DE3507316A1

DE3507316A1 - Verfahren zum gluehen eines kerns (aus einer amorphen magnetischen legierung)

Info

Publication number: DE3507316A1
Application number: DE19853507316
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Ito; Takahiro Mie Kawasaki; Kenzo Yokkaichi Mie Tsutsui; Kazuo Tsu Mie Yamada
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-03-01
Filing date: 1985-03-01
Publication date: 1985-09-05
Also published as: JPS60183713A; DE3507316C2; US4726855A; JPH0552652B2

Description

Henkel, Feiler, Hänzel & Partner

KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA Kawasaki, Japan

-Patentanwälte

Eurooear. Paten: Aüorre. Zugelassene Vertreter -c Europäischen Patentamt

Dr phii G Henkel
Dr rer nat L. Feiler
Dipi -!ng W. Hänzel
Dipi -ing D Kottmann

Monlstraße 37
D-8000 München 80

Tel 089/982085-87 Telex 529802 hnki d Teiefax (Gr 2+3)
089/9814 26
Telegramm ellipsoid

1. März 1985 MTA-59P764-2 Hz/Id

Verfahren zum Glühen eines Kerns (aus einer amorphen magnetischen Legierung)

Λ-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glühen (annealing) eines Kerns aus einer amorphen magnetischen Legierung zur Verwendung bei einem Transformator ο.dgl..

Die Möglichkeit der Verwendung einer amorphen magnetischen Legierung, die hauptsächlich Metalle (Fe, Co, Ni) und Halbmetalle (B, C, Si, P) enthält und die schnell abgeschreckt wird, bei einem gewickelten oder geschichteten Kern eines Transformators ist bereits untersucht worden. Ein(e) aus einer solchen Legierung hergestellte(s) Platte oder Blech besitzt einen Eisenverlust entsprechend 1/3 bis 1/4 des-

¹^ jenigen eines Siliziumstahlblechs, als dem herkömmlichen Kernmaterial, wenn im Werkstoff keine Spannungen vorhanden sind. Diese Legierung bietet daher ausgezeichnete magnetische Eigenschaften.

Da jedoch in einer Platte oder einem Blech aus einer amorphen magnetischen Legierung beim Abschrecken Spannungen (strain) entstehen, sind die Eisenverluste in diesem Zustand groß, wodurch die magnetischen Eigenschaften erheblich beeinträchtigt werden. Zur Erzielung der ursprünglich ausgezeichneten Eigenschaften wird daher die amorphe magnetische Legierung zur Spannungsbeseitigung und damit zur Verringerung der Eisenverluste geglüht, nachdem das aus dieser Legierung hergestellte Blech zu einem Kern zusammengesetzt worden ist.

Ein Kern aus einer amorphen magnetischen Legierung wird mittels einer elektrischen Wärmequelle geglüht. Gemäß Fig. 1 wird ein gewickelter Kern 1 aus einer amorphen magnetischen Legierung 2 und einer um ihn herumgewickelten GIeichstrom-Magnetfeiderzeugungsspule 3 in eine Thermo st at-Kammer 4 eingebracht, in die ein Inertgas zur Verhinderung einer Oxidation

des Kerns eingeschlossen ist. Sodann wird die Temperatur im Inneren der Kammer 4 auf einen vorbestimmten Wert erhöht, während ein Gleichstrom von einer Stromquelle (oder Batterie) 5 her durch die Spule 3 geleitet wird. Der Kern 1 wird dabei auf die Glühtemperatur erwärmt und für eine vorbestimmte Zeitspanne auf dieser Temperatur gehalten. Danach werden die Heizeinrichtung abgeschaltet und der Kern 1/ während er mit einem Gleichstrom-Magnetfeld beaufschlagt wird, abgekühlt. Hierauf ist das Glühen des Kerns 1 abgeschlossen.

