PL184069B1

PL184069B1 - Sposób obróbki cieplnej w polu magnetycznym elementu z miękkiego materiału magnetycznego

Info

Publication number: PL184069B1
Application number: PL98326622A
Authority: PL
Inventors: Georges Couderchon; Philippe Verin
Original assignee: Mecagis
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 2002-08-30
Also published as: JPH118110A; EP0883141B1; CZ165998A3; TR199801001A2; HUP9801275A3; RU2190023C2; SK67798A3; DE69814983D1; CN1201991A; FR2764430B1; PL326622A1; DE69814983T2; TR199801001A3; RO119574B1; AU733279B2; EP0883141A1; ATE241849T1; US5935346A; HUP9801275A2; AU6483698A

Abstract

1. Sposób obróbki cieplnej w polu magnetycz nym elementu z miekkiego materialu magnetyczne- go o niskiej anizotropii takiego jak, na przyklad, stop FeNiMo 15-80-5, stop na bazie Co amorficzne- go lub stop FeSiCuNbB nanokiystaliczny, zgodnie z którym przeprowadza sie wyzarzanie elementu ma- gnetycznego w temperaturze nizszej od punktu Cu- rie materialu magnetycznego, a podczas wyzarzania poddaje sie element magnetyczny wzdluznemu lub poprzecznemu, jednokierunkowemu, przemiennemu lub ciaglemu polu magnetycznemu, znamienny tym, ze przyklada sie pole magnetyczne w postaci szeregu przebiegów zabkowatych, z których kazdy zawiera pierwsza czesc, w czasie której natezenie pola magnetycznego osiaga wartosc maksymalna oraz druga czesc, w czasie której natezenie pola magnetycznego ma wartosc minimalna. PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej w polu magnetycznym elementu z miękkiego materiału magnetycznego, na przykład, rdzenia magnetycznego do wyłącznika różnicowego, wykonanego z miękkiego stopu magnetycznego takiego jak stop FeNiMo 1580-5, stop na bazie Co amorficznego lub stop FeSiCuNbB nanokrystaliczny.

Do zastosowań w elektrotechnice takich, jak transformatory pomiarowe lub zasilające stosuje się rdzenie magnetyczne wykonane z materiału magnetycznego wybranego ze wzglę184 069 du na swoje własności magnetyczne takie, jak przenikalność magnetyczna lub straty magnetyczne. Do tego rodzaju zastosowań postać pętli histerezy nie ma zasadniczego znaczenia. Natomiast, do licznych zastosowań przy obróbce sygnałów elektrycznych o małej amplitudzie, na przykład, wyłączników różnicowych, zasilania z odcinaniem lub transformatorów połączeń cyfrowych sieci telefonicznych, postać pętli histerezy nabiera istotnego znaczenia. Postać pętli histerezy charakteryzuje się zwłaszcza stosunkiem Br/Bm, to jest stosunkiem indukcji magnetycznej szczątkowej do indukcji maksymalnej. Wówczas, gdy stosunek B_r/B_mjest wyższy od około 0,9, pętla histerezy zwana jest prostokątną, a gdy stosunek Br/B_mjest niższy od około 0,5, pętla histerezy zwana jest płaską. Materiały z prostokątną pętlą histerezy stosowane są, na przykład, do wytwarzania rdzeni magnetycznych wzmacniaczy magnetycznych lub stopni regulacji zasilania z odcinaniem. Materiały z płaską pętlą histerezy stosowane są zwłaszcza do wytwarzania rdzeni magnetycznych wyłączników różnicowych, filtrów elektrycznych lub transformatorów odsprzężenia galwanicznego.

