NO331604B1 - Styrbar induktiv anordning - Google Patents

Abstract

En styrbar induktor, omfattende første og andre koaksiale og konsentriske rørelementer, hvor nevnte elementer er koblet til hverandre ved begge ender ved hjelp av magnetiske endekoblere, en første vikling viklet rundt begge elementene og en andre vikling viklet rundt i det minste ett av nevnte elementer, hvor viklingsaksen for det første elementet er vinkelrett på elementets akser og viklingsaksen for den andre viklingen samsvarer med elementenes akser, karakterisert ved at nevnte første og andre magnetiske elementer er fremstilt av anisotropisk magnetisk materiale slik at den magnetiske permeabiliteten i retningen til et magnetisk felt innført av nevnte første vikling er betydelig høyere enn den magnetiske permeabiliteten i retningen til et magnetisk felt innført av nevnte andre vikling.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrørende en styrbar induktor, og nærmere bestemt en styrbar induktor omfattende første og andre koaksiale og konsentriske rørelementer omfattende anisotropisk materiale hvor nevnte elementer er koblet til hverandre ved begge ender ved hjelp av magnetiske endekoblere, en første vikling som er viklet rundt begge nevnte magnetiske rørelementer, en andre vikling som er viklet rundt i det minste ett av de magnetiske rørelementene, hvor en viklingsakse for den første viklingen er rettvinklet til en akse for i det minste ett av de magnetiske rørelementene hvor en viklingsakse for den andre viklingen samsvarer med aksen hvor, når energisert, den første viklingen genererer et magnetisk felt i en første retning som samsvarer med en retning av en første magnetisk permeabilitet hvor, når energisert, den andre viklingen genererer et magnetisk felt i en andre retning som samsvarer med en retning for en andre magnetisk permeabilitet, og hvor den første magnetiske permeabiliteten i alt vesentlig er høyere enn den andre magnetiske permeabiliteten.

Det har lenge vært interesse for å anvende et styrefelt for å styre et hovedfelt i en induktiv anordning.

US 4.210.859 beskriver en anordning som omfatter en indre sylinder og en ytre sylinder som er festet til hverandre ved endene ved hjelp av koblingselementer. I denne anordningen er hovedviklingen viklet rundt kjernen og det passerer gjennom sylinderens sentrale åpning. Viklingsaksen følger en bane langs sylinderens periferi. Denne viklingen danner et ringformet magnetisk felt i sylinderens vegg og sirkulære felter i koblingselementene. Styringsviklingen er viklet rundt sylinderens akse. Det vil da dannes et felt i sylinderens langsgående retning. Som vanlig i magnetiske materialer, er kjernens permeabilitet endret ved virkningen av en styrestrøm som påføres styreviklingen. Fordi sylinderne og koblingselementene er laget av det samme materialet, vil hastigheten til endringen i permeabiliteten være den samme i begge typer elementer. Som konsekvens av dette, vil størrelsen til styrefeltet måtte begrenses for å hindre en metning av kjernen og dekomposisjon av styrefeltet. Som resultat av dette, er styringsområdet for denne induktoren begrenset og anordningen i US 4,210,859 har et relativt lite volum som begrenser anordningens e f fekthåndterings e vne.

Andre anordninger omfatter styrt permeabilitet for bare en del av hovedfluksbanen. Imidlertid fører en slik tilnærming til en dramatisk begrensning i styringsområdet for anordningen. For eksempel beskriver US 4,393,157 en variabel induktor laget av et anisotropisk arkstrimmelmateriale. Denne induktoren omfatter to ringelementer som er satt sammen rettvinklet på hverandre med et begrenset skjæringsområde. Hvert ringelement har en vikling. Den delen av anordningen hvor magnetisk feltkontroll kan utføres er begrenset til området hvor de krysser hverandre. Det begrensede styreområdet er et relativt lite parti av den lukkede magnetiske kretsen for hovedfeltet og styrefeltet. En del av kjernen vil mettes først (metningen vil ikke nås samtidig for alle deler av kjernen fordi forskjellige felter vil virke på forskjellige områder) og denne metningen vil resultere i tap som genereres av spredte felter fra hovedfluksen. En delvis metning resulterer i en anordning med svært begrenset styringsområde.

Videre viser US 2883604 A en magnetisk frekvensendrer som utnytter kornorienterte magnetiske materialer.

Videre viser WO 01/90835 en magnetisk påvirkbar strøm- eller spenningsregulator av et magnetiserbart materiale og tilveiebringer en lukket magnetisk krets, en første elektrisk leder viklet rundt legemet til en første vikling og en andre elektrisk leder viklet rundt legemet til en andre vikling og en styringsvikling.

Således mangler den kjente teknikken en anordning for å styre permeabiliteten i en kjerne for vesentlig effekthåndteringsevne uten å innføre betydelige tap. Ulempene ved den kjente teknikken vil påvirke alle induktive anordningsgeometrier, og nærmere bestemt, bøyde strukturer laget av arkstrimmelmateriale fordi betydelige virvelstrøm og hysteresetap vil oppstå i denne type bøyde strukturer.

Oppfinnelsen henvender seg til disse ulemper og kan implementeres ved kjerne for en magnetisk styrbar induktor som definert i det selvstendige krav 1. Den foreliggende oppfinnelsen angår også en styrbar induktor som definert i det selvstendige krav 7.

Dermed oppnås en styrbar induktiv anordning med lavt tap og som er egnet for høy effektanvendelse. Generelt kan oppfinnelsen anvendes for å styre den magnetiske fluksledningen i en rulleretning ved styrt domeneforflytning i en tverretning.

I ett aspekt styrer permeabiliteten til kornorientert materiale i rulleretningen ved å anvende et styrefelt i tverretningen. I en utførelse er en styrbar induktiv anordning av et kornorientert stål magnetisert i tverretningen. I en annen utførelse tilveiebringes en styrbar induktor som omfatter første og andre koaksiale og konsentriske rørelementer. Elementene er koblet til hverandre ved begge endene ved hjelp av magnetiske endekoblere. En første vikling er viklet rundt begge elementene, en andre vikling er viklet rundt i det minste ett av elementene. Viklingsaksen for den første viklingen er vinkelrett til elementenes akser og viklingsaksen for den andre viklingen samsvarer med elementenes akser. Det første og det andre magnetiske elementet er fremstilt av et anisotropisk magnetisk materiale slik at den magnetiske permeabiliteten i retningen til et magnetisk felt som er innført av den første av viklingene er betydelige høyere enn den magnetiske permeabiliteten i retningen til et magnetisk felt innført av den andre viklingen. I en versjon av denne utførelsen er det anisotropiske materialet valgt fra en gruppe som omfatter kornorientert silisiumstål og domenestyrt høypermeabilitets kornorientert silisiumstål.

I en utførelse er de magnetiske endekoblerne laget av anisotropisk materiale og de tilveiebringer en lav permeabilitetsbane for det magnetiske feltet som dannes av den første viklingen og en høy permeabilitetsbane for det magnetiske feltet som dannes av den andre viklingen. Den styrbare induktoren kan også omfatte et tynt isolasjonsark plassert mellom de magnetiske rørelementkantene og endekoblerne.

I en videre utførelse omfatter en styrbar magnetisk struktur en lukket magnetisk krets. Den lukkede magnetiske kretsen omfatter et første magnetiskkrets-element og et andre magnetiskkrets-element. Hvert av de magnetiske kretselementene er fremstilt av et anisotropisk materiale med en høy permeabilitetsretning. Den styrbare magnetiske strukturen omfatter også en første vikling som er viklet rundt et første parti av den lukkede magnetiske kretsen og en andre vikling som er orientert rettvinklet til den første viklingen. Den første viklingen danner et første magnetisk felt i høypermeabilitetsretningen til det første kretselementet og den andre viklingen genererer et andre felt i en retning som er vinkelrett til den første retningen når de respektive viklingene er eksitert (det vil si energisert).

I en versjon av denne utførelsen omfatter den styrbare magnetiske strukturen et første kretselement som er et rørlegeme og et andre magnetisk kretselement som er en endekobler som kobler et første rørlegeme til et andre rørlegeme. I en versjon av denne utførelsen er det første rørlegemet og det andre rørlegemet plassert koaksialt rundt en akse og høypermeabilitetsretningen er en ringretning i forhold til denne aksen. I tillegg kan den andre høypermeabilitetsretningen være en radiell retning i forhold til aksen. I en annen versjon av denne utførelsen er den styrbare magnetiske strukturen fremstilt ved hjelp av et kornorientert materiale. I nok en annen versjon av denne utførelsen er den styrbare magnetiske strukturen en induktor.

I en annen utførelse er isolasjon plassert i den lukkede magnetiske kretsen mellom det første magnetiske kretselementet og det andre magnetiske kretselementet. I en annen utførelse har det andre magnetiske kretselementet et volum som er 10% til 20% av volumet til det første magnetiske kretselementet.

I nok en annen utførelse er en kjerne tilveiebrakt for en magnetisk styrbar induktor. Kjernen omfatter første og andre koaksiale og konsentriske rørelementer og hvert rørelement er fremstilt av et anisotropisk magnetisk materiale.

En akse er definert for hvert rørelement og rørelementene er koblet til hverandre i begge endene ved hjelp av magnetiske endekoblere. I tillegg har kjernen en første magnetisk permeabilitet i en første retning som er parallell med aksen til elementene og som er betydelig høyere enn en andre magnetisk permeabilitet i en andre retning som er vinkelrett på elementenes akser. I en versjon av denne utførelsen er første og andre rørelementer fremstilt av rullet arkmateriale omfattende en arkende og et belegg av et isolasjonsmateriale. I en annen versjon omfatter det første rørelementet et mellomrom i den tredje retningen parallell med aksene til elementene og de første og andre rørelementene er koblet sammen ved hjelp av et mikrometer tynt isolasjonslag i en skjøt som er plassert mellom de første og andre rørelementene. I en videre versjon forløper et luftmellomrom i en aksiell retning i hvert rørelement og en første reluktans for et første element er lik en andre reluktans for det andre elementet. I en utførelse er isolasjonsmaterialet valgt blant en gruppe som omfatter MAGNETITE-S og UNISIL-H. Videre kan den styrbare induktoren omfatte en tredje magnetisk permeabilitet som finnes i koblerne i en ringretning i forhold til aksene til elementene og en fjerde magnetisk permeabilitet som befinner seg i kobleren i en radiell retning i forhold til aksene til elementene. I en versjon av denne utførelsen er den fjerde magnetiske permeabiliteten vesentlig større enn den tredje magnetiske permeabiliteten.

I et annet aspekt tilveiebringes en magnetisk koblingsanordning for å koble første og andre koaksielle og konsentriske rørelementer til hverandre for å tilveiebringe en magnetisk kjerne for en styrbar induktor. De magnetiske endekoblerne er fremstilt av et anisotropisk materiale og de tilveiebringer en lav permeabilitetsbane for magnetiske felt som er generert av den første viklingen og en høy permeabilitetsbane for magnetiske felt som er generert av den andre viklingen. I en versjon av denne utførelsen omfatter den magnetiske kobleren et kornorientert arkmetall med en tverretning som tilsvarer den kornorienterte retningen til rørelementene i en sammensatt kjerne. I tillegg tilsvarer den kornorienterte retningen tverretningen for rørelementene i den sammensatte kjernen for å sikre at endekoblerne blir mettet etter rørelementene. I en versjon av denne utførelsen er de magnetiske endekoblerne fremstilt av en enkelt tråd av magnetisk materiale. I en annen versjon av denne utførelsen er de magnetiske endekoblerne fremstilt av flere tråder av magnetisk materiale.

De magnetiske endekoblerne kan være fremstilt på forskjellige måter. I en utførelse er endekoblerne fremstilt ved å rulle et magnetisk arkmateriale fra en toroidformet kjerne. Kjernen har en størrelse og er utformet slik at den passer til rørelementene og kjernene er delt i to halvdeler langs et plan som er tverrliggende i forhold til materialet kornorienteringsretning (Grain Orientation, GO). I tillegg til dette er bredden til endekobleren justert til å gjøre at segmentene kobler det første rørelementet til det andre rørelementet ved rørelementendene. I en annen utførelse er de magnetiske endekoblerne laget av enten flertråd- eller enkelttrådsmagnetisk materiale som er viklet til å danne en torus og torusen er delt i to halvdeler langs et plan som er rettvinklet til alle trådene.

I en annen utførelse har en variabel induktiv anordning lav remanens, slik at anordningen lett kan nullstilles mellom arbeidssykluser i vekselstrømdrift og kan tilveiebringe en tilnærmet lineær, stor induktansendring.

Oppfinnelsen vil nå beskrives i detalj ved hjelp av eksempler illustrert i de følgende tegninger. Figur 1 viser et ark av magnetisk materiale og den relative stillingen til rulleretningen og den aksielle retningen. Figur 2 viser en rullet kjerne og rulleretningen og den aksielle retningen definert i denne. Figur 3 viser et ark av kornorientert materiale og kornretningen og tverretningen definert deri. Figur 4 viser en rullet kjerne av kornorientert materiale og kornretningen og tverretningen definert i den. Figur 5 viser de relative stillingene til de forskjellige retningene i et rørelement. Figur 6 viser skjematisk en del av en anordning ifølge en utførelse av oppfinnelsen.

Figur 7 viser anordningen ifølge utførelsen på figur 6.

Figur 8 viser et tverriss av anordningen vist på figur 7.

Figur 9 viser stillingen til tynne isolasjonsark mellom de magnetiske endekoblerne og de sylindriske kjernene av en innretning ifølge en utførelse av oppfinnelsen. Figur 10 viser en fremstilling av magnetiske endekoblere basert på magnetisk arkmateriale. Figur 11 viser en torus for fremstilling av magnetiske endekoblere basert på tråder av magnetiske materiale. Figur 12 viser et tverrsnitt av et torusformet magnetisk materiale for fremstilling av magnetiske endekoblere.

Figur 13 viser kornretningen og tverretningen i magnetiske endekoblere.

Figur 14 viser et riss av en torus for fremstilling av magnetiske endekoblere hvor fasongen er justert til å tilpasses rørelementer ifølge en utførelse av oppfinnelsen. Figur 15 viser en torus som er fremstilt ved hjelp av magnetisk tråd ifølge en utførelse av oppfinnelsen.

Figur 16 viser et tverrsnitt av torusen på figur 15.

Figur 17 viser domenestrukturen i kornorientert materiale.

Fig. 12 og 13 utgjør bakgrunnsteknikk for oppfinnelsen.

Arkstrimmelmateriale er anvendt i fremstilling av magnetiske kjerner. Disse kjernene kan fremstilles ved for eksempel å rulle et ark av materiale til en sylinder eller ved å stable flere ark sammen og deretter å skjære elementene som vil danne kjernen. Det er mulig å definere i det minste to retninger i materialet som anvendes for å danne de "rullede" kjernene, for eksempel rulleretningen (rolling direction, "RD") og den aksielle retningen (axial direction, "AD").

Figurene 1 og 2 viser henholdsvis et ark av magnetisk materiale og en rullet kjerne. Rulleretningen og den aksielle retningen (RD, AD) vises i disse figurene. Som vist på figur 2, er rulleretningen til en rullet kjerne ifølge sylinderens periferi og den aksielle retningen samsvarer med sylinderens akse.

