NL8201427A - Laminaat van amorf metaal voor elektromagnetische kernen en de werkwijze voor de vervaardiging van het laminaat. - Google Patents

Description

,. *- .. si ACR 1873

Laminaat van amorf metaal voor electromagnetische kernert en de -werkwijze voor de vervaardiging van het laminaat.

De uitvinding heeft betrekking op een laminaat van een metaal, dat tenminste 50% amorf is, voor de vervaardiging van kernen van electromagne-5 tische inrichtingen, welke laminaat omvat een aantal op elkaar geplaatste plaatvormige lagen van het metaal waarbij opvolgende lagen met elkaar zijn verbonden door een tussenliggende lijmlaag en welke metaallagen elk zijn gevormd uit een rij naast elkaar gelegen stroken van het metaal.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het maken 10 van het laminaat.

Een dergelijk laminaat is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.201.837, dat de vorming van electromagnetische kernen voor transformatoren, motoren, generatoren en dergelijke inrichtingen beschrijft uit laminaten opgebouwd uit stroken amorf metaal. In dit octrooischrift 15 wordt toegelicht dat ter beperking van electrische verliezen dergelijke kernen uit dun plaatmateriaal door stapeling worden opgebouwd. Het beschreven laminaat bestaat uit een aantal door lijmlagen onderling verbonden 12,5-50ιπη· dikke stroken van een metaal, dat voor minstens 50% amorf is. Dit laminaat wordt ontlaten door het onder druk op een ver-20 hoogde temperatuur te brengen waarbij tevens een thermohardende lijm wordt uitgehard. Daarna wordt dit laminaat tot een kern bewerkt. Aangezien de aldus verkregen kern is opgebouwd uit metaalstroken die dunner zijn dan gebruikelijk leidt dit tot een verdere beperking van de wervel-stroomverliezen in de kern. Daarbij leidt het gebruik van amorf in 25 plaats van kristallijn metaal tot beperking van de ommagnetiseringsver-liezen in de kern. Het laatst genoemde voordeel is het gevolg van de hogere electrische weerstand en van de geringere hysteresisverliezen die magnetische metalen met amorfe structuur bezitten ten opzichte van die met kristallijne structuur.

30 voor het maken van een amorfe metaalband zijn zeer hoge af koelsnelheden nodig die te realiseren zijn met inrichtingen waarbij het gesmolten metaal pp een snel voortbewegend koelvlak wordt uitgespoten. Voor magnetische metalen gevormd door Fe-legeringen zijn afkoelsnelheden van 5 tenminste 10 °C/s noodzakelijk om het metaal amorf te doen stollen.

8201427 ·.* *** - 2 - ACR 1873

Dergelijke hoge afkoelsnelheden zijn niet meer aanwezig als de gevormde metaalband een dikte groter dan ongeveer heeft gekregen. Door stapeling in de gewenste vorm van deze van thermohardende of thermoplastische polymere lijmlaag voorziene zeer dunne amorfe metaalbanden 5 wordt dan volgens dit Amerikaanse octrooischrift een electromagnetische kern opgebouwd die nog tijdens het verharden van de lijm bij hogere temperatuur aangedrukt wordt aangehouden.

Beproeving van de aldus gevormde laminaten wijst echter uit dat de verkregen magnetische eigenschappen achterblijven bij de verwachtingen 10 doordat de ommagnetiseringsverliezen nog aanzienlijk zijn. Ook blijft de bij een bepaalde veldsterkte opgewekte inductie sterk achter bij die van de metaalstrook waaruit het laminaat is opgebouwd.

Gebleken is nu dat deze bezwaren aanmerkelijk kunnen worden verminderd door de opbouw van het laminaat te verbeteren.

15 De uitvinding is nu hierdoor gekenmerkt dat tenminste 50% van de lijm-lagen onderbroken zijn en dat een onderbroken'lijmlaag een kontaktvlak met de aangrenzende metaallaag heeft van 1-50% van het gehele vlak van de metaallaag.

