WO2018029385A1 - Método de fabricación continua de hilos magnéticos para constituir núcleos inductores e hilos obtenidos por dicho método - Google Patents

Método de fabricación continua de hilos magnéticos para constituir núcleos inductores e hilos obtenidos por dicho método Download PDF

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties

Definitions

  • the present invention is within the scope of manufacturing magnetic wires for the manufacture of inductor cores.
  • the most used magnetic materials are:
  • Iron-Silica sheet (electric steel). It does not work at high frequencies, it has limitations in the hysteresis cycle and its eddy currents are high. It is a good subject! to generate induction, but it has limits for losses and frequency.
  • the material conditions the hysteresis cycle (The ferrous materials are Fe, Ni and Co). It works with very thin plates to have few eddy currents and few losses (getting little thickness in the sheets is expensive). There must be a Si content (eg 3%).
  • Ferrite it is iron powder or alpha iron). It works at high frequencies and has low permeability and therefore low induction. It virtually eliminates eddy currents.
  • amorphous cores which Hitachi has more than 50 patents related to the amorphous core used inside a transformer.
  • the amorphous metal is a vitreous material (they are not crystalline) obtained by very fast solidification, depositions, alloys, etc. Their best property is that they soften and flow with the heat that facilitates injection molding. They are expensive alloys, specifically the amorphous core of the transformers competes with the Fe-Si, but it is more expensive, makes more noise and has lower losses due to hysteresis and Foucauit.
  • inductor cores in particular, the costs of obtaining, particularly with respect to the amorphous core, while enabling work at frequencies higher than Fe -Yes, generating more induction than Ferrite, developing a method of manufacturing magnetic threads and the yarn obtained by said tai method and as described below and is collected in its essentiality in the first claim.
  • the object of the present invention is a method for the manufacture of filar or wire-shaped structures with a magnetic material core (or non-magnetic material core), subjected to wire drawing processes and to different phases of thermomagnetic treatments.
  • the wire drawing itself consists in the drawing of a cold wire, by successive passages through rows, dies or tungsten carbide rails whose diameter is gradually smaller. This decrease in section gives the material a certain sharpness for the benefit of its mechanical characteristics.
  • the advantages of the cold forming of the cold forming are the following: good surface quality, dimensional accuracy, increased strength and hardness, and of course the possibility of producing very thin sections.
  • the stages of the continuous manufacturing process of magnetic wires are as follows:
  • the previous wire is subjected to a process of deposition of a layer of pure iron.
  • the hysteresis cycle is achieved to be very narrow, a fact that is especially beneficial for motors and transformers.
  • Induction is generated through a coil or permanent magnet and the wire is subjected to a magnetic field. This re-orders the magnetic domains.
  • the wire is wound in a refractory spool, that is, the material is collected and placed in a medium / low temperature oven (approx. 400 ° C).
  • the acidity of the material is released by improving the hysteresis cycle.
  • the wire is subjected to a pickling and cleaning process in a vat.
  • a pickling and cleaning process in a vat.
  • - Enameled and dried which can be continuous or with a 90 ° turn and dried up (so that the enamel drips) being completed with some infrared. This isolation minimizes losses from stray currents.
  • the wire Before the enamelling and drying, the wire can be subjected to a nickel plating process after the pickling and cleaning process in Cuba, an optional and complementary stage that consists in the deposition of a nickel layer that allows the material to be used in high frequency applications , and therefore a reduction in cost and weight.
  • the process provides different qualities of the material depending on the times invested in each part. Thus a product table can be achieved according to requirements.
  • the thread obtained by the above procedure has, therefore, with the following characteristics, on the one hand, a core or core of steel, a next layer of pure Iron, surrounded by a thin layer of Iron-Niique! and covered by an insulating layer of varnish.
  • the use of the magnetic wire obtained is in a first embodiment for the creation of a toroid or conglomerates where a primary and / or a secondary can be wound. These applications are very easy to create and can be cut tai and as is done with iron-silica sheets and thus obtain an air gap. Of special application in 50 Hz transformers A second embodiment will be to obtain a material but work at High Frecuency (high frequency). For this, the thread already treated is taken and a small layer of Nickel is added. This entails important advantages for the use of transformers together with the transmission of data.
  • the magnetic wire of the invention is enameled and varnished during the drawing process, obtaining a more effective and cheap insulator.
  • the magnetic wire so defined is used in transformers that work at 50 Hz.
  • the layer of Pure Iron (2) that covers the core or core (1) and the insulating layer there is a layer of Iron-Nickel (3), which in a possible embodiment can be ⁇ 0.04 mm
  • the magnetic wire is used in transformers that work at high frequency.
  • the Figure shows the steps that comprise the process of manufacturing magnetic wires, which are:
  • the wire after the stretching annealing and before the enamelling and drying (10) to a nickel plating process, which consists in the deposition of a layer of Nickel that allows the use of the material in applications high frequency, and therefore a reduction in cost and weight.

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Abstract

Método que busca conseguir un hilo magnético que permita trabajar a más alta frecuencia que el Hierro-Silicio y generar más inducción que la Ferrita, siendo de costes bajos, comprende las etapas de: -deposición (5) de una capa de hierro puro en la parte exterior del hilo -Trefilado en frío (6) para reducir el diámetro y orientar la veta. -Polarización magnética (7) -Recocido distensionador (8) bobinando el hilo en un carrete refractario (11), -decapado y limpieza (9) en una cuba. -Esmaltado y secado (10), Adicionalmente se le puede someter al hilo tras el recocido distensionador y antes del esmaltado y secado (10) a un proceso de niquelado. El hilo obtenido por el método anterior comprende: un núcleo o alma (1) de acero, una capa de Hierro puro (2) que recubre el núcleo o alma (1) y una capa aislante (4), pudiéndose disponer entre la capa de Hierro puro (2) y la capa aislante una capa de Hierro-Níquel (3),

Description

MÉTODO DE FABRICACIÓN CONTINUA DE HILOS MAGNÉTICOS PARA CONSTITUIR NÚCLEOS INDUCTORES E HILOS OBTENIDOS POR DICHO MÉTODO
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece, un método de fabricación continuo de hilos magnéticos para constituir núcleos inductores. También es objeto de la presente invención los hilos obtenidos por el método de fabricación. Caracteriza a la presente invención las especiales características que forman parte del método de fabricación de hilos magnéticos que permiten la obtención de hilos que posibilitan constituir núcleos magnéticos que son más baratos de fabricar, pueden trabajar a frecuencias más altas que el Fe-Si y generan más inducción que la Ferrita.
Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de fabricación de hilos magnéticos para la fabricación de núcleos inductores.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad existen diversos materiales magnéticos para constituir núcleos magnéticos.
Los materiales magnéticos más empleados son:
a) Chapa de Hierro-Sílice (acero eléctrico). No trabaja en altas frecuencias, tiene limitaciones en el ciclo de histéresis y sus corrientes de Foucault son altas. Es un buen materia! para generar inducción, pero tiene límites por pérdidas y frecuencia. El material condiciona el ciclo de histéresis (los material férricos son Fe, Ni y Co). Se trabaja con chapas muy finas para tener pocas corrientes de Foucauit y pocas pérdidas (obtener poco espesor en las chapas es costoso). Tiene que haber un contenido de Si (p.e. un 3%). b) Ferrita (es polvo de hierro o hierro alfa). Trabaja a altas frecuencias y tiene baja permeabilidad y por consiguiente baja inducción. Elimina prácticamente las corrientes de Foucauit. Por eilo, ios aparatos y máquinas eléctricas empleadas en ia actualidad se centran en el material Hierro-Sílice. De hecho, la mayoría de ios transformadores utilizan chapas de hierro Sílice apiladas para completar un núcleo. La necesidad y conveniencia de reducir las pérdidas en ios núcleos, sometidos a regímenes de alta inducción y frecuencia, requirió la reducción del espesor de las láminas empleadas en ios núcleos, sin por ello mermar la alta permeabilidad necesaria para confinar y conducir el flujo, evitando las fugas magnéticas y reduciendo la excitación en ios circuitos magnéticos. Esto se logra con grandes dificultades metalúrgicas que surgen al reducir el espesor y la dureza natural de aleaciones tan agrias como la de Hierro Sílice.
Otra forma de realización es mediante el empleo de ios denominados núcleos amorfos„ en ios que Hitachi dispone de más de 50 patentes relacionadas con el núcleo amorfo utilizado en el interior de un transformador. Ei metal amorfo es un materias vitreo (no son cristalinos) obtenido mediante solidificación muy rápida, deposiciones, aleaciones, etc. Su mejor propiedad es que se ablandan y fluyen con el calor io que facilita su moldeo por inyección. Son aleaciones caras, en concreto el núcleo amorfo de los transformadores compite con ei Fe- Si, pero es más caro, hace más ruido y tiene menores pérdidas por histéresis y Foucauit.
Por otra parte, el empleo de hilos magnéticos en la constitución de núcleos para trabajar a altas frecuencias ya se empleó hace casi un siglo para conformar los núcleos abiertos de los transformadores telefónicos, las bobinas de absorción para cables submarinos telegráficos e incluso en los transformadores torales para la modulación fónica de las grandes emisoras de radio. Si bien, aquellos desarrollos no contaban con las actuales aleaciones metálicas y sus distintos tratamientos, lo que hace que aquellos obsoletos núcleos nada tengan que ver con la subdivisión filar ejercida en el nuevo material objeto de la invención.
Por lo tanto, es objeto de la presente invención, superar los inconvenientes apuntados para la fabricación de núcleos inductores, en concreto, los costes de obtención, particularmente con respecto al núcleo amorfo, posibilitando a la vez poder trabajar a frecuencias más altas que el Fe-Si, generando más inducción que la Ferrita, desarrollando un método de fabricación de hilos magnéticos y el hilo obtenido de por dicho método tai y como a continuación se describe y queda recogido en su esencialidad en la reivindicación primera.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención un método para la fabricación de estructuras filares o en forma de hilo con alma de material magnético (o alma de material no magnético), sometidas a procesos de trefilado y a distintas fases de tratamientos termomagnéticos.
En vez de utilizar un proceso de laminación para la obtención de materiales magnéticos que posteriormente se usan en ios diversos aparatos y máquinas eléctricas, se desarrolla y utiliza un material trefilado y tratado en su superficie. El trefilado propiamente dicho consiste en el estirado de un alambre en frío, por pasos sucesivos a través de hileras, dados o trefilas de carburo de tungsteno cuyo diámetro es paulatinamente menor. Esta disminución de sección da al material una cierta acritud en beneficio de sus características mecánicas. Las ventajas que aporta ei trefilado propias dei conformado en frío son las siguientes: buena calidad superficial, precisión dimensional, aumento de resistencia y dureza, y por supuesto la posibilidad de producir secciones muy finas.
Las etapas del proceso de fabricación continua de hilos magnéticos son las siguientes:
- Deposición de una capa de hierro puro en la parte exterior del hilo de hierro al Carbono, para eiio se debe proceder a:
o descarburar, es decir, quitar el carbono al hilo de Hierro al Carbono.
o A continuación, se somete ai hilo anterior a un proceso de deposición de una capa de Hierro puro. Ai lograr un hilo con el 20% de su espesor exterior de Hierro puro respecto del espesor total, se logra que ei ciclo de histéresis sea muy estrecho, hecho que es especialmente beneficioso para motores y transformadores.
- Trefilado en frío, con lo que se busca reducir el diámetro y orientar la veta. Durante ei trefilado ios cristales (la veta) se orientan le proporcionar una cierta acritud.
- Polarización magnética. A través de una bobina o un imán permanente se genera una inducción y se somete al hilo a un campo magnético. Con ello se re-ordena los dominios magnéticos.
- Recocido distensionador. Se bobina el hilo en un carrete refractario, es decir, se recoge el material y se mete en un horno de media/baja temperatura (aprox. 400 °C). Se libera la acritud del material mejorando el ciclo de histéresis.
- Se somete al hilo a un proceso de decapado y limpieza en una cuba. - Esmaltado y secado, que puede ser en continuo o con un giro de 90° y secado hacia arriba (para que gotee el esmalte) completándose con unos infrarrojos. Esta aislación minimiza las pérdidas por corrientes parásitas.
Antes del esmaltado y secado se puede someter al hilo tras el proceso de decapado y limpieza en cuba a un proceso de niquelado, etapa opcional y complementaria que consiste en la deposición de una capa de Níquel que permite el empleo del material en aplicaciones de alta frecuencia, y por consiguiente una reducción de costo y peso. El proceso proporciona diferentes calidades del material en función de los tiempos invertidos en cada parte. Así puede lograrse una tabla de productos según requerimientos.
Se utilizan para construir todo tipo de aparatos y máquinas eléctricas que requieren producción magnética como transformadores, motores, antenas relés.
El hilo obtenido por el procedimiento anterior cuenta, por lo tanto, con las siguientes características, por un lado, un núcleo o alma de acero, una capa siguiente de Hierro puro, rodeada de una capa fina de Hierro-Niique! y cubierta por una capa aislante de barniz.
El uso del hilo magnético obtenido es en una primera realización para la creación de un toroide o conglomerados en donde se pueda devanar un primario y/o un secundario. Estas aplicaciones son muy fáciles de crear y se pueden cortar tai y como se hace con las chapas de hierro-sílice y así obtener un entrehierro. De especial aplicación en transformadores de 50 Hz Una segunda realización será la obtención de un material pero que trabaje a High Frecuency (alta frecuencia). Para ello se toma el hilo ya tratado y se le añade una pequeña capa de Níquel. Esto comporta unas importantes ventajas para la utilización de transformadores junto con la transmisión de datos. Dado que todos los materiales magnéticos deben aislarse, en el caso del Fe-Si (con el que más claramente compite este nuevo material) debe aislarse para reducir sus pérdidas bien cristalizando, bien dejando oxidarse entre piezas, insertando papel etc. Además el aislante hay que aplicarlo sobre las dos caras de la pieza. El hilo magnético de la invención se esmalta y barniza durante el proceso de trefilado, obteniendo una aislante más efectivo y barato.
También reduce el tamaño gracias a su geometría con lo que se dan muy bajas pérdidas por histéresis como por corrientes de Foucault y se aumenta la permeabilidad incrementando ampliamente la la eficiencia del material (es capaz de trabajar tanto a 0Hz como a frecuencias superiores a los 15 KHz sin generar las pérdidas que se generan de hoy en día).
Para evitar estos problemas, surge esta nueva forma de constituir núcleos ferromagnéticos con estructuras filares.
Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.
A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. EXPLICACION DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.
En la figura 1 , podemos observar una representación de la sección de un hilo magnético obtenido por el procedimiento objeto de la invención.
En la figura 2, podemos observar una representación simplificada de las etapas del proceso de fabricación. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.
A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta. En la figura 1 podemos observar que la sección del hilo magnético obtenido por el procedimiento anterior comprende:
- Un núcleo o alma (1 ) de acero
- Una capa de Hierro puro (2) que recubre el núcleo o alma (1 )
- una capa aislante (4) realizada mediante una barniz.
El hilo magnético así definido se utiliza en los transformadores que trabajan a 50 Hz.
De manera opcional y complementaria, entre la capa de Hierro puro (2) que recubre el núcleo o alma (1 ) y la capa aislante se dispone una capa de Hierro- Níquel (3), que en un posible forma de realización puede ser <0,04 mm. En este caso el hilo magnético se utiliza en los transformadores que trabajan a alta frecuencia.
En la Figura se muestran las etapas que comprende el proceso de fabricación de hilos magnéticos, que son:
- Deposición (5) de una capa de hierro puro en la parte exterior del hilo de hierro ai Carbono, para elio se debe proceder a descarburar, es decir, quitar el carbono ai hilo de Hierro ai Carbono y a continuación a la deposición de una capa de Hierro puro, consiguiendo un hiio que tiene el 20% de su espesor exterior de Hierro puro.
- Trefilado en frío (8) para reducir ei diámetro y orientar ia veta.
- Polarización magnética (7)
- Recocido distensionador (8) bobinando el hilo en un carrete refractario (1 1 ), es decir, se recoge el material y se mete en un horno de media/baja temperatura (aprox. 400 °C).
- decapado y limpieza (9) en una cuba.
- Esmaltado y secado (10), que puede ser en continuo o con un giro de 90° y secado hacia arriba (para que gotee el esmalte) completándose con unos infrarrojos. Esta aislación minimiza las pérdidas por corrientes parásitas.
Adicionalmente, y de forma complementaria, se le puede someter al hilo tras el recocido distensionador y antes del esmaltado y secado (10) a un proceso de niquelado, que consiste en la deposición de una capa de Níquel que permite el empleo del material en aplicaciones de alta frecuencia, y por consiguiente una reducción de costo y peso.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . - Método de fabricación continua de hilos magnético para núcleos inductores caracterizado por que comprende las etapas de:
- Deposición (5) de una capa de hierro puro en la parte exterior del hito de hierro al Carbono, para ello se debe proceder a:
o Descarburar o quitar el carbono al hilo de Hierro al Carbono.
o A continuación, se somete al hilo anterior a un proceso de deposición de una capa de Hierro puro.
- Trefilado en frío (6), con lo que se busca reducir el diámetro y orientar la veta. Durante el trefilado tos cristales (la veía) se orientan le proporcionar una cierta acritud.
- Polarización magnética (7) a través de una bobina o un imán permanente se genera una inducción y se somete al hilo a un campo magnético. Con ello se re-ordena los dominios magnéticos.
- Recocido disíensionador (8).
- Se somete al hilo a un proceso de decapado y limpieza (9) en una cuba. - Esmaltado y secado (10),
Antes del esmaltado y secado se puede someter al hilo tras el proceso de decapado y limpieza en cuba a un proceso de niquelado, etapa opcional y complementaria que consiste en la deposición de una capa de Níquel que permite el empleo del material en aplicaciones de alta frecuencia, y por consiguiente una reducción de costo y peso.
2. - Método de fabricación continua de hilos magnético para núcleos inductores, según la reivindicación 1 , caracterizado por que la capa de Hierro puro representa un 20% del espesor total.
3. - Método de fabricación continua de hilos magnético para núcleos inductores, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que para la etapa de recocido distensionador (8) se bobina el hilo en un carrete refractario y se mete en un horno de media/baja temperatura (aprox. 4009C).
4. - Método de fabricación continua de hilos magnético para núcleos inductores, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la etapa de esmaltado o secado es en continuo o con un giro de 90° y secado hacia arriba (para que gotee el esmalte) completándose con unos infrarrojos.
5. - Hilo magnético obtenido según el método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4 caracterizado porque comprende:
- Un núcleo o alma (1 ) de acero
- Una capa de Hierro puro (2) que recubre el núcleo o alma (1 )
- una capa aislante (4) realizada mediante una barniz.
6. - Hilo magnético según la reivindicación 5, caracterizado por que entre la capa de Hierro puro (2) que recubre el núcleo o alma (1 ) y la capa aislante se dispone una capa de Hierro- Níquel (3),
7. - Hilo magnético según la reivindicación 5, caracterizado por que la capa de Níquel es <0,04 mm.
8. - Hilo magnético según cualquiera de las reivindicaciones de anteriores, caracterizado por que la capa de Hierro puro representa un 20% del espesor total.
9. - Uso del hilo magnético según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8 caracterizado por que se utiliza en los transformadores que trabajan a 50 Hz.
10.- Uso del hilo magnético según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8 caracterizado por que se utiliza en los transformadores que trabajan a alta frecuencia.
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