Materialer som har magnetiske karakteristikker som varierer avhengig av retningen i materialet kalles anisotropiske. Figurene 3 og 4 viser retningene definert i et ark av kornorientert anisotropisk materiale. Kornorientert (grain oriented, "GO") materiale er fremstilt ved å rulle et massivt materiale mellom ruller i flere trinn, sammen med oppvarming og avkjøling av det resulterende arket. Under fremstillingen er materialet belagt med et isolasjonslag som påvirker en domenereduksjon og en tilsvarende tapsreduksjon i materialet. Materialets deformasjonsprosess resulterer i et materiale hvor kornene (og følgelig de magnetiske domenene) er orientert hovedsakelig i en retning. Den magnetiske permeabiliteten når et maksimum i denne retningen. Generelt kalles denne retningen GO-retningen. Retningen som er rettvinklet til GO-retningen kalles tverretningen (trasverse direction, "TD"). UNISIL og UNISIL-H for eksempel, er typer av magnetisk anisotropisk materiale. I en utførelse tilveiebringer det kornorienterte materialet en i alt vesentlig høy prosentandel av domener som er tilgjengelige for rotasjon i tverretningen. Som et resultat av dette, har materialet lave tap og det tillater forbedret styring av permeabiliteten i kornorienteringsretningen via påføring av et styrefelt i tverretningen TD.

Andre typer anisotropiske materialer er amorfe legeringer. Felles karakteristikker for alle disse typer er at man kan definere en "lett" eller "myk" magnetiseringsretning (høy permeabilitet) og en "vanskelig" eller "hard" magnetiseringsretning (lav permeabilitet). Magnetiseringen i retningen med høy permeabilitet er oppnådd ved domeneveggbevegelse, mens i retningen med lav permeabilitet oppnås magnetiseringen ved rotasjon av domenemagnetiseringen i feltretningen. Resultatet er en firkantet m-h-sløyfe i høypermeabilitetsretningen og en lineær m-h-sløyfe i lavpermeabilitetsretningen (hvor m er den magnetiske polariseringen som en funksjon av feltstyrken h). Videre, i en utførelse viser m-h-sløyfen i tverretningen ikke koersivitet og den har null remanens. I denne beskrivelsen anvendes begrepet GO når man refererer til høypermeabilitetsretningen, mens begrepet tverretning ("TD") er anvendt når man refererer til lavpermeabilitetsretningen. Disse begrepene vil anvendes ikke bare for kornorienterte materialer, men for et hvilket som helst anisotropisk materiale som anvendes i kjernen ifølge oppfinnelsen. I en utførelse er GO-retningen og RD-retningen samme retning. I en videre utførelse er TD-retningen og AD-retningen den samme retningen. I en annen utførelse er det anisotropiske materialet valgt blant en gruppe med amorfe legeringer omfattende METGLAS magnetisk legering 2605SC, METGLAS magnetisk legering 2605SA1, METGLAS magnetisk legering 2605CO, METGLAS magnetisk legering 2714A, METGLAS magnetisk legering 2826NB og Nanokrystallin RI02.1 en videre utførelse er det anisotropiske materialet valgt blant en gruppe med amorfe legeringer omfattende jernbaserte legeringer, koboltbaserte legeringer og jern-nikkelbaserte legeringer.

Selv om anvendelsen av anisotropisk materiale er beskrevet, kan andre materialer anvendes så lenge de har en egnet kombinasjon av de følgende karakteristikker: 1) Høy spiss magnetiseringspolarisering og permeabilitet i RD; 2) lave tap; 3) lav permeabilitet i TD; 4) lav spiss magnetisk polarisering i TD; og 5) rotasjonsmagnetisering i tverretningen. Tabell 1 omfatter en delvis liste av materialer hvor arkstrimmelmaterialet kan implementeres og noen av karakteristikkene til materialene som er relevante for en eller flere utførelser av oppfinnelsen.

Figur 5 viser en utførelse av et rørelement i en variabel induktans ifølge oppfinnelsen. Fordi dette elementet er fremstilt ved å rulle et ark av anisotropisk materiale kan man definere rulleretningen (RD), den aksielle retningen (AD), høypermeabilitetsretningen (GO) og lavpermeabilitetsretningen (TD). De relative stillingene til disse retningene i elementet vises på figur 5. Rørelementet kan et hvilket som helst tverrsnitt fordi formen til tverrsnittet simpelthen vil være avhengig av fasongen av elementet rundt hvilket arket rulles. Hvis arket rulles på et parallelt rør med firkantet tverrsnitt, vil rørelementet ha et firkantet tverrsnitt. På tilsvarende måte vil et ark som er rullet på et rør med et ovalt tverrsnitt formes til et rør med et ovalt tverrsnitt. I en utførelse er rørelementet en sylinder.

Figur 6 viser skjematisk en del av en utførelse av en anordning 100 ifølge oppfinnelsen. Denne anordningen 100 omfatter et første rørelement 101 og et andre rørelement 102 hvor elementene er koblet til hverandre ved begge endene ved hjelp av magnetiske endekoblere. For klarhets skyld er de magnetiske endekoblerne ikke vist på figuren. En første vikling 103 er viklet rundt elementene 101 og 102 med en viklingsakse som er vinkelrett til elementenes akser. Det magnetiske feltet (Hf, Bf) dannet av denne viklingen når den aktiveres vil ha en retning langs elementets periferi, det vil si en ringretning i forhold til elementenes akser. En andre vikling 104 er viklet rundt elementet 102 med en viklingsakse som er parallell med elementenes akser. Det magnetiske feltet som er dannet av denne viklingen når den aktiveres (Hs, Bs) vil ha en retning som er parallell med elementenes akser, det vil si en aksiell retning i forhold til elementenes akser. I en utførelse er viklingsaksen for den andre viklingen 104 i samsvar med elementenes akser. I en annen utførelse er elementenes akser ikke i samsvar med hverandre.