Do wytwarzania elementów magnetycznych z miękkich materiałów magnetycznych mających pętlę histerezy o dokładnym kształcie, prostokątnym lub płaskim, stosuje się miękkie stopy magnetyczne o niskiej anizotropii, których współczynniki anizotropii są niższe od 5000 ergów/cm³, a korzystnie niższe od 1000 ergów/cm³, takie jak stopy FeNiMo 15-80-5, stopy na bazie Co amorficznego lub stopy typu FeSiCuNbB nanokrystaliczne, i poddaje się te elementy magnetyczne wyżarzaniu w silnym polu magnetycznym. Wyżarzanie przeprowadzane jest w temperaturze niższej od temperatury Curie danego stopu. Pole magnetyczne jest wzdłużne, to jest równoległe do kierunku, w którym mierzy się własności magnetyczne wówczas, gdy pożądane jest otrzymanie prostokątnej pętli histerezy, oraz pole jest poprzeczne, to jest prostopadłe do kierunku, w którym mierzy się własności magnetyczne wówczas, gdy pożądane jest otrzymanie płaskiej pętli histerezy. Pole magnetyczne przykładane jest podczas całego okresu trwania obróbki, i jest ono stałe. Temperatura i czas trwania obróbki są tymi dwoma parametrami, które mają wpływ na wynik obróbki cieplnej. Obróbka cieplna wówczas, gdy jest długotrwała, to znaczy trwa od jednej do kilku godzin, umożliwia otrzymanie z dużą niezawodnością, albo prostokątnych pętli histerezy (Br/B_m > 0,9), albo bardzo płaskich pętli histerezy (B_r/B_m < 0,2). Jednak obróbki te nie umożliwiają otrzymania, z wystarczającą niezawodnością, pętli histerezy mającej kształt pośredni (0,3 < Br/Bm < 0,9), bardzo użyteczny w przypadku niektórych zastosowań. W rezultacie, aby otrzymać takie pętle histerezy konieczne jest przeprowadzenie wyżarzania krótkotrwałego, ale wtedy wyniki są zbyt niepewne, i to zarówno w zakresie kształtu pętli histerezy, jak i przenikalności magnetycznej, aby móc rozważać przemysłowe zastosowanie stopu. W rzeczywistości, należy mieć możliwość jednoczesnej kontroli obu tych parametrów.

Celem wynalazku jest uniknięcie tej niedogodności przez zapewnienie środków do otrzymywania, w sposób powtarzalny, elementów magnetycznych z miękkiego stopu magnetycznego mającego pośrednie pętle histerezy, czyli pomiędzy prostokątnymi pętlami histerezy i bardzo płaskimi pętlami histerezy, a więc charakteryzujące się stosunkiem Br/Bm zawartym w przedziale od 0,3 do 0,9.

Zgodnie z wynalazkiem sposób obróbki cieplnej w polu magnetycznym elementu z miękkiego materiału magnetycznego, o niskiej anizotropii takiego jak, na przykład, stop FeNiMo 15-80-5, stop na bazie Co amorficznego lub stop FeSiCuNbB nanokrystaliczny, według którego przeprowadza się wyżarzanie elementu magnetycznego w temperaturze niższej od punktu Curie materiału magnetycznego, a podczas wyżarzania poddaje się element magnetyczny wzdłużnemu lub poprzecznemu, jednokierunkowemu, przemiennemu lub ciągłemu polu magnetycznemu, charakteryzuje się tym, że przykłada się pole magnetyczne w postaci szeregu przebiegów ząbkowatych, z których każdy zawiera pierwszą część, w czasie której natężenie pola magnetycznego osiąga wartość maksymalną oraz drugą część, w czasie której natężenie pola magnetycznego ma wartość minimalną.

Korzystnie, dla co najmniej dwóch kolejnych przebiegów ząbkowatych natężenia maksymalne pola magnetycznego są zasadniczo równe sobie.

Korzystnie, dla co najmniej dwóch kolejnych przebiegów ząbkowatych natężenia maksymalne pola magnetycznego są zasadniczo różne od siebie.

184 069

Korzystnie, natężenie maksymalne pola magnetycznego drugiego przebiegu ząbkowatego jest mniejsze od natężenia maksymalnego pola magnetycznego pierwszego przebiegu ząbkowatego.

Korzystnie, dla każdej pary dwóch kolejnych przebiegów ząbkowatych natężenie maksymalne pola magnetycznego drugiego przebiegu ząbkowatego jest mniejsze od natężenia maksymalnego pola magnetycznego pierwszego przebiegu ząbkowatego.

Korzystnie, natężenie maksymalne pola magnetycznego ostatniego przebiegu ząbkowatego jest mniejsze o 25% od natężenia maksymalnego pola magnetycznego pierwszego przebiegu ząbkowatego.

Korzystnie, dla co najmniej jednego przebiegu ząbkowatego natężenie minimalne pola magnetycznego jest niższe o 10% od natężenia maksymalnego osiągniętego przez pole magnetyczne podczas obróbki.

Korzystnie, co najmniej jeden przebieg ząbkowaty ma całkowity czas trwania krótszy od 30 minut, a natężenie minimalne pola magnetycznego dla każdego przebiegu ząbkowatego jest zerowe.

Korzystnie, dla co najmniej jednego przebiegu ząbkowatego, którego całkowity czas trwania jest krótszy od 30 minut, czas trwania części, podczas której pole magnetyczne ma natężenie maksymalne, jest krótszy od 15 minut.

Korzystnie, obróbkę cieplną prowadzi się w czasie całkowitym dłuższym niż 10 minut.

Przedmiot wynalazku opisany jest szczegółowo w nawiązaniu do rysunku, który przedstawia zmianę, w funkcji czasu (t), temperatury (θ) i natężenia pola magnetycznego (H) podczas obróbki cieplnej elementu magnetycznego z miękkiego stopu magnetycznego. Wynalazek zostanie zilustrowany też przykładami realizacji sposobu według wynalazku w odniesieniu do wykonania rdzeni magnetycznych z miękkiego stopu magnetycznego.

Obróbka cieplna według wynalazku, którą stosuje się do wszystkich elementów magnetycznych z miękkiego stopu magnetycznego mającego bardzo niską anizotropię, polega na wyżarzaniu w polu magnetycznym w temperaturze niższej od punktu Curie miękkiego stopu magnetycznego, przy czym pole magnetyczne przykładane jest w sposób nieciągły. Tego rodzaju obróbka cieplna w polu magnetycznym, prowadzona jest w znanym piecu do obróbki cieplnej w polu magnetycznym jednokierunkowym. Jeśli, na przykład, element magnetyczny jest toroidalnym rdzeniem magnetycznym wykonanym z taśmy z miękkiego stopu magnetycznego nawiniętej w sposób tworzący toroid o przekroju prostokątnym, to pole magnetyczne wywoływane jest albo przez przewód elektryczny, przez który przepływa stały lub zmienny prąd elektryczny, i na którym nawinięty jest ten toroid, albo też przez cewkę, której oś jest równoległa do osi obrotu toroidu, i która otacza ten toroid. W pierwszym przypadku, pole magnetyczne jest wzdłużne, to jest równoległe do osi wzdłużnej taśmy z miękkiego stopu magnetycznego. W drugim przypadku, pole magnetyczne jest poprzeczne, a więc równoległe do powierzchni taśmy, ale prostopadłe do osi wzdłużnej tego pola.

Temperatura wyżarzania powinna korzystnie być o 0,5 razy wyższa od temperatury Curie wyrażonej w stopniach Celsjusza.

Przebieg obróbki cieplnej przedstawiony na rysunku obejmuje:

- dla temperatury, wygrzewanie w temperaturze obróbki θ, niższej od punktu Curie θ,;, między chwilami te początku obróbki i fi końca obróbki,

- dla pola magnetycznego, kolejne przebiegi ząbkowate Ci, C2, C3 i C4.

Każdy przebieg ząbkowaty zawiera pierwszą część czasu trwania At, to jest Ati dla Ci, At2 dla C2, At3 dla C3, AU dla C4, podczas której natężenie pola magnetycznego ma wartość maksymalną Hmax, przy czym Hmaxi dla Ci, Hmax2 dla C2, Hmax3 dla C3, i Hmax4 dla C4, oraz drugą część czasu trwania At, to jest At'i i dla Ci, At*2 dla C2, At'3 dla C3, i At'4 dla C4, podczas której natężenie pola magnetycznego ma wartość minimalną Hmin, to jest Hmini dla Ci, Hmin2 dla C2, Hmin3 dla C3 i Hmin dla C4.

Wówczas, gdy pole magnetyczne jest ciągłe, Hmax przedstawia natężenie pola magnetycznego, a gdy pole magnetyczne jest zmienne, Hmax przedstawia natężenie o wartości szczytowej pola magnetycznego, czyli maksymalne natężenie osiągane przy każdym półokresie zmienności.

184 069

Przedstawione przebiegi ząbkowate są trapezowe, ale mogą one mieć kształt, na przykład, prostokątny lub trójkątny, przy czym natężenie pola magnetycznego zmniejsza się regularnie na części przebiegu ząbkowatego odpowiadającej silnemu polu magnetycznemu.

W przedstawionym przykładzie, wartości maksymalne natężenia pola magnetycznego Hmax1 i Hmax2, odpowiadające dwóm kolejnym przebiegom ząbkowatym C1 i C2, są równe sobie. Natomiast, Hmax3 jest mniejsze niż Hmax2 i wyższe niż Hmax4. W rzeczywistości, zmiana kolejnych wartości maksymalnych pola magnetycznego może być dowolnie dobrana. W szczególności, te kolejne wartości natężenia mogą zmniejszać się w czasie całej obróbki, poczynając od wartości umożliwiającej nasycenie rdzeni podczas obróbki, przy czym wartości te zależą nie tylko od rodzaju materiału, z którego wykonane są rdzenie, ale również od ich wymiarów, aby osiągnąć przy końcu obróbki, wartość niższą o 25% od wartości początkowej.

Wartości minimalne natężenia pola magnetycznego Hmin są na ogół w przybliżeniu zerowe, i zawsze powinny zostać niższe o 10% od wartości maksymalnej osiągniętej przez pole magnetyczne podczas obróbki.

Na ogół, wartości At są rzędu 5 minut, a korzystnie powinny pozostać niższe od 15 minut. Te wartości nie muszą być równe we wszystkich przebiegach ząbkowatych. Wartość At jest na ogół rzędu 5 minut, a korzystnie powinna być mniejsza od 30 minut.

Liczba przebiegów ząbkowatych może być dowolnie wybrana w zależności od wyników jakie się chce uzyskać, i również w zależności od całkowitego czasu trwania obróbki, który korzystnie jest dłuższy od 10 minut i może trwać wiele godzin. W każdym przypadku jednak, liczba przebiegów ząbkowatych powinna być większa od 2.

W niektórych przypadkach jedne przebiegi ząbkowate są w polu wzdłużnym, pozostałe zaś są w polu poprzecznym.

Tytułem przykładu, z taśmy ze stopu Fe^Sin.sNbaCuiBs wytworzono rdzenie magnetyczne o kształcie toroidów o średnicy zewnętrznej 26 mm, średnicy wewnętrznej 16 mm i grubości 10 mm. Rdzenie magnetyczne poddane zostały najpierw obróbce przez wygrzewanie w temperaturze 530°C w czasie 1 godziny, dla nadania im struktury nanokrystalicznej, a następnie poddano je różnym operacjom wyżarzania w polu magnetycznym zgodnie z wynalazkiem. Różne obróbki różniły się temperaturą wygrzewania, stosunkiem czasu wygrzewania, podczas którego przyłożone zostało pole magnetyczne, i kierunkiem pola magnetycznego. W każdym przypadku, czas wygrzewania wynosił 1 godzinę, pole magnetyczne przyłożone było w postaci prostokątnych przebiegów ząbkowatych, w których natężenie maksymalne pola magnetycznego było wystarczające, aby nasycić rdzenie w czasie kilku minut. Otrzymane kształty pętli histerezy charakteryzujące się stosunkiem Br/B_m ujęto w tabeli.

	Pole magnetyczne poprzeczne	Pole magnetyczne podłużne
Temperatura	25% czasu	95% czasu	25% czasu	95% czasu
250°C	0,55	0,35	0,65	0,75
300°C	0,40	0,25	0,70	0,80
350°C	0,25	0,15	0,80	0,85
400°C	0,15	0,05	0,85	0,95

Z powyższego zestawienia widać, na przykład, że dla obróbki w polu magnetycznym poprzecznym przyłożonym podczas 25% czasu i w temperaturze wyżarzania 250°C, stosunek Br/Bm wyniósł 0,35. W rzeczywistości wartości te były otrzymane z dokładnością +/- 0,02. Ponadto, maksymalna przenikalność magnetyczna przy 50 Hz była systematycznie wyższa o co najmniej 25% od maksymalnej przenikalności magnetycznej przy 50 Hz otrzymanej w wyniku obróbki cieplnej prowadzonej w ciągłym polu magnetycznym, zgodnie ze stanem techniki.

184 069

Dokładniej mówiąc, przy wyżarzaniu w temperaturze 400°C w polu magnetycznym poprzecznym przyłożonym w postaci przebiegów ząbkowatych, gdzie silne pole przyłożone jest podczas 25% czasu wygrzewania w tej temperaturze, otrzymano stosunek Br/B_m w zakresie od 0,08 do 0,12 i przenikalność magnetyczną p_max o impedancji przy 50 Hz zawartą pomiędzy 180 000 i 220 000.

Tytułem porównania, przeprowadzono szereg obróbek cieplnych w polu magnetycznym zgodnie ze stanem techniki, w czasie których pole magnetyczne utrzymane było jako stałe podczas całego okresu wygrzewania. Te obróbki polegały na wyżarzaniu w temperaturze 350°C w polu prostopadłym. Prowadziły one do uzyskania wartości B_r/B_m w zakresie od 0,12 do 0,31, z rozrzutem pięć razy większym niż w przykładzie poprzednim. Przenikalność μ™* była zawarta pomiędzy 180 000 i 220 000.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób obróbki cieplnej w polu magnetycznym elementu z miękkiego materiału magnetycznego o niskiej anizotropii takiego jak, na przykład, stop FeNiMo 15-80-5, stop na bazie Co amorficznego lub stop FeSiCuNbB nanokrystaliczny, zgodnie z którym przeprowadza się Wyżarzanie elementu magnetycznego w temperaturze niższej od punktu Curie materiału magnetycznego, a podczas wyżarzania poddaje się element magnetyczny wzdłużnemu lub poprzecznemu, jednokierunkowemu, przemiennemu lub ciągłemu polu magnetycznemu, znamienny tym, że przykłada się pole magnetyczne w postaci szeregu przebiegów ząbkowatych, z których każdy zawiera pierwszą część, w czasie której natężenie pola magnetycznego osiąga wartość maksymalną oraz drugą część, w czasie której natężenie pola magnetycznego ma wartość minimalną.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla co najmniej dwóch kolejnych przebiegów ząbkowatych natężenia maksymalne pola magnetycznego są zasadniczo równe sobie.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla co najmniej dwóch kolejnych przebiegów ząbkowatych natężenia maksymalne pola magnetycznego są zasadniczo różne od siebie.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że natężenie maksymalne pola magnetycznego drugiego przebiegu ząbkowatego jest mniejsze od natężenia maksymalnego pola magnetycznego pierwszego-przebiegu ząbkowatego.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że dla każdej pary dwóch kolejnych przebiegów ząbkowatych natężenie maksymalne pola magnetycznego drugiego przebiegu ząbkowatego, jest mniejsze od natężenia maksymalnego pola magnetycznego pierwszego przebiegu ząbkowatego.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że natężenie maksymalne pola magnetycznego ostatniego przebiegu ząbkowatego jest mniejsze o 25% od natężenia maksymalnego pola magnetycznego pierwszego przebiegu ząbkowatego.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że dla co najmniej jednego przebiegu ząbkowatego natężenie minimalne pola magnetycznego jest niższe o 10%o od natężenia maksymalnego osiągniętego przez pole magnetyczne podczas obróbki.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że co najmniej jeden przebieg ząbkowaty ma całkowity czas trwania krótszy od 30 minut, a natężenie minimalne pola magnetycznego dla każdego przebiegu ząbkowatego jest zerowe.
9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że dla co najmniej jednego przebiegu ząbkowatego, którego całkowity czas trwania jest krótszy od 30 minut, czas trwania części, podczas której pole magnetyczne ma natężenie maksymalne, jest krótszy od 15 minut.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że obróbkę cieplną prowadzi się w czasie całkowitym dłuższym niż 10 minut.