De dikte van de lijmlaag is bij voorkeur zo gering mogelijk, en zal een 20 waarde van 10-¾ m; niet hoeven te overschrijden. Met geschikte lijmen en met metaalstroken waarvan het oppervlak zeer vlak is kan met een dikte van 0,5-54)Jm:worden volstaan.

Het blijkt dat door het toepassen van onderbroken lijmlagen tussen de metaallagen in plaats van aaneengesloten lijmlagen het magnetiseren en 25 ontmagnetiseren bij aanmerkelijk lagere veldsterkten plaats vindt, zodat het magnetische karakter van het laminaat en de daaruit gemaakte kernen zachter is geworden. Het gevolg daarvan is dat bij deze kernen de ommag-netiseringsverliezen zijn afgenomen en dat met lagere bekrachtigings-stromen kan worden volstaan. Het gunstige effect wordt sterker naarmate 30 minder van het metaallaagoppervlak met lijm is bedekt. Bij voorkeur zijn tenminste 75% van de lijmlagen onderbroken en heeft een onderbroken lijmlaag een kontaktvlak met de aangrenzende metaallaag van 1-35% van het gehele vlak van de metaallaag. De kleinste waarde van 1% wordt hoofdzakelijk door de vereiste samenhang bepaald.

8201427 ί* + - 3 - ACR 1873

Oat de vermindering van het kontaktvlak tussen een metaallaag enerzijds en de lijmlaag anderzijds een dergelijk grote verbetering meebrengt is op zich verrassend. Alhoewel dit niet als een wetenschappelijke verklaring mag gelden wordt vermoed dat door de verschillen in uitzettings-5 coëfficiënt tussen het metaal enerzijds en het aanliggende laagje lijm anderzijds bij de vervaardiging van het laminaat spanningen in het metaal achter blijven die zich ongunstig in de ommagnetisering uitwerken. Daarbij is het opmerkelijk dat een dun lijmlaagje in staat is cp grond van verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt met het 1(3 metaal bij een amorf metaal een zodanig grote trek- of drukspanning te kunnen creeëren dat daarvan een aanmerkelijke invloed op het zachte magnetische karakter merkbaar is. Ben voorkeursuitvoering heeft daarom betrekking op een laminaat waarbij het produkt van de E-modulus en de thermische uitzettingscoëfficiënt van de lijm en het percentage kontakt-15 vlak van de lijmlaag kleiner is dan 50 Nmm”\ Bij voorkeur is dit produkt kleiner dan 25 lümm-2K-^. Een dergelijke waarde beperkt het optreden van metaalspanningen door ongelijke uitzettingen bij de vorming van het laminaat en tijdens het gebruik.

Voorts is van belang dat bij een continu verlijmd laminaat, bij gebruik 20 van de kern, de lijmlagen ook de magnetostrictieve verlengingen en verkortingen van de me taallagen zullen moeten volgen. Het is te verwachten dat hierdoor in de lijmlagen warmteontwikkelingen ten gevolge van deze periodieke vervormingen zullen optreden die verlies betekenen en de levensduur van de lijm beperken. Met de laminaten die onderbroken lijm-25 lagen bezitten zijn deze bezwaren in hoofdzaak ondervangen.

De grootste verbetering wordt verkregen indien alle lijmlagen van het laminaat een zo klein mogelijke kontakt met de me taallagen bezitten. Om practische redenen kan het aanbeveling verdienen één of meer lijmlagen van het laminaat vol uit te voeren omdat daarmee tevens een electrische 30 isolatielaag wordt aangebracht ter beperking van de wervelstroomver-liezen. Een geschikte uitvoering betreft het samenbouwen van 10 metaal-lagen met 8 onderbroken en 1 volle lijmlaag.

Afhankelijk van de behoefte kan de breedte van de laminaten worden ingesteld door de keuze van het aantal naast elkaar geplaatste metaal-35 stroken en de breedte daarvan. De breedte van het in de industrie ver- 8201427 - 4 - ACR 1873 werkte breedste transformator blik is ongeveer 1000 ran. in laminaatvorm zal een dergelijk blik dus omstreeks 5-40 naast elkaar gelegen amorfe metaalstroken van 200-25 mm breedte bezitten. Meestal zal het laminaat aanmerkelijk smaller kunnen zijn zodat dan met minder stroken kan worden 5 volstaan.