Hvis vi kombinerer viklingene og de magnetiske feltene på figur 6 med den rullede materialkjernen i figur 5, vil dette resultere i en anordning 100 ifølge en utførelse av oppfinnelsen. I en versjon av denne utførelsen er den magnetiske permeabiliteten i retningen for et magnetisk felt (Hf, Bf) innført av den første viklingen 103 (det vil si retningen til GO, RD) betydelig høyere enn den magnetiske permeabiliteten i retningen av et magnetisk felt (Hs, Bs) innført av den andre viklingen 104 (det vil si retningen til TD, AD).

I en utførelse danner den første viklingen 103 hovedviklingen og den andre viklingen 104 danner styreviklingen. I en versjon av denne utførelsen er det magnetiske feltet (Hf, Bf) generert i høypermeabilitetsretningen (GO, RD) og styrefeltet (Hs, Bs) er generert i lavpermeabilitetsretningen (TD, AD).

Minimale tap resulterer når et anisotropisk materiale anvendes for å tilveiebringe anordningen 100 som beskrevet med referanse til figurene 5 og 6. Disse resultatene oppnås uansett om anordningen 100 anvendes i en lineær applikasjon eller en bryterapplikasjon. I en lineær applikasjon er anordningen 100 koblet på og den forblir i en krets som en induktans. I en bryterapplikasjon er anordningen 100 anvendt for å koble på og koble fra en annen anordning i forhold til en effektkilde. Lave tap tillater at anordningen 100 anvendes i høyeffektanvendelser, for eksempel anvendelser i kretser som kan anvende transformatorer med område fra noen få hundre kVA i flere MVA i størrelse.

Som vist på likning 44) er effekthåndteringsevnen til kjernen avhengig av den maksimale blokkeringsspenningen Ub ved høy permeabilitet og den maksimale

magnetiseringstrømmen Im ved den minimale verdien til den styrte permeabiliteten.

Hvis magnetiseringsstrømmen og blokkeringsspenningen er uttrykt som funksjoner av den magnetiske felttettheten Bm, vil den synlige effekten Ps kunne uttrykke som:

Hvor Vj er volumet til hovedfluksbanen i kjernen, u.0er permeabiliteten til fritt rom og u-r permeabiliteten til kjernen. Likning 45) viser at effekthåndteringsevnen er relatert til både volumet til kjernen og den relative permeabiliteten til kjernen. Ved svært høy permeabilitet vil magnetiseringsstrømmen være ved sitt høyeste nivå og bare en liten mengde effekt ledes.

Det fremgår av likning 45) at den synlige effekten Ps pr volumenhet i kjernen er relatert til den relative permeabiliteten u.r. For tilsvarende kjerner hvor den minimale relative permeabiliteten til den første kjernen er halvparten av den minimale relative permeabiliteten til den andre kjernen, er den første kjernens synlige effekt to ganger større enn for den andre kjernen. Således er effekthåndteringen til et gitt kjernevolum begrenset av den minimale relative permeabiliteten til kjernevolumet.

Følgelig, i en utførelse, er volumet til de magnetiske endekoblerne omtrent 10-20% av den til hovedkjernen, men det magnetiske endekoblervolumet kan senkes videre til 54 eller Va av det avhengig av oppbyggingen av kjernen, og den nødvendige effekthåndteringsevnen. I en slik utførelse vil volumet i de magnetiske endekoblerne være 5%-10% av volumet til hovedkjernen. I nok en annen utførelse er volumet til de magnetiske endekoblerne 2,5%-5% av volumet til hovedkjernen.

En ny fenomenologisk teori for magnetiseringskurver og hysteresetap i kornorienterte (GO) lamineringer beskrives i en artikkel med tittelen "Comprehensive Modell of Magnetization Curve, Hysteresis Loops, and Losses in Any Direction in Grain-Oriented Fe-Si" av Fiorillo o.a. publisert i IEEE Transactions on Magnetics, bind 38, nr. 3, mai 2002 (heretter kalt "Fiorillo o.a. al."). Fiorillo o.a. leverer teoretiske og eksperimentelle bevis på det faktum at volumet som utvikles med magnetisering i tverretningen tas opp for magnetisering i rulleretningen. Således viser artikkelen at det er mulig å styre permeabilitet i en retning ved hjelp av et felt i en annen retning.

Fiorillo o.a. tilveiebringer også en modell for prosessene i et GO-materiale. Den presenterer for eksempel en modell som omfatter magnetiseringskurver, hysteresesløyfer og energitap i enhver retning i en GO-laminering. Modellen er basert på den enkle krystalltilnærmingen og beskriver at domenene utvikles på kompleks måte når et felt påføres langs TD. Med henvisning til figur 17, omfatter et GO-ark et mønster på 180° domenevegger som er hovedsakelig rettet langs RD. Den demagnetiserte tilstanden (figur 17a) erkarakterisert vedmagnetisering Js rettet langs [001] og [00T]. Når et felt påføres i TD (figur 17b), vil de basiske 180° domener transformeres gjennom 90° domene veggprosesser til et mønster laget av massedomener, med magnetiseringen rettet langs [100] og [0 T 0] (det vil si fremstilling av en vinkel på 45° i forhold til lamineringsplanet). Når denne nye domenestrukturen opptar en andel av prøvevolumet er den makroskopiske magnetiseringsverdien:

J90 = magnetisering i TD

Js = magnetisering i RD

v90 = brøkdel av prøvevolum

Den maksimale magnetiseringen som kan oppnås ved slutten av magnetiseringsprosessen J90 = 1,42 Tesla og en videre økning er oppnådd ved momentrotasjoner av domener.

