Kreisen gegossen, gepreßt oder durch Anwendung von Magnetfeldern geformt werden. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich Relais, Übertrager, Drosseln u.s.w. herstellen.

Zur Verringerung eier luftspaltvei-luste können nichthärtbare magnetische Flüssigkeiten, wie z,B, magnetische Transformatorenöle, in die Luftspalten eingebracht werden«, Damit können die Streuverluste verringert und der Kraftfluß 'erhöht werden. Beim Einsatz niedrig viskoser Öle können auch bewegte magnetische Kreise, wie sie ζ,B.' bei rotierenden elektrischen Maschinen oder bei Drehßtromliearmotoren auftreten, in ihrem Kraftfluß eine Erhöhung

erfahren.

Claims

E rfindungsans pruch

1. Verfahren zur Herstellung verlustarmer magnetischer Kreise,

' gekennzeichnet dadurch, daö magnetische oder magnetisierbar ferro-, ferri- oder superparamagnetische Pulver, Bänder oder Bleche, sowie elektrische Wicklungen mit Hilfe magnetischer oder magnetisierbarer Flüssigkeiten sowie magnetischer oder magnetisierbarer thermoplastischer Kunststoffe zu magnetischen Kreisen verbunden werden und daß die magnetischen Pulver, Bänder oder Bleche teilweise oder ganz, bei der Herstellung der magnetischen Kreise, durch magnetische Plässigkeiten oder/ und magnetische thermoplastische Kunststoffe ersetzt werden.

2, Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die magnetischen Flüssigkeiten oder magnetischen thermoplastischen Kunststoffe aus ferro-, ferri- oder superparamagnetischen Teilchen, wie z.B. aus P-e^O,, V-Pe₂Oo, Fe, Co, Ki, magnetischen Legierungen, Gerriten bestehen, die in organischen oder anorganischen dispersionsmitteln oder thermoplastischen Kunststoffen verteilt vorliegen.

3· Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die dispersen Teilchen im Dispersionsmittel oder im thermoplastischen Kunststoff einen Durchmesser von 5-50 mn besitzen,
4. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Anteil der dispersen Teilchen im Dispersionsmittel oder thermoplastischen Kunststoff zwischen 5 und 90 Gew-$ liegt.
5. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die dispersen Teilchen durch die Adsorption von grenzflächenaktiven Substanzen oder Makromolekülen und/oder durch eine chemische Bindung von Stabilisatorsubstanzen an der Oberfläche der dispersen Teilchen im Dispersionsmittel oder im thermoplastischen Kunststoff stabilisiert sind.
6. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch-, daß als Dis-• persionsmittel z.B. ungehärtete Epoxidharze und/oder deren Ausgangsverüindungen, wie z.B. Phenole, Alkohole, Amine, aliphatisehe oder cycloaliphatische G-lycidäther, Olefinoxide,

stickstoffhaltige oder siliziurahaltige Epoxidverbindungen und -haze, sowie deren Lösungsmittel; ungehärtete ungesättigte Polyester und/ccler deren Ausgangsverbindungen, wie z.B. Phenole, Alkohole, Säuren, Anhydride sowie deren Lösungsmittel; Kohlenwasserstoffharze und/oder deren Ausgangsverbindungen, wie z_eB» Styrol, Yinyltoluol, Diallylphthalat sowie deren !lösungsmittel; ungehärtete Phenolharze und/oder deren Ausgangs-•verbindungen, wie z.B. Phenol, Kresol oder deren Lösungsmittel; ungehärtete Aminoharze und/oder deren Ausgangsverbindungen, wie Z₀B* Melamin sowie deren Lösungsmittel; ungehärtete Silikonharze und/oder deren Ausgangsverbindungen und Lösungsmitteln; Polymere auf der 33asis pflanzlicher Öle, Naturharze und Naturstoffe sowie deren Lösungsmittel; Wasser und/oder wäßrige Lösungen von anorganischen Substanzen, wie z.B«, Silikaten Verwendung finden, und als thermoplastische Kunststoffe ZcB, ^v Polyakrylate, Polymethacrylate, Polyamide, Polyurethane, Polyviny!halogene, Polystyrol, Polymere von Polyhalogenolefinen, Alkenpolymerisate sowie deren Mischpolymerisate und deren Lösungsmittel und Weichmacher 'angewendet werden.

T. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als magnetische oder magnetisierbare Pulver weichmagnetische Materialien,, wie ζ_βΒ· Reineisen, Pe-Si-, Pe-Ni-, Pe-Si-Al-*Legierungen, Pe-Oxide, Perrite aus Manifersorten und hartmagnetisch^ Materialien, wie z*B. AlNiCo-Legierungen, oxidkeramische Hartferrite, Seltenerdmetall-Kobalt-Legierungen, Pt-Ni-Legierungen, einsetzbar sind.

8«, Verfahren nach Punkt 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Seilchendurchmesser der magnetischen oder magnetisierbaren Pulver zwischen 5 und 10 nm liegen kann.

9e Verfahren nach Punkt 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Anteil der magnetischen oder magnetisierbaren Pulver zwischen 0 und 93 f liegt.

10* Verfahren nach Punkt 1 und 7, gekenjazeich.net dadurch, daß die raagnetischen, oder magnetisierbaren Pulverteilchen durch eine Adsorptionsschicht aus grenzflächenaktiven Substanzen

oder Makromolekülen und:oder durch eine chemische Bindung von Stabilisatorsubstanzen an der Oberfläche der Pulverteilchen gegen einen direkten Kontakt geschützt sind.

11, Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als magnetische oder magnetisierbare Bänder oder Bleche weichmagnetische Materialien, wie z.B. Eisen, Pe-Si-, Pe-Fi-, Pe-Si-Al-, Pe-Co-Legierungen, Texturbleche und hartmagnetische Materialien, wie z.B. AUTiCo-, Al-Ni-, Pe-Ni-Cr-Iegierungen, einsetzbar sind.

12« Verfahren nach Punkt"1, gekennzeichnet dadurch, daß das Isoliermaterial zwischen den Blechen, der aus geblechten Schenkeln, Polen und Jochen zusammengesetzten magnetischen Kreisen von z»B. Transformatoren und rotierenden elektrischen Maschinen, aus.härtbaren magnetischen Plüssigkeiten und/oder magnetischen thermoplastischen Kunststoffen besteht.
13. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wicklungsstränge von z.B. Transformatoren oder rotierenden elektrischen Maschinen mit härtbaren magnetischen Plüssigkeiten und/oder magnetischen thermoplastischen Kunststoffen im oder am magnetischen Kreis befestigt werden.
14. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die im z.B.im Transformatoren- und Elektromaschinenbau verwendeten Isolierzylinder und -papiere mit magnetischen Plüssigkeiten getränkt und mit den Wicklungen und/oder den Bisenkreisen verbunden werden.

15· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die magnetischen Kreise von Transformatoren, rotierenden elektrischen Maschinen, Relais, Übertragern, Drosseln, Spulenkernen u.s.w. aus weichmagnetischen'Pulvern und härtbaren magnetischen Plüssigkeiten oder/und thermoplastischen Kunststoffen in entsprechende Formen gegossen, gepreßt, geschmolzen oder durch Anwendung von Magnetfeldern geformt v/erden.

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16, Verfahren nach Punkt 1 und 15» gekennzeichnet dadurch, daß die elektrischen Wicklungen, ζ ,B, bei der Herstellung von Transformatoren, Relais, Übertragern, Drosseln, Statoren und ,.- Rotoren von rotierenden elektrischen Maschinen aus Magnetpulver und härtbaren magnetischen Flüssigkeiten und/oder magnetischen thermoplastischen Kunststoffen, gleich mit in den magnetischen Kreis eingegossen, eingepreßt oder eingeschmolzen werden, wobei durch .Einwirkung von Magnetfeldern die Magnette ileliendichte im magnetischen Kreis-variiert werden kann,

Ό*
17. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als' magnetischer Kreis die reine magnetische Flüssigkeit, ohne magnetische Zusatzmaterialien wie Pulver, Bänder oder Bleche, Verwendung findet und die elektrischen Wicklungen sich auf einem Stützgerüst befinden.

18« Verfahren nach. Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß man zwischen läufer und Stator, z.B. von rotierenden elektrischen Maschinen oder Drehstromlinearmotoren, nichthärtbare magnetische Flüssigkeiten bringt.