De laminaatdikte wordt gekozen afhankelijk van de hanteerbaarheid en van de bemerkbaarheid die mogelijk is met de ter beschikking staande bewerking smachines . De dikte van het laminaat wordt in hoofdzaak bepaald door het aantal amorfe metaallagen en door de dikte van de amorfe 10 metaalstroken. In den regel zal die dikte ongeveer 20-50£μΐηJzijn zodat ongeveer 2-20 lagen kunnen worden verenigd tot een goed bewerkbaar laminaat met een dikte van 0,1-1/0 mm. Eten dergelijke dikte is aantrekkelijk omdat die goed aansluit bij de gangbare diktes van transformatorblik. Grotere diktes zijn zonder bezwaren voor de magnetische eigenschappen 15 mogelijk, waarbij dan een blokvormig gelamineerd lichaam wordt verkregen.

Alhoewel de maximum dikte van een nog amorf te maken strook van een metaallegering ongeveer 50 μ m is, kan met bijzondere legeringen de dikte tot 200 jjiisr toenemen met behoud van een overwegend amorfe opbouw. Met 20 amorfe metaalstroken van die dikte kan een laminaat volgens de uitvinding uiteraard uit minder lagen bestaan.

De werkwijze heeft betrekking op de vervaardiging van een laminaat van een metaal, dat voor tenminste 50% amorf is, welk laminaat geschikt is voor het maken van kernen van electromagnetische inrichtingen, waarbij 25 een aantal plaatvormige lagen van het metaal op elkaar worden geplaatst en opvolgende lagen met elkaar worden verbonden door een tussenliggende lijmlaag en waarbij de metaallagen worden gevormd door het in een rij naast elkaar aanbrengen van stroken van het metaal. Volgens de uitvinding wordt tenminste 50% van de lijmlagen onderbroken aangebracht en 30 zodanig dat het kontaktvlak van een onderbroken lijmlaag met de aangrenzende metaallaag 1-50% van het gehele vlak bedraagt. Bij voorkeur worden tenminste 75% van de lijmlagen onderbroken en zodanig dat het kontaktvlak van een onderbroken lijmlaag met de aangrenzende metaallaag 1-35% van het gehele vlak bedraagt.

35 Een geschikte methode voor het aanbrengen van de onderbroken lijmlaag is het puntverlijmen. Daarbij kunnen op continue wijze bijvoorbeeld met 8201427 - 5 - ACR 1873 drukwalsen reeksen kleine lijnplekjes op de metaalstroken worden geplaatst. Deze lijnplekjes kunnen worden aangebracht voor de metaalstrook in het laminaat wordt opgenomen. Ook kunnen de lijnplekjes worden aangebracht op de metaalstrook die reeds met onderliggende stroken is ver-5 bonden. De lijnplekjes kunnen in diverse vormen worden opgebracht zoals cirkelvormige, streepvormige of wafelvormige, maar kunnen ook als een raster aanwezig zijn.

De voorkeur wordt gegeven aan een werkwijze waarbij de aangebrachte lijm zacht en in het bijzonder het produkt van de E-modulus en de thermische 10 uitzettingscoëfficiënt van de lijm en het percentage kontaktvlak van de lijmlaag kleiner is dan 50 ΝτππΓ2!^"1. Voor een goede tenperatuurbe-stendigheid dient de smelttenperatuur niet te laag te zijn, en zal voor practische toepassingen boven 80 a 140°C moeten zijn, afhankelijk van de toepassing van het laminaat.

15 Eet genoemde Amerikaanse octrooischrift beschrijft tevens een warmtebehandeling voor het ontlaten van de metaalstroken nadat deze tot een laminaat zijn samengebouwd. Voor de gebruikte metaalstroken uit een FeNiMöB-legering, en die de amorfe struktuur hébben, bestaat de warmtebehandeling uit een verhitting tot 325°C gedurende enkele uren. Die 20 temperatuur ligt onder de kristallisatietemperatuur van deze -legering.

De werkwijze volgens de uitvinding' is nu in het bijzonder hierdoor gekenmerkt dat bij gebruik van een thermoplastische lijm na het ontlaten van het metaal het laminaat een zodanige tijd op een temperatuur onder het smeltpunt van de lijm wordt gehouden dat ook de lijmlaag wordt ont-25 laten. Bij voorkeur wordt de ontlaattemperatuur zo dicht mogelijk bij de te verwachten werktemperatuur gehouden.

Geschikte lijmen zijn die op basis van polysulfon, fluorethyleenpoly-meren, polycarbonaten, polyesters, polyamides, polyvinylideendifluoride, siliconenrubbers, fluorsiliconen.

30 Gebleken is dat met dergelijke lijmen een goede samenhang van het laminaat wordt verkregen ondanks dat slechts 1-50% van het metaaloppervlak is verlijmd. De samenhang is dusdanig dat het laminaat aan de gebruikelijke mechanische bewerkingen kan worden onderworpen zoals boren, stanzen, snijden. Snijden met laserstralen is voor deze laminaten in 35 het bijzonder een aantrekkelijke bewerkingsmethode.

8201427 - 6 - ACR 1873

Geschikte legeringen voor de metaalstroken zijn legeringen van het type Μ Z , waarin M is Fe, Ni, Co of mengsels, en Z is een metalloid zo-m z als C, P, B, Si, Al of mengsels, en waarbij m is 70-90 at.%, z is 30-10 at.%.

5 Ben gedeelte van het Fe, Ni en/of Co-gehalte kan door andere metalen zoals Mn, Mo, Cr e.d. zijn vervangen. Dergelijke composities van door zeer snelle afkoeling amorf te maken legeringen worden onder meer gevonden in Acta Metallurgies, Vol.20. April 1972 pp.485-491 en in het Amerikaanse octrooischrift 3 856 513.

10 De metaallagen die op elkaar worden gelegd en met de lijm worden verenigd worden het geschikst zodanig aangebracht dat de naden tussen de metaalstroken van een laag niet samenvallen met die van de aangrenzende lagen, maar verschoven liggen. Alhoewel het niet nodig is dat de metaalstroken van verschillende lagen evenwijdig zijn, is dit wel de meest 15 practische uitvoeringsvorm omdat daarmee qp de eenvoudigste manier een continue vervaardigingswijze kan worden gerealiseerd. Daarbij laat men de parallele metaalstroken vanaf spoelen lopen naar een assembleerin-richting voor de lagen en het laminaat. De lijm wordt aangebracht vlak voor het samenkomen van de stroken. De dwarsdoorsnede van een dergelijke 20 laminaat vertoont een op een baksteenverband gelijkend patroon.

Met de beschreven laminaten wordt een aanzienlijke besparing op energiekosten bereikt. Een 250 KVA transformator opgebouwd uit laminaten met een onderlinge verlijming van de metaallagen met een kontaktvlak van 10% van het maximale levert bij kontinu vollast een jaarlijkse besparing van 25 2000 kWh cp vergeleken met een transformator die uit een vol verlijmd laminaat bestaat.

Fig. 1 geeft de magnetiseringscurve van een laminaat volgens de uitvinding.

Fig. 2 geeft de ommagnetiseringsverliezen als functie van het percentage 30 kontakt-oppervlak voor 2 inducties.

De uitvinding wordt toegelicht met de volgende voorbeelden.

8201427 - 7 - ACR 1873

Voorbeeld 1

Van de legering met samenstelling Fe 80,3; B 13,6; C 5,0; Si 0,8; Mn 0,3 (at. %) worden door smeltextrusie uit een spieetvormige spuitmond en snelle afkoeling op een koelwiel, dat qp een afstand van 200 m van 5 de spuitmond roteert met een omtreksnelheid van 30 msec”\ stroken gemaakt met een breedte van 6 mm en een dikte van 33£ymn’Het materiaal van de stroken blijkt bij Röntgenanalyse nagenoeg volledig vrij van kristallijne ordening te zijn.