Fiorillo et al. viser også at volumet til prøven som er opptatt av 180° domener avtar på grunn av veksten til 90° domenene. Således er permeabilitet eller fluksledning for felter som er påført i rulleretningen kontrollert med et styrefelt og styrt domeneforskyvning i tverretningen.

Magnetiseringsoppførselen i tverretningen i GO-stål er beskrevet i "Magnetic Domains" av Hubert et al., Springer 2000, sidene 416-416 og 532-533. Styring av domeneforflytningen i tverretningen for å styre permeabilitet i rulleretningen er mest fordelaktig hovedsakelig fordi bevegelser av 180° veggene er unngått når et felt er påført rettvinklet til 180° veggene. Således vil hovedfeltet ikke påvirke det ortogonale styringsfeltet i allerede TD-magnetiserte volumer.

I motsetning til GO-stål hvor magnetiseringsmekanismen i GO-retningen og TD-retningen er forskjellig, er magnetiseringen av ikke-orientert stål bestående hovedsakelig av 180° domeneveggforflytninger og således er det styrte volumet kontinuerlig påvirket av både hovedfeltet og styringsfeltet i ikke-orientert stål.

Figur 7 viser en utførelse av anordningen 100 ifølge oppfinnelsen. Figuren viser første rørelement 101, første vikling 103 og de magnetiske endekoblerne 105, 106. De anisotropiske karakteristikkene til det magnetiske materialet for rørelementene er allerede blitt beskrevet, de består av at materialet har den myke magnetiseringsretningen (GO) i rulleretningen (RD).

Rørelementene er fremstilt ved å rulle et ark av GO-materiale. I en utførelse er GO-materialet høykvalitetsstål med minimale tap, for eksempel Cogents Unisil HM 105-30P5.

Permeabiliteten til GO-stål i tverretningen er omtrent 1-10% av permeabiliteten i GO-retningen, avhengig av materialet. Som et resultat av dette er induktansen for en vikling som danner et felt i tverretningen bare 1-10% av induktansen til hovedviklingen som danner et felt i GO-retningen, gitt at begge viklingene har samme antall vindinger. Dette induktansforhold tillater en høy grad av styring av permeabiliteten i retningen til feltet generert av hovedviklingen. Også med styringsfluks i tverretningen, er toppmagnetiseringspolariseringen omtrent 20% lavere enn i GO-retningen. Som resultat av dette, er de magnetiske endekoblerne i anordningen ifølge oppfinnelsen ikke mettet av hovedfluksen eller av styringsfluksen, og de er i stand til å konsentrere styringsfeltet i materialet ved alle tidspunkter.

For å hindre virvelstrømtap og sekundære lukkede baner for styringsfeltet, i en utførelse, er et isolasjonslag lagt mellom nærliggende lag av arkmateriale. Dette laget påføres som et belegg på arkmaterialet. I en utførelse er isolasjonsmaterialet valgt fra gruppen omfattende MAGNETITE og MAGNETITE-S. Imidlertid kan andre isolasjonsmaterialer så som C-5 og C6 produsert av Rembrandtin Lack Ges.m.b.H og lignende, anvendes gitt at de er mekanisk sterke nok til å motstå fremstillingsprosessen og at de også har tilstrekkelig mekanisk styrke til å hindre elektriske kortslutninger mellom nærliggende lag av folie. Egnethet for avspenningsgløding og helt aluminiumsforsegling er også fordelaktige karakteristikker for isolasjonsmaterialet. I en utførelse omfatter isolasjonsmaterialet organiske/uorganiske blandede systemer som er frie for krom. I en annen utførelse omfatter isolasjonsmaterialet en termisk stabil organisk polymer som omfatter uorganiske fyllmaterialer og pigmenter.

Figur 79 er et tverrsnitt av en utførelse av anordningen 100 ifølge oppfinnelsen. I denne utførelsen omfatter det første rørelementet 101 et mellomrom 107 i elementets aksielle retning plassert mellom et første og et andre lag av det første rørlaget. Hovedfunksjonen til mellomrommet 107 er å tilpasse effekthåndteringsevnen og volumet til materialet til en spesifikk anvendelse. Tilstedeværelsen av et luftmellomrom i kjernens langsgående retning vil forårsake en reduksjon i kjernens remanens. Dette vil forårsake en reduksjon i det harmoniske innholdet i strømmen i hovedviklingen når permeabiliteten til kjernen senkes ved hjelp av en strøm i styringsviklingen. Et tynt isolasjonslag er plassert i mellomrommet 107 mellom de to delene av element 101.1 en versjon av denne utførelsen er ikke de magnetiske endekoblerne delt i to deler.

Figurene 9-16 vedrører forskjellige utførelser av de magnetiske endekoblerne. I en utførelse er materialet som anvendes for de magnetiske endekoblerne anisotropisk. I en versjon av denne utførelsen tilveiebringe de magnetiske endekoblerne en hard magnetiseringsbane (lav permeabilitet) for det magnetiske hovedfeltet Hf, som er dannet av den første viklingen 103. Styringsfeltet Hs er feltet dannet av den andre viklingen 104 (ikke vist på figur 7), vil møte en bane med høy permeabilitet i de magnetiske endekoblerne og lav permeabilitet i rørelementene.