Glühtemperatur und -zeit variieren in Abhängigkeit von den Bestandteilen der amorphen magnetischen Legierung. Im Fall von z.B. der derzeit als das beste Transformatorkernmaterial angesehenen handelsüblichen Legierung METGLAS26052S (chemische Zusammensetzung: Fe_gB,-Sig) der Firma Allied Corporation liegen die

Glühtemperatur bei 390 - 410⁰C und die Glühzeit bei etwa 2 h. Der Glühtemperaturbereich ist somit ziemlich eng, d.h. 400 +10⁰C. Andere amorphe magnetische Legierungen besitzen ebenfalls einen engen Glühtemperaturbereich. Da jedoch beim oben beschriebenen üblichen Verfahren der Kern 1 von außen her durch Strahlung erwärmt wird, kann die Wärme von der Außenfläche des Kerns 1 nicht ausreichend zu seinem Inneren übertragen werden, so daß demzufolge die Temperaturverteilung im Kern ungleichmäßig ist. Es ist daher schwierig, die Temperaturen sowohl an der Außenfläche des Kerns als auch in seinem Inneren gleichzeitig innerhalb des angegebenen engen Bereichs zu halten. Aus diesem Grund treten in den Blechen 2 des Kerns 1 die magnetischen Eigenschaften verschlechternde Wärmespannungen auf.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Verfahrens zum Glühen eines Kerns der angegebenen

ORIGINAL INSPECTED

Art, bei dem die Innentemperatur eines Kerns aus einer amorphen magnetischen Legierung auf eine gleichmäßige Glühtemperatur erhöht werden kann, so daß dieser Legierung ausgezeichnete magnetische Eigenschaften verliehen werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im beigefügten Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Glühen eines Kerns wird wie folgt durchgeführt: Eine Glühwicklung wird um einen Kern aus einer amorphen magnetischen Legierung herumgewickelt. In die Wicklung wird zur Anregung oder Erregung des Kerns ein Wechselstrom eingeleitet, und das Innere des Kerns wird durch infolge der Eisenverluste des Kerns erzeugte Joulesche Wärme gleichmäßig auf eine Glühtemperatur erwärmt. Bei diesem Verfahren werden infolge der Möglichkeit des gleichmäßigen Erhöhens der Innentemperatur des Kerns auf die Glühtemperatur die magnetischen Eigenschaften des Kerns verbessert. Da der Kern nicht von außen her erwärmt wird, wird die Isolierung einer ggf. auf den Kern gewickelten Transformatorwicklung nicht beschädigt. Die Transformatorwicklung kann daher vor dem Glühen auf den Kern gewickelt werden. Der Kern wird mithin nach dem Glühen keinen großen, von außen her einwirkenden Kraft durch das Bewickeln unterworfen .

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bisherigen Verfahrens zum Glühen eines Kerns,

IKBPBCTED

■ ^ ·· 35C7316

. τ-

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen den Eisenverlusten und der Magnetflußdichte in Abhängigkeit von den (als Parameter dienenden) Frequenzen von einen

Kern aus einer amorphen magnetischen Legierung durchfließenden Wechselströmen,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Kern-Temperatur und der Zeit

in Abhängigkeit von den Frequenzen von einen Kern aus einer amorphen magnetischen Legierung durchfließenden Wechselströmen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Glühverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Glüh-Verfahrens gemäß einem anderen Ausführungs

beispiels der Erfindung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Glühverfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 7 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Darstellung eines Hauptabschnitts (der Anordnung) von Fig. 6 mit um den Kern herumgewickelten provisorischen oder vorläufigen

Wicklungen.

Die Erfindung ist im folgenden in Anwendung auf die eingangs erwähnte, handelsübliche amorphe magnetische Legierung (METGLAS26058S) beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern auch auf andere geeignete Werkstoffe anwendbar.

ORIGINAL INSPECTED

Unter der Annahme, daß sich die aufgrund der Eisenverluste eines Kerns erzeugte Gesamtwärme im Kern sammelt, läßt sich die folgende Gleichung aufstellen: 5

Q = CM(Tl - T2) ... (1)

Darin bedeuten:

Q= für das Glühen des Kerns benötigte Wärme-

(menge) (kcal)
C = spezifische Wärme des Blechs aus der amorphen

magnetischen Legierung (kcal/kg·⁰C)
M = Gewicht des Kerns (kg)
Tl = Glühtemperatur (⁰C)

T2 = Raumtemperatur (mit 2O⁰C vorausgesetzt).

Bei Verwendung von 1 kg der oben genannten handelsüblichen Legierung (spezifische Wärme: 0,11 kcal Ag · ⁰C beträgt gemäß Gleichung (1) die Wärmemenge, die zur Erhöhung der Temperatur auf die Glühtemperatur von 400⁰C nötig ist, 41,8 kcal. Dieser Wert entspricht 48,6 W »h. Um nun die Temperatur des Kerns auf dieselbe Weise wie beim bisherigen Glühverfahren mittels einer Thermostat-Kammer auf die Glühtemperatur von 400⁰C zu erhöhen, sind aus diesem Grund Eisenverluste von 25 W/kg erforderlich.

Die in Fig. 2 angegebenen Versuchsdaten belegen folgendes: Wenn die Frequenz des die Glühspule oder -wicklung durchfließenden Stroms auf 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz und 4 kHz eingestellt wird, und zwar unter der Bedingung, daß die Temperaturerhöhungszeit von Raumauf Glühtemperatur 2 h beträgt, beträgt der im Kern erzeugte magnetische Fluß jeweils 1,2 T (Tesla), 1,0 T, 0,8 T bzw. 0,6 T. Bei einem magnetischen Fluß von 1,0 T kann daher die Frequenz des Wechselstroms auf 2 kHz eingestellt werden, um die Temperatur des

ORIGINS

.9.

aus der amorphen magnetischen Legierung bestehenden Kerns innerhalb von 2 h auf 400⁰C zu erhöhen.

Gemäß Fig. 3 wurde die für die Erhöhung der Kerntemperatur auf die Glühtemperatur von 400⁰C benötigte Zeit bei einem magnetischen Fluß (des Kerns) von 1,0 T experimentell ermittelt. Dabei dauerte diese Temperaturerhöhung bei einer Frequenz von 2 kHz etwa 100 min, bei 3 kHz etwa 40 min und bei 4 kHz etwa 15 min.

Aus den beiden obigen Versuchen ergibt sich: Auch bei Verwendung eines aus einer amorphen magnetischen Legierung bestehenden Kerns mit kleinen Eisenverlusten ist der Kern einer Magnetflußdichte von 1,0 T unterworfen, und die Kerntemperatur kann mit einem Wechselstrom von 2 kHz oder höher auf die Glühtemperatur erhöht werden. Zudem kann diese Temperaturerhöhungszeit durch Wahl oder Einstellung der Frequenz des Wechselstroms nach Bedarf ohne weiteres geändert werden.

In der Praxis kann sich jedoch nicht die gesamte erzeugte Wärme im Kern sammeln, vielmehr wird ein Teil davon abgestrahlt. Die Magnetflußdichte und die Wechselstrom-Frequenz müssen demzufolge unter Berücksichtigung der Abstrahlung gewählt werden. Bei Annahme eines kubischen Kerns mit einer Seitenlänge QQ L ist die im Kern erzeugte Wärme(menge) seinem Volumen L^ proportional, während die Abstrahlung vom Kern seiner Oberfläche 6 χ L proportional ist. Hieraus folgt, daß sich mit zunehmender Größe des Kerns das Verhältnis der (Wärme-) Ab strahlung zu der Q5 im Kern erzeugten Wärme(menge) verkleinert. Die erzeugte Wärme (menge) im Kern ist (dann) mithin prak—

tisch der im Kern gesammelten Wärme(menge) Q gleich, und die Abstrahlung kann vernachlässigt werden.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Glühen (annealing) eines Kerns sind zwei gewickelte Kerne 11 aus der amorphen magnetischen Legierung 12 parallel (nebeneinander) angeordnet, wobei eine Transformator-Wicklung 13 um die beiden benachbarten Schenkel oder Joche der Kerne 11, d.h. um ihre Innenschenkel, gewickelt ist. Die jeweiligen Außenschenkel der gewickelten Kerne sind mit Glühwicklungen oder -spulen 14 bewickelt. Bei den Wicklungen 14 handelt es sich um provisorische Wicklungen, die nur für das Glühen der Kerne 11 benutzt und nach dem Glühen wieder entfernt werden. Die Wicklungen 14 werden über einen Wechselschalter 15 selektiv mit einer Hochfrequenz-Wechselstromquelle 16 und einer Gleichstromquelle 18 so verbunden, daß in den beiden benachbarten Innenschenkeln der gewickelten Kerne 11 magnetische Flüsse in entgegengesetzten Richtungen erzeugt (applied) werden. Die Spannung der Wechselstromquelle 16 wird mittels eines Spannungseinstellers 17, etwa eines Transformators, eingestellt.

Wenn in den Glühwicklungen 14 ein Strom fließt, wird in ihnen eine ihrer Windungszahl entsprechende Spannung erzeugt oder induziert (applied). Aus diesem Grund wird die Windungszahl der Wicklungen 14 entsprechend ihrer Isolations-Durchschlagspannung gewählt. Wenn beispielsweise die Querschnittsfläche S des gewickelten Kerns 11 100 cm² , die Magnetflußdichte Bm 1,0 T, die Frequenz f 2000 Hz und die angelegte oder erzeugte (applied) Höchstspannung 1000 V betragen, besitzen die Glühwicklungen 14 eine Windungszahl N von etwa 12, wie sich dies aus der

INSPECTED

folgenden Gleichung ergibt:

E = 4,44 xfxNxBmxSx 10~⁴.
5

Es ist zu beachten, daß für die Glühwicklung (en) 14 Drähte verwendet werden können, die mit einem anorganischen Isolator hoher Durchschlagspannung und hoher Wärmebeständigkeit überzogen sind (z.B. mit Keramikmaterial beschichtete Drähte).

Wie der Versuch ergeben hat, beträgt die Magnetisierungskraft, die im ungeglühten Kern 11 mit einer Querschnittsfläche von 100 cm² einen magnetischen Fluß B von 1,0 T hervorruft (applied), etwa 350 AT/m. Wenn die Magnet(fluß)strecke (magnetic path) des gewickelten Kerns gleich Im ist, beträgt der Erregerstrom etwa 29 A.

Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, können die Windungszahl und der Strom der Glühwicklung 14 in Abhängigkeit von der Größe, der Frequenz, der angelegten Spannung und der Länge der Magnet(fluß)strecke des gewickelten Kerns 11 beliebig bestimmt werden.

Im folgenden ist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 näher erläutert. Die Glühwicklungen 14 werden mittels des Schalters 15 mit der Hochfrequenz-Wechselstromquelle 16 verbunden, deren Spannung mittels des Spannungseinstellers 17 auf eine vorbestimmte Größe eingestellt wird, während die Frequenz des Wechselstroms mit 2 kHz oder höher gewählt wird. Die gewickelten Kerne 11 werden durch die die Glühwicklungen 14 durchfließenden Wechselströme erregt oder angeregt. Daraufhin fließen Wirbelströme in den Wicklungen 14, wodurch infolge der Eisenverluste in

χ . Ai-

den gewickelten Kernen 11 Joulesche Wärme erzeugt wird. Infolgedessen wird das Innere jedes Kerns 11 gleichmäßig erwärmt, so daß seine Temperatur ansteigt. Wenn die Temperatur in den Innenbereichen der Kerne 11 die Glühtemperatur der amorphen magnetischen Legierung 12, d.h. 400⁰C, erreicht, wird die Spannung von der Stromquelle 16 mittels des Spannungseinstellers 17 so eingestellt, daß die Temperatur der Kerne 11 während einer vorgesehenen Zeitspanne von z.B. 30 min bis 2 h auf 400⁰C gehalten wird. Da die magnetischen Flüsse in den beiden benachbarten oder aneinander angrenzenden Schenkeln der beiden Kerne 11 zueinander entgegengesetzt gerichtet sind, wird in der Transformator-Wicklung 13 keine Spannung induziert.

Nach dem Erwärmen der Kerne 11 für die angegebene Zeitspanne werden die Glühwicklungen 14 durch Umschalten des Schalters 15 mit der Gleichstromquelle 18 verbunden, worauf die gewickelten Kerne 11 mit einem in ihnen erzeugten Gleichspannungs-Magnetfeld abzukühlen beginnen.

Da die Temperatur der die Kerne 11 umgebenden Atmosphäre niedriger ist als die Innentemperatur der Kerne 11, können diese, auch wenn sie groß sind, schneller abkühlen als beim bisherigen Verfahren.

Nach dem Abkühlen der Kerne 11 werden die Glühwicklungen 14 von ihnen abgenommen, worauf die Glühbehandlung der gewickelten Kerne 11 abgeschlossen ist.

Zur Vermeidung einer Oxidation der Kerne 11 während der (Wärme-)Behandlung erfolgt das Glühen bevorzugt in einer ein Inertgas, wie gasförmigen Stickstoff, enthaltenden Atmosphäre.

ORIGINAL INSPECTED

Fig. 5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel zum Glühen eines dreiphasigen, fünfschenkeligen gewickelten Kerns.
5

Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen jeweils ein Ausführungsbeispiel zum Glühen eines dreiphasigen gewickelten Kerns.

Bei beiden Ausführungsbeispielen werden zunächst Transformator-Wicklungen 13 um die benachbarten Schenkel der paarweise angeordneten (paired) gewickelten Kerne 11 herumgewickelt; zudem werden die betreffenden Kerne 11 mit vorläufig angebrachten oder provisorischen Glüh-Wicklungen 14 bewickelt, die selektiv so mit der Wechselstromquelle 16 und der Gleichstromquelle 18 verbunden werden, daß die Richtungen der magnetischen Flüsse in den benachbarten, sich durch die Transformator-Wicklungen 13 erstreckenden Schenkeln der paarigen Kerne 11 einander entgegengesetzt sind. Frequenz, Strom(stärke), Windungszahl der Glühwicklung(en) und Vorgehensweise sind hierbei dieselben wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bzw. 4.

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen kann die Temperaturverteilung im Inneren und auf den Oberflächen der gewickelten Kerne gleichmäßig gehalten werden. Aus diesem Grund treten praktisch keine Wärmespannungen auf, und eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften wird (demzufolge) vermieden. Da die die Kerne umgebende Atmosphäre keine Erwärmung erfährt, sind die Transformator-Wicklungen beim Glühen keiner Beschädigungsgefahr ausgesetzt.

Da zudem die Transformatorwicklungen nicht (erst) nach dem Glühen auf die gewickelten Kerne gewickelt zu werden brauchen, erfahren die Kerne auch keine Beschädigung infolge eines solchen Bewickeins.

ORIGINAL

3 5 ü 7 . /Hf·

Beim dritten Ausführungsbeispiel werden die provisorisch oder vorübergehend angebrachten Wicklungen als Glühwicklungen benutzt; es können hierfür jedoch auch Transformator-Wicklungen benutzt werden, wenn der Transformator mit niedriger Spannung arbeitet. Da jedoch ein Transformator für höhere Spannung eine größere Windungszahl aufweist, können Transformator-Wicklungen nicht für das Glühen eingesetzt werden, weil entweder die gewünschte Magnetflußdichte nicht erreicht werden kann oder ein (dielektrischer) Isolations-Durchschlag auftritt.

Zum Abkühlen des gewickelten Kerns unter dem Einfluß eines Gleichspannung-Magnetfelds können die Transformator-Wicklungen anstelle der provisorischen (Glüh-)-Wicklungen benutzt werden.

Das vorstehend für einen gewickelten Kern (wound core) beschriebene Glühverfahren gemäß der Erfindung ist auch auf einen geschichteten (laminierten) Kern aus einer amorphen magnetischen Legierung anwendbar.

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Claims

350731S Patentansprüche

1. Verfahren zum Glühen eines Kerns (aus einer amorphen magnetischen Legierung), dadurch gekennzeichnet, daß

Glühwicklungen (13, 14) um einen Kern oder um parallel zueinander angeordnete Kerne (11) aus einer amorphen magnetischen Legierung (12) herumgewickelt werden,

der Kern (11) durch Hindurchleiten eines Wechselstroms durch ihn erregt oder angeregt wird und der Innenbereich des Kerns (11) gleichmäßig auf eine Glühtemperatur (von Blechen aus) der amorphen magnetischen Legierung (12) erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselstrom mit einer Frequenz von nicht unter 2 kHz angewandt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühwicklungen provisorisch oder vorübergehend aufgewickelte Wicklungen (14) sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Transformator-Wicklung (13) um zwei benachbarte Schenkel oder Joche der parallel zueinander angeordneten Kerne (11) herumgewickelt wird und daß die vorübergehend aufgewickelten Wicklungen (14) von Wechselströmen so durchflossen werden, daß in den beiden benachbarten Schenkeln oder Jochen entgegengesetzt gerichtete magnetische Flüsse erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühwicklungen Transformator-Wicklungen (13) sind.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein gewickelter Kern oder Wickelkern ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein geschichteter oder laminierter Kern ist.