De stroken worden onderworpen aan een verhitting gedurende 2 uur bij 10 355°C voor het ontlaten van mechanische spanningen die door de extreem snelle afkoeling zijn ontstaan. Bij het ontlaten zijn de stroken geplaatst in eén magnetisch veld van 2000 AnT^ voor het bevorderen van een rechthoekige magnetiseringskromme en lage ommagnetiseringsverliezen. Van deze stroken worden 5 stroken op elkaar gelijmd met een niet-onder-^ broken lijmlaag en 5 stroken met een puntsgewijze aangebrachte lijmlaag waarbij het kontaktvlak circa 10% van het totaal is. De lijmstipjes zijn in 3 langsrijen aangebracht en de stipjes van een rij bevinden zich qp 2 mm van elkaar.

De dikte van het continu verlijmde laminaat bedraagt 176ym; en van het 20 onderbroken verlijmde laminaat 170^m .waaruit blijkt dat dé lijmlaag-dikte voor beide laminaten ongeveer 1 a 2 ym is. Als lijm wordt poly-sulfon gebruikt, dat aangebracht wordt uit een 32 gew.% oplossing in' tetrahydrofuraan. De lijm wordt opgebracht bij kamertemperatuur en het laminaat wordt gedurende 2 uur gedroogd aan de lucht. Vervolgens wordt 25 het laminaat in een pers qp 300eC gebracht en gedurende 2 uur aangedrukt gehouden met een druk van 2.10 Mm waarna de laminaten'onder handhaving van de druk worden afgekoeld tot 180 °C. Daarna wordt de druk weggenomen en koelen de laminaten aan de omgevingslucht tot kamertemperatuur af.

30 Van de beide laminaten worden de electromagnetische eigenschappen bepaald met een Ferrotester gekoppeld aan een hysteresisgraaf bij een frequentie van 50 Hz.

In Fig. 1 is het gevonden verband tussen de gemeten inductie en de ingestelde veldsterkte weergegeven voor een enkele metaalstrook (A), het 35 laminaat met de continue lijmlaag (B), en dat met de lijmlaag met een 8201427 - 8 - ACR 1873 kontaktvlak van 10% (C).

Het blijkt dat het verband bij het continu gelijmde laminaat nog aanzienlijk afwijkt van dat van een enkele strook van hetzelfde metaal terwijl het laminaat met een lijmkontaktvlak van 10% het zeer dicht be-5 nadert. Daarbij wordt dezelfde induktie net aanmerkelijk lagere veldsterkte verkregen zodat dit laminaat gemakkelijker te magnetiseren is.

Door de veldsterkte op een veel grotere schaal af te beelden kan door bepaling van het oppervlak van de zogenaamde hysteresislus het energieverlies bij de wisselbelasting worden bepaald afhankelijk van de bij 10 een bepaalde veldsterkte maximale inductie. De tabel geeft aan het verschil van de'ommagnetiseringsverliezen uitgedrukt in W per kg metaal van het continu verlijmde laminaat en het laminaat gelijmd met 10% kontaktvlak ten opzichte van de amorfe me taais trook, in afhankelijkheid van de inductie.

15 Tabel 1

Toename van de ommagnetiseringsverliezen in W/kg bij 50 Hz bij laminaat met lijmkontaktvlak van 100% en 10% t.o.v. niet verlijmd metaal.

Inductie Niet ver- Toename bij kontaktvlak lijmd 100% 10% 20 T (esla) wAg__W/kcr 1.0 0,16 0,3 0,03 1.1 0,18 0,3 0,03 1.2 0,21 0,45 0,03 1.3 0,24 0,5 - 0,02 25 1,4 0,29 0,5 - 0,04

De verzadigingsinductie is 1,66 T

Voorbeeld 2

Voorbeeld 1 wordt herhaald met een laminaat uit amorfe metaalstroken van de legering Fe 77,1; B 9,5; C 0,3; Si 13,1 (at.%). De metaalstroken 30 worden zonder ontlaten tot een laminaat samengebracht. Er worden 5 laminaten gemaakt elk van 5 stroken en met verschillend 'lijmkontaktvlak.

8201427 - 9 - ACR 1873

Het lijmpatroon bestaat uit evenwijdige lijmstreepjes waarbij de onder- * rf·· linge afstand is aangepast aan het gewenste kontaktvlak.

Na de verlijming wordt het metaal ontlaten door de laminaten op 375°C te verhitten gedurende 2 uur onder het magneetveld genoemd in Voorbeeld 5 1.

De meetresultaten zijn verenigd in Fig. 2.

Het blijkt dat bij een percentage kontaktoppervlak van 20-60% de ommag-netiseringsverliezen opvallend sterk verminderen.

8201427

Claims (7)

1. Laminaat van een metaal, dat tenminste 50% amorf is, voor de vervaardiging van kernen van electromagnetische inrichtingen, welk laminaat omvat een aantal op elkaar geplaatste plaatvormige lagen van het metaal waarbij opvolgende lagen met elkaar zijn verbonden 5 door een tussenliggende lijmlaag en welke metaallagen elk zijn ge vormd uit een rij naast elkaar gelegen stroken van het metaal, met het kenmerk dan tenminste 50% van de lijmlagen onderbroken zijn en dat een onderbroken lijmlaag een kontaktvlak met de aangrenzende me taallaag heeft van 1-50% van het gehele vlak van de me taallaag.

1 ν '

10. ACR 1873

2. Laminaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tenminste 75% van de lijmlagen onderbroken zijn en dat een onderbroken lijmlaag een kontaktvlak met de aangrenzende metaallaag heeft van 1-35% van het gehele vlak van de metaallaag.

3. Laminaat volgens de conclusies 1-2, met het kenmerk, dat het produkt 15 van de E-modulus en de thermische uitzettingscoëff iciënt van de lijm en het percentage kontaktvlak van de lijmlaag kleiner is dan 50 _-2-1 Nmn K .

4. Werkwijze voor de vervaardiging van een laminaat van een metaal, dat voor tenminste 50% amorf is, welke laminaat geschikt is voor het 20 maken van kernen van electromagnetische inrichtingen, waarbij een aantal plaatvormige lagen van het metaal op elkaar worden geplaatst en opvolgende lagen met elkaar worden verbonden door een tussenliggende lijmlaag en waarbij de metaallagen worden gevormd door het in een rij naast elkaar aanbrengen van stroken van het metaal, met het 25 kenmerk, dat tenminste 50% van de lijmlagen onderbroken worden aan gebracht en zodanig dat het kontaktvlak van een onderbroken lijmlaag met de aangrenzende metaallaag 1-50% van het gehele vlak bedraagt.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat tenminste 75% van de lijmlagen onderbroken worden aangebracht en zodanig dat het 30 kontaktvlak van een onderbroken lijmlaag met de aangrenzende metaal laag 1-35% van het gehele vlak bedraagt. 8201427 <r .

11. ACR 1873

6. Werkwijze volgens de conclusies 4-5, roet het kenmerk, dat het pro- - ·«· ** dukt van de E-modulus en de thermische uitzettingscoëfficiënt van de lijm en het percentage kontaktvlak van de lijmlaag kleiner is dan 50 -2 -1 Kfam K .

7. Werkwijze volgens conclusies 4-6, en waarbij het metaal van het laminaat wordt ontlaten door het laminaat een bepaalde tijdsduur op een temperatuur en onder de krista llisatietemperatuur van het amorfe metaal te houden, met het kenmerk, dat bij gebruik van een thermoplastische lijm na het ontlaten van het metaal het laminaat een zó-10 danige tijd qp een temperatuur onder het smeltpunt van de lijm wordt gehouden dat ook de lijmlaag wordt ontlaten. 8201427