De magnetiske endekoblerne eller styringsflukskoblerne kan være fremstilt av GO-arkmateriale eller tråder av magnetisk materiale med styringsfeltet i GO-retningen og hovedfeltet i tverretningen. Trådene kan være enten enkelttråder eller flettede tråder.

I en utførelse er de magnetiske koblerne laget av GO-stål for å sikre at endekoblerne ikke blir mettet før rørelementene eller de sylindriske kjernene i TD, men i stedet konsentrerer styringsfluksen gjennom rørelementene. I en annen utførelse er de magnetiske koblerne dannet av rent jern.

Vi vil nå beskrive det magnetisk felts oppførsel i endekoblerne i en utførelse av anordningen tilsvarende figur 7. Opprinnelig, det vil si når den andre viklingen eller styreviklingen 104 ikke er aktivert, vil bare en svært liten andel (tilnærmet 0,04-0,25%) av hovedfeltet Hf gå inn i de magnetiske endekoblernes volum på grunn av den svært lave permeabiliteten i hovedfeltretningen (TD) i den magnetiske endekobleren. Permeabiliteten i hovedfeltretningen Hf, TD er fra 8 til 50 gjennom endekobleren avhengig av konstruksjonen og materialet som anvendes. Som et resultat av dette, vil hovedfluksen Bf gå i volumet til rørelementene eller de sylindriske kjernene 101, 102.1 tillegg tillater konsentrasjonen av hovedfluksen at hovedkjernen 101, 102 sin permeabilitet justeres nedover til omtrent 10.

Styringsfluksbanen (Bs i figurene 6 og 7) går opp aksialt innenfor ett av rørelementene 101, 102 sin kjernevegg og ned innenfor de andre elementets kjernevegg og er lukket ved hjelp av magnetiske endekoblere 105, 106 ved hver ende av de konsentriske rørelementene 101, 102.

Styringslfuksbanen (B) har svært små luftmellomrom som er tilveiebrakt av tynne isolasjonslag 108 mellom de magnetiske endekoblerne 105, 106 og de runde endeområder av de sylindriske kjernene (figur 9). Dette er viktig for å hindre dannelse av en lukket strømbane for transformatorvirkningen fra den første viklingen 103 gjennom "viklingen" dannet av det første og andre rørelementet 101, 102 og de magnetiske endekoblerne 105, 106.

Som nevnt tidligere, er de magnetiske endekoblerne ifølge en utførelse av oppfinnelsen laget av flere ark av magnetisk materiale (lamineringer). Utførelsen vises på figurene 10-14. Figur 10 viser en magnetisk endekobler 105 av GO-arkstål og rørelementene 101 og 102 sett ovenfra. Hvert segment av endekobleren 105 (for eksempel segmentene 105a og 105b) er avsmalnet fra en radiell innovervendt ende 110 til en radiell utoverende 112 hvor den radielle innoverenden 110 er smalere enn den radielle utoverenden 112. Retningene GO og TD er vist på figur 10 når de påføres hvert segment 105 a, 105b i endekobleren. En del av endekobleren 105 på venstre og høyre side av figur 10 har blitt fjernet for å vise arkendene 114 til den indre kjernen 102 og den ytre kjernen 101. Figur 11 viser et torusformet legeme 116 som, når det skjæres i todeler, tilveiebringer de magnetiske endekoblerne. Figur 12 viser et tverrsnitt av tomsen og den relative stillingen til arkene (for eksempel lamineringer) 105' av magnetisk materiale. Figurene 12 og 13 viser GO-retningen i de magnetiske endekoblerne som samsvarer med retningene til hovedfeltet. Figur 14 viser hvordan størrelsen og fasongen til det magnetiske koblingssegmentet 105a er justert for å sikre at kobleren kobler det første rørelementet 101 (ytre sylindrisk kjerne) til det andre rørelementet 102 (indre sylindrisk kjerne) ved hver ende. I figur 14 er den radielle innoverende 110 smalere enn den radielle utoverenden 112.

I en utførelse av oppfinnelsen, vist på figur 15, anvendes samme type segmenter med samme magnetiske tråd. Tilveiebringelse av endekoblere anvender tråder av enkelttrådsmagnetisk materiale. Den torusformede fasongen dannet av det magnetiske materialet skjæres i to halvdeler som angitt ved tverrsnitt A-A på figur 15. Figur 16 viser hvordan endene til de magnetiske tråder tilveiebringer inngangs-og utgangs områder for det magnetiske feltet Hf. Hver tråd tilveiebringer da en bane for det magnetiske feltet Hf.

For å være i stand til å øke effekten som håndteres av den styrbare induktive anordningen, kan kjernen lages av laminert arkstrimmelmateriale. Dette vil også være fordelaktig ved bryterapplikasjoner når hurtige endringer i permeabiliteten er nødvendige.

Claims (15)

1. Kjerne for en magnetisk styrbar induktor, omfattende: første (101) og andre (102) koaksiale og konsentriske magnetiske rørelementer, hvor hvert rørelement (101, 102) omfatter et anisotropisk magnetisk materiale og definerer en akse; hvor nevnte rørelementer (101, 102) er koblet til hverandre ved begge ender ved hjelp av magnetiske endekoblere (105, 106), og hvor kjernen tilveiebringer en første magnetisk permeabilitet i en første retning vinkelrett på aksene til rørelementene (101, 102) som er vesentlig høyere enn en andre magnetisk permeabilitet i en andre retning parallell til rørelementenes (101, 102) akser; hvor kjernen erkarakterisert vedat: en tredje magnetisk permeabilitet eksisterer i kobleren (105, 106) i ringretningen relativt aksene til elementene (101, 102), og en fjerde magnetisk permeabilitet eksisterer i kobleren (105, 106) i en radiell retning relativt aksene til elementene (101, 102), hvor den fjerde magnetiske permeabiliteten er vesentlig større enn den tredje magnetiske permeabiliteten.

2. Kjerne ifølge krav 1, hvor de første (101) og andre (102) rørelementene er laget av rullet arkmateriale omfattende en arkende og et belegg av et isolasjonsmateriale.

3. Kjerne ifølge krav 2, hvor de magnetiske endekoblerne (105, 106) er laget av kornorientert stål eller jern.

4. Kjerne i samsvar med patentkrav 1 eller 3, hvor de magnetiske endekoblerne (105, 106) omfatter: et flertall segmenter (105a, 105b), hvor hvert segment (105a, 105b) har en radiell ytre ende (112) og en radiell indre ende (110); hvor hvert segment (105a, 105b) er avsmalnet fra en radiell innovervendt ende (110) til en radiell utoverende (112) og hvor den radielle innovervendte enden (110) er smalere enn den radielle utovervendte enden (112).

5. Kjerne ifølge krav 1, hvor det første rørelementet (101) omfatter: et første lag (101); et andre lag (101); og et mellomrom (107) i en tredje retning parallell med aksene til rørelementene, hvor det første laget (101) og det andre laget (101) i det første rørelementet (101) er koblet sammen ved hjelp av et mikrometer tynt isolasjonslag i en skjøt (107) plassert mellom det første og det andre laget.

6. Kjerne ifølge krav 1, videre omfattende: et luftmellomrom (107) som forløper i en aksiell retning i hvert rørelement (101, 102) og hvor en første reluktans til det første elementet (101) er lik en andre reluktans i det andre elementet (102).

7. Styrbar induktor (100) omfattende en kjerne i samsvar med krav 1, hvor den styrbare induktoren videre omfatter: en første vikling (103) viklet rundt begge de magnetiske rørelementene; og en andre vikling (104) viklet rundt minst en av de magnetiske rørelementene (101, 102), hvor en viklingsakse for den første viklingen (103) er vinkelrett på en akse hos minst ett av de magnetiske rørelementene (101, 102); hvor en viklingsakse til den andre viklingen (104) sammenfaller med kjerneaksen; hvor: den første viklingen (103), når den energiseres, er tilpasset til å generere et magnetisk felt i en første retning som sammenfaller med en retning til den første magnetiske permeabiliteten; den andre viklingen (104), når den energiseres, er tilpasset til å generere et magnetisk felt i en andre retning som sammenfaller med en retning til den andre magnetiske permeabiliteten; den første magnetiske permeabiliteten er vesentlig høyere enn den andre magnetiske permeabiliteten; og de magnetiske endekoblerne (105, 106) er laget av et anisotropisk materiale og tilpasset til å tilveiebringe en lavpermeabilitetsbane for det magnetiske feltet dannet av den første viklingen (103) og en høypermeabilitetsbane for det magnetiske feltet dannet av den andre viklingen (104).

8. Styrbar induktor (100) i samsvar med krav 7, hvor det anisotropiske materialet velges fra en gruppe bestående av kornorientert silisiumstål og domenestyrt høypermeabilitets kornorientert silisiumstål.

9. Styrbar induktor (100) i samsvar med krav 7, hvor de magnetiske endekoblerne (105, 106) er laget av kornorientert stål eller jern.

10. Styrbar induktor (100) i samsvar med krav 7 eller 9, hvor de magnetiske endekoblerne (105, 106) omfatter: et flertall segmenter (105a, 105b), hvor hvert segment (105a, 105b) har en radiell ytre ende (112) og en radiell indre ende (110); hvor hvert segment (105a, 105b) er avsmalnet fra en radiell innovervendt ende (110) til en radiell utoverende (112) og hvor den radielle innovervendte enden (110) er smalere enn den radielle utovervendte enden (112).

11. Styrbar induktor (100) i samsvar med krav 7, videre omfattende et tynt isolasjonslag plassert mellom kantene hos de magnetiske rørelementene (101, 102) og endekoblerne (105, 106).

12. Styrbar induktor (100) i samsvar med krav 7, hvor et volum av de magnetiske endekoblerne (105, 106) er 10-20% av volumet til de magnetiske rørelementene (101, 102).

13. Styrbar induktor (100) i samsvar med krav 7, hvor et volum av de magnetiske endekoblerne (105, 106) er 25-50% av volumet til de magnetiske rørelementene (101, 102).

14. Styrbar induktor (100) i samsvar med krav 7, hvor den magnetiske feltretningen innført av den første viklingen (103) er en ringretning i forhold til aksen til minst ett av rørelementene (101, 102).

15. Styrbar induktor (100) i samsvar med krav 7, hvor den magnetiske feltretningen innført av den andre viklingen (104) er en parallell retning i forhold til aksen til minst ett av rørelementene (101, 102).