DE3507316C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glühen von Kernen, bei welchem amorphe Magnetkerne, die Schenkel und Joche haben, in Reihe angeordnet werden, Glühwicklungen um benachbarte Schenkel oder Joche der Kerne gewickelt und die Kerne magnetisch dadurch erregt werden, daß Wechselströme in den Glühwicklungen fließen gelassen werden.

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 ¼ desjenigen 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 entstehen, sind die Eisenverluste in diesem Zustand hoch, 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.

Es ist als bekannt vorausgesetzt, einen Kern aus einer amorphen magnetischen Legierung mittels einer elektrischen Wärmequelle zu glühen. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 1 dargestellt. Gemäß Fig. 1 wird ein gewickelter Kern 1 aus einer amorphen magnetischen Legierung 2 und einer um ihn herumgewickelten Gleichstrom-Magnetfelderzeugungsspule 3 in eine Thermostatkammer 4 eingebracht, in die ein Inertgas zur Verhinderung einer Oxidation des Kerns eingeschlossen ist. Sodann wird die Temperatur des Inneren der Kammer 4 auf einen vorbestimmten Wert erhöht, während ein Gleichstrom von einer Stromquelle (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 Fe₇₈B₁₃Si₉ der Firma Allied Corporation liegen die Glühtemperatur bei 390 bis 410°C und die Glühzeit bei etwa 2 h. Der Glühtemperaturbereich ist somit ziemlich eng, d. h. 400±10°C. 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.

Es ist auch ein Verfahren der einleitend genannten Art aus der nicht vorveröffentlichten DE-OS 33 22 136 bekannt, wobei jedoch irgendwelche Angaben über die anzuwendende Frequenz des Wechselstroms nicht gemacht sind.

Es ist auch bekannt (US-PS 37 16 763), zur Verringerung von Kernverlusten bei z. B. kornorientierten Siliziumstahlblechen impulsförmige Energie einer Frequenz von beispielsweise 400 bis 800 Hz anzulegen. Mit einer solchen Frequenz kann ein Glühen nicht erhalten werden.

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

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Glühwicklungen vorübergehend um die benachbarten Schenkel oder Joche gewickelt werden, und daß für gleichmäßiges Erwärmen des Inneren der Kerne auf ihre Glühtemperatur Wechselströme mit einer Frequenz von nicht unter 2 kHz angewendet werden.

Durch die angelegten Wechselströme wird das Innere der Kerne durch infolge der Eisenverluste der Kerne 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 der Kerne verbessert. Da die Kerne nicht von außer her erwärmt werden, wird die Isolierung einer gegebenenfalls 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 keiner großen, von außen her einwirkenden Kraft durch das Bewickeln unterworfen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

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,

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 Glühverfahrens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel 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 Wicklungen.

Die Erfindung ist im folgenden in Anwendung auf die eingangs erwähnte, handelsübliche amorphe magnetische Legierung Fe₇₈B₁₃Si₉ beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern auch auf andere geeignete Werkstoffe anwendbar.

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

Q = CM(T 1-T 2) (1)

Darin bedeuten:

Q= für das Glühen des Kerns benötigte Wärmemenge (Joule)C= spezifische Wärme des Blechs aus der amorphen magnetischen Legierung (Joule/kg · °C)M= Gewicht des Kerns (kg)T1= Glühtemperatur (°C)T2= Raumtemperatur (mit 20°C vorausgesetzt).

Bei Verwendung von 1 kg der oben genannten handelsüblichen Legierung (spezifische Wärme: 460 Joule/kg · °C) beträgt gemäß Gleichung (1) die Wärmemenge, die zur Erhöhung der Temperatur auf die Glühtemperatur von 400°C nötig ist, 1,75 × 10⁵ Joule. Dieser Wert entspricht 48,6 W · h. Um nun die Temperatur des Kerns auf die gleiche Weise wie beim bisherigen Glühverfahren mittels einer Thermostat-Kammer auf die Glühtemperatur von 400°C 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 Raum- auf 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 aus der amorphen magnetischen Legierung bestehenden Kerns innerhalb von 2 h auf 400°C zu erhöhen.

Gemäß Fig. 3 wurde die für die Erhöhung der Kerntemperatur auf die Glühtemperatur von 400°C benötigte Zeit bei einem magnetischen Fluß 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 L ist die im Kern erzeugte Wärme seinem Volumen L³ proportional, während die Abstrahlung vom Kern seiner Oberfläche 6 × L² proportional ist. Hieraus folgt, daß sich mit zunehmender Größe des Kerns das Verhältnis der Wärmeabstrahlung zu der im Kern erzeugten Wärme verkleinert. Die erzeugte Wärme im Kern ist dann mithin praktisch der im Kern gesammelten Wärme Q gleich, und die Abstrahlung kann vernachlässigt werden.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Glühen eines Kerns sind zwei gewickelte Kerne 11 aus der amorphen magnetischen Legierung 12 in Reihe 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 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 derart verbunden, daß in den beiden benachbarten Innenschenkeln der gewickelten Kerne 11 magnetische Flüsse in entgegengesetzten Richtungen erzeugt 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. 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 Höchstspannung 1000 V betragen, besitzen die Glühwicklungen 14 eine Windungszahl N von etwa 12, wie sich dies aus der folgenden Gleichung ergibt:

E = 4,44 × f × N × Bm × S × 10^-4.

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, etwa 350 AT/m. Wenn die Magnetflußstrecke des gewickelten Kerns gleich 1 m 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 Magnetflußstrecke 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 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. 400°C, erreicht, wird die Spannung von der Stromquelle 16 mittels des Spannungseinstellers 17 derart eingestellt, daß die Temperatur der Kerne 11 während einer vorgesehenen Zeitspanne von z. B. 30 min bis 2 h auf 400°C 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 Behandlung erfolgt das Glühen bevorzugt in einer ein Inertgas, wie gasförmigen Stickstoff, enthaltenden Atmosphäre.

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

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 gewickelten Kerne 11 herumgewickelt; zudem werden die betreffenden Kerne 11 mit vorläufig angebrachten oder provisorischen Glüh-Wicklungen 14 bewickelt, die selektiv derart 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, Stromstärke, Windungszahl der Glühwicklungen und Vorgehensweise sind hierbei die gleichen 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 Bewickelns.

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 dieelektrischer Isolations- Durchschlag auftritt.

Zum Abkühlen des gewickelten Kerns unter dem Einfluß eines Gleichspannungs-Magnetfelds können die Transformator- Wicklungen anstelle der provisorischen Glühwicklungen benutzt werden.

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

Claims (2)

1. Verfahren zum Glühen von Magnetkernen aus amporphem Legierungswerkstoff, bei dem die Magnetkerne mit Schenkeln und Jochen magnetisch in Reihe angeordnet werden, Glühwicklungen um benachbarte Schenkel oder Joche gewickelt und die Kerne magnetisch dadurch erregt werden, daß Wechselströme durch die Glühwicklungen hindurchgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühwicklungen (14) vorübergehend um die benachbarten Schenkel oder Joche gewickelt werden, und daß für gleichmäßiges Erwärmen des Inneren der Kerne auf ihre Glühtemperatur die Wechselströme mit einer Frequenz von nicht unter 2 kHz angewendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühwicklungen (14) von den Wechselströmen derart durchflossen werden, daß in den benachbarten Schenkeln oder Jochen die magnetischen Flüsse entgegengesetzt gerichtet sind.