NL8602302A

NL8602302A - Inductieve inrichting met een kern van amorf materiaal.

Info

Publication number: NL8602302A
Application number: NL8602302A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1986-09-12
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1988-04-05
Also published as: EP0259931A1; JPS6370507A; US4794360A

Description

PHN 11.864 1 4 h N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Inductieve inrichting met een kern van amorf materiaal.

De uitvinding heeft betrekking op een inductieve inrichting bevattende een ferromagnetische kern die twee ongeveer Ονο rmige kerndelen bevat, welke met hun benen naar elkaar toegekeerd aan elkaar bevestigd zijn zodat zij een kernvenster omsluiten en elk 5 waarvan in hoofdzaak is opgebouwd uit een pakket van onderling evenwijdige stroken amorf ferromagnetisch materiaal.

Een kern voor een dergelijke inrichting is bekend uit bijvoorbeeld JP-A- 58-148 418 (zie Patent Abstracts of Japan, vol. 7, no. 267, p 2E213). Zulke kernen staan ook wel bekend als "CM of "ü" 10 kernen. Zij kunnen bijvoorbeeld gevormd worden door een lint van amorf ferromagnetisch materiaal (bijvoorbeeld een van de in DE-A- 2 546 676 beschreven materialen) om een wikkeldoorn te wikkelen tot het gewenste aantal windingen bereikt is, waarna de kern gegloeid en met een binder (bijvoorbeeld een geschikte kunststof) geïmpregneerd wordt.

15 Vervolgens wordt de kern, bijvoorbeeld met een slijpgereedschap, in twee C- of Ü-vormige delen gedeeld. Deze delen worden dan met hun benen naar elkaar toegekeerd aan elkaar bevestigd.

Het is nu gebleken, dat bij zulke kernen de effectieve magnetische permeabiliteit afhankelijk is van de temperatuur. De 20 uitvinding heeft tot doel, een inductieve inrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarvan de kern zodanig verbeterd is, dat de effectieve magnetische permeabiliteit aanzienlijk minder afhankelijk is van de temperatuur dan bij de bekende kernen.

De inrichting volgens de uitvinding heeft daartoe het 25 kenmerk, dat tussen de vrije uiteinden van elk paar naar elkaar toegekeerde benen een uit vast, niet-ferromagnetisch materiaal bestaand vulstuk is geplaatst, dat zich in de ruimte tussen de uiteinden vanaf het kernvenster naar buiten toe over ten hoogste de helft van de breedte van de benen uitstrekt.

30 De uitvinding berust op het inzicht, dat bij geïmpregneerde kernen van amorf ferromagnetisch materiaal twee thermische effekten optreden, die veroorzaakt worden door het verschil 86 G 2 30 £ * 4 PHN 11.864 2 in uitzetting van het metaallint en de binder. Het eerste effekt is het ontstaan van temperatuurafhankelijke mechanische spanningen in het lint, die de materiaaleigenschappen, waaronder de magnetische permeabiliteit, beïnvloeden. Het tweede effekt is een temperatuurafhankeli jke 5 vormverandering van de kern als gevolg van deze spanningen. Door deze vormverandering ontstaan ter plaatse, waar de benen van de beide kerndelen elkaar raken, variabele luchtspleten. Dank zij de maatregelen volgens de uitvinding hebben deze beide effekten een tegengestelde uitwerking op de effektieve magnetische permeabiliteit : een verlaging 10 van de permeabiliteit van het materiaal gaat gepaard met een verkleining van de luchtspleet, waardoor de effektieve permeabiliteit in een bepaald temperatuurgebied niet of slechts zeer weinig verandert.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin is : 15 Fig. 1 een grafiek die de magnetisatie-krommen van een geïmpregneerde, niet gedeelde, uit lintvormig amorf materiaal gewikkelde kern bij verschillende temperaturen weergeeft,

Fig. 2 een grafische weergave van het verloop van de magnetische permeabiliteit van het materiaal van een dergelijke kern als 20 functie van de temperatuur,

Fig. 3 een schematisch zijaanzich van een uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding,

Fig. 4 een zijaanzicht op vergrote schaal van de kern van de in fig. 3 afgeheelde inrichting ter verklaring van de werking, en 25 Fig. 5 een grafische weergave van het verloop van de effektieve magnetische permeabiliteit van de kern van de in fig. 3 afgeheelde inrichting als functie van de temperatuur.

In figuur 1 is de magnetische inductie B weergegeven als functie van de magnetische veldsterkte H voor een uit lintvormig amorf 30 ferromagnetisch materiaal gewikkelde, met een binder geïmpregneerde kern die nog niet in twee delen verdeeld is, bijvoorbeeld een kern zoals beschreven is in het reeds genoemde document JP-A- 58-148 418 of in de oudere Nederlandse octrooiaanvrage nