ES2255268T3 - Cinta de metal amorfo con factor de apilamiento elevado y nucleos para transformadores. - Google Patents

Cinta de metal amorfo con factor de apilamiento elevado y nucleos para transformadores.

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ES2255268T3 ES99921951T ES99921951T ES2255268T3 ES 2255268 T3 ES2255268 T3 ES 2255268T3 ES 99921951 T ES99921951 T ES 99921951T ES 99921951 T ES99921951 T ES 99921951T ES 2255268 T3 ES2255268 T3 ES 2255268T3
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Abstract

Un procedimiento para la producción de una cinta de metal amorfo que presenta un factor de relleno del 86% o mayor de acuerdo con la norma ASTM A900-91, que incluye las etapas de: colar el metal fundido a través de una boquilla que tiene una sola ranura a la superficie de una rueda de colada giratoria para formar una cinta de metal amorfo; y simultáneamente pulir la superficie de la rueda de colada giratoria aplicando en la superficie de dicha rueda de colada un material abrasivo cuyo tamaño medio de la partícula abrasiva es inferior a 150ìm.

Description

Cinta de metal amorfo con factor de apilamiento elevado y núcleos para transformadores.
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de cinta de metal amorfo con un factor de relleno alto (el término factor de relleno se utiliza generalmente para expresar la suavidad y uniformidad de la cinta, mientras que el término factor de apilamiento se aplica a los núcleos hechos de cinta); es decir, cinta de metal amorfo con una superficie muy lisa y un espesor muy uniforme a lo ancho de la cinta. La cinta de metal amorfo con un factor de relleno alto puede apretarse eficientemente, mediante operaciones de arrollamiento o apilamiento, para dar forma a un núcleo magnético compacto con un factor de apilamiento alto. El núcleo magnético puede entonces prensarse para reducir aún más las dimensiones generales, y recocerse, para liberar las tensiones mecánicas y generar la anisotropía magnética deseada, sin detrimento de las propiedades magnéticas finales.
Los núcleos magnéticos de metal amorfo con un factor de apilamiento alto tendrán unas dimensiones de construcción más pequeñas, pero mantendrán la misma área efectiva, comparados con los núcleos magnéticos de metal amorfo convencionales. La construcción más pequeña del núcleo resultará en un núcleo magnético de metal amorfo más pequeño que, a su vez, permite una reducción en el tamaño o la cantidad de otros componentes del transformador. Por ejemplo, un transformador de metal amorfo con un factor de apilamiento alto contendrá arrollamientos más pequeños de la bobina, estará alojado en un depósito más pequeño y, si se utiliza en transformadores rellenos de líquido, tendrá menos aceite. Todos estos factores contribuyen a la reducción del coste del transformador de metal amorfo.
2. Antecedentes de la invención
Los núcleos magnéticos de metal amorfo pueden fabricarse mediante el arrollamiento de una única cinta de metal amorfo, o mediante el arrollamiento de un paquete formado por múltiples capas de cintas de metal amorfo, en forma de corona. Después, la corona se corta a lo largo de una línea radial, creando una única junta. La corona puede abrirse en la junta para colocar las bobinas primaria y secundaria, y cerrarse después para recrear la forma original de corona.
Otro procedimiento para fabricar núcleos magnéticos de metal amorfo consiste en cortar una única cinta de metal amorfo, o cortar un paquete formado por múltiples capas de cintas amorfas, en trozos de una longitud predeterminada. Después, las cintas de metal amorfo cortadas se enrollan alrededor de un mandril, o se apilan y se enrollan alrededor de un mandril, para crear una forma de núcleo bien apretada. Los trozos individuales de la cinta de metal amorfo se enrollan alrededor del mandril de forma que los extremos cortados forman una serie distribuida de juntas alineadas en una región localizada del núcleo. Entonces, el núcleo se puede abrir, separando las juntas distribuidas, para colocar las bobinas primaria y secundaria, y después se puede cerrar para recrear la forma original enrollada del núcleo.
Las patentes de EE.UU. 4.734.975, 5.261.152 y 5.329.270 describen núcleos magnéticos de metal amorfo construidos a partir de grupos de cinta de metal amorfo, cortada en trozos de una longitud predeterminada, y enrollados alrededor de un mandril para formar un núcleo con una junta distribuida.
Los núcleos fabricados de esta manera, con cinta de metal amorfo convencional, están limitados a factores de apilamiento de alrededor del 86% o menos. Por lo tanto, los núcleos construidos con estas limitaciones son mucho más grandes que los transformadores de acero al silicio convencionales, usan más metal amorfo, más conductor (cobre o aluminio) para las bobinas primaria y secundaria, más acero para el depósito, y, si se usan en transformadores rellenos de líquido, más aceite para llenar el depósito. Todos estos factores contribuyen a un aumento en el número de materiales que se utilizan en la fabricación de transformadores y a un mayor coste del transformador. El aumento en el coste de fabricación se encuentra entre un 20% y un 50% (o más).
Además, en muchas ubicaciones y aplicaciones en las que el espacio es limitado no es deseable un mayor tamaño del transformador. Las desventajas del coste y el tamaño limitan el número de aplicaciones y, por tanto, el volumen de ventas de los transformadores de metal amorfo.
La cinta de metal amorfo se ha producido a escala comercial con factores de laminación, tal y como determina la norma ASTM A 900-91, de entre 0,80 y 0,86. Esta cinta se ha producido mediante un procedimiento con un único rodillo y una boquilla con una única ranura, tal y como se describe en la patente de EE.UU. 4.142.571. La patente de EE.UU. 5.301.742 enseña que pueden alcanzarse factores de relleno de entre 0,85 y 0,95 en la cinta de aleación amorfa mediante el uso de una boquilla con múltiples ranuras situadas cerca unas de las otras, pero que las cintas de aleación amorfa procesadas convencionalmente están limitadas a factores de relleno de entre 0,75 y 0,85. La patente WO-A-98/07890 describe la formación de una cinta de aleación amorfa mediante un procedimiento de colado utilizando una boquilla con un solo orificio. La aleación fundida sale de la boquilla y se vierte en un sustrato de solidificación que se mueve rápidamente, que es una rueda.
Descripción de la invención
La cinta de metal amorfo fabricada de acuerdo con la presente invención presenta inesperadamente un factor de relleno superior a 0,86 (el término factor de relleno se utiliza generalmente para expresar la suavidad y uniformidad de la cinta, mientras que el término factor de apilamiento se aplica a los núcleos hechos de cinta). De hecho, se han obtenido factores de relleno de hasta el 92%. Esto se consigue creando superficies muy lisas de la cinta y un grosor muy uniforme de la anchura de la cinta. Más concretamente, la presente invención describe un procedimiento para la producción de una cinta de metal amorfo que presenta un factor de relleno del 86% o mayor de acuerdo con la norma ASTM A900-91. El procedimiento de la invención incluye las etapas de colar el metal fundido a través de una boquilla que tiene una sola ranura a la superficie de una rueda de colada giratoria para formar una cinta de metal amorfo, y simultáneamente pulir la superficie de la rueda de colada giratoria aplicando en la superficie de la rueda un material abrasivo cuyo tamaño medio de la partícula abrasiva es inferior a 150 \mum.
La gran uniformidad del espesor a lo ancho de la cinta se mantiene típicamente mediante un cuidadoso control de la geometría de la ranura de la boquilla. Por ejemplo, la uniformidad de centro de la cinta a borde de la cinta se mantiene asegurando que la ranura de la boquilla mantiene una forma sustancialmente rectangular. El material, diseño y fijación de la boquilla se eligieron para controlar la deformación termomecánica de forma que la anchura de la ranura variara preferentemente en no más de un 5% a lo largo de su longitud. Aunque es deseable tener una boquilla que sea dimensionalmente estable de forma inherente, se descubrió que prensar la boquilla de tal forma que se minimice la deformación proporciona un control adicional de las dimensiones de la ranura.
Para mantener un espesor muy uniforme de borde de la cinta a borde de la cinta también es deseable controlar la separación entre la boquilla y la rueda de forma que no varíe más de un 5% desde un extremo de la ranura al otro. Por ejemplo, puede utilizarse un medio para ajustar la posición de la boquilla en relación con la rueda que se base en las medidas de borde a borde de la cinta moldeada a fin de minimizar la variación del grosor de borde a borde.
Para mantener la superficie de la cinta muy lisa se requiere que la superficie de la boquilla y la superficie de la rueda sean lisas. Unas superficies lisas de la boquilla se conseguían típicamente trabajando con máquina las superficies de la ranura de la boquilla en contacto con el metal fundido durante el procedimiento de colado para obtener una rugosidad de la superficie, Ra, de menos de 5 micrómetros. Para garantizar que la superficie de la boquilla se mantenía lisa durante el proceso de colado, se utilizaba preferentemente una atmósfera protectora de gas inerte o reductor para minimizar las reacciones entre la boquilla y el metal fundido que pueden degradar el acabado original de la superficie. Además, el uso de la atmósfera protectora minimiza la acumulación de partículas de escoria en la boquilla que aumentan la rugosidad de la cinta moldeada. Una superficie suave de la rueda de colada se mantenía mediante la aplicación continua de un material abrasivo con un tamaño muy pequeño de las partículas abrasivas, menos de 150 micrómetros y preferentemente menos de 60 micrómetros de tamaño medio de las partículas.
Preferentemente, el procedimiento de la presente invención incluye además el enfriamiento del metal fundido a una velocidad de 10^{5} k/s.
La cinta con un factor de relleno alto permite la construcción de núcleos magnéticos con un factor de apilamiento alto. Los núcleos magnéticos con una cinta de metal amorfo con factor de relleno alto pueden fabricarse utilizando técnicas de construcción de núcleos convencionales conocidas para los expertos en la materia. Los núcleos fabricados con la cinta de factor de relleno alto pueden después prensarse para reducir aún más las dimensiones generales, y recocerse, para liberar las tensiones mecánicas y generar la anisotropía magnética deseada, sin detrimento de las propiedades magnéticas finales. Pueden diseñarse y producirse núcleos magnéticos con factores de apilamiento del 86% o superiores.
Ejemplos Ejemplo 1
Se moldeó una cinta de metal amorfo de Fe_{80}B_{11}Si_{9} de la manera que enseña la Patente de EE.UU. 4.142.571 y utilizando los siguientes parámetros específicos.
a) Boquilla y fijación de la boquilla
Se fabricó el cuerpo de la boquilla con arcilla-circonio. El cuerpo de la boquilla se reforzó íntegramente para minimizar la deformación termomecánica durante el colado del metal amorfo. Con la máquina, se hizo una ranura de 170 mm de ancho y 0,5 mm (+/- 0,08 mm) de grosor en el cuerpo de la boquilla. El trabajo con máquina se realizó de tal modo que la superficie de la ranura presentaba una rugosidad de la superficie R_{a} < 5 \mum. El cuerpo de la boquilla se colocó dentro de un marco de refuerzo externo para minimizar la expansión termomecánica durante el colado del metal amorfo.
b) Montaje y control de la boquilla
La boquilla se colocó de tal manera que la distancia entre la boquilla y la rueda de colada no variara en más de un 5%. Aunque esta distancia es difícil de medir y controlar directamente durante el colado del metal amorfo, las medidas en tiempo real del espesor real de la cinta proporcionaron una representación de la distancia entre la boquilla y la rueda. Estas medidas se tomaron utilizando calibres de rayos x o sensores de capacitancia. La distancia entre la boquilla y la rueda se ajustó continuamente para mantener una varianza inferior al 5%.
c) Montaje y control de la rueda de colada
La rueda de colada se pulió para obtener una rugosidad de la superficie R_{a} < 5 \mum. Para minimizar la reacción entre el metal fundido y la rueda de colada, la región que rodeaba la ranura de la boquilla se llenó con un gas reductor. Para mantener lisa la superficie de la rueda de colada, se aplicó continuamente un material abrasivo en la superficie de la rueda durante el colado del metal amorfo. El tamaño de la partícula del material abrasivo era inferior a 150 \mum. El material abrasivo lo contenían las fibras de un cepillo o estaba montado sobre la superficie de un papel.
Se produjo una cinta de metal amorfo de 170 mm de ancho y 0,023 mm de espesor con los siguientes factores de relleno, según la norma ASTM A900-91.
Serie Bobina 1 Bobina 2 Bobina 3 Bobina 4
B17237 0,876 0,915 0,909 0,905
B17402 0,881 0,880 0,869 0,878
B18376 0,876 0,902 0,894 0,897
Ejemplo 2
Se utilizaron cintas de metal amorfo producidas según el Ejemplo 1 con factores de relleno de entre 0,873 y 0,876 para construir núcleos magnéticos de metal amorfo. Los núcleos magnéticos se construyeron usando las técnicas descritas en las Patentes de EE.UU. 4.734.975, 5.261.152 y 5.329.270. Los factores de apilamiento eran los que se indican más abajo. Tal y como se utiliza en la presente memoria descriptiva, el término factor de apilamiento se define como la proporción entre el área efectiva transversal del ala del núcleo y el área bruta transversal, calculado así:
Factor de apilamiento = M/(1/2(Li+Lo) x t x W x \rho)
Donde
M = masa del núcleo
Li = longitud de la laminación interior
Lo = longitud de la laminación exterior
t = espesor del ala
W = anchura de la cinta
\rho = densidad de la cinta
Número del núcleo Factor de apilamiento
HF003008 0,903
HF003009 0,903
HF003013 0,900
HF003014 0,905
HF003015 0,904
HF003016 0,904

Claims (2)

1. Un procedimiento para la producción de una cinta de metal amorfo que presenta un factor de relleno del 86% o mayor de acuerdo con la norma ASTM A900-91, que incluye las etapas de:
colar el metal fundido a través de una boquilla que tiene una sola ranura a la superficie de una rueda de colada giratoria para formar una cinta de metal amorfo; y
simultáneamente pulir la superficie de la rueda de colada giratoria aplicando en la superficie de dicha rueda de colada un material abrasivo cuyo tamaño medio de la partícula abrasiva es inferior a 150 \mum.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1, que incluye además el enfriamiento del metal fundido a una velocidad de 10^{5} k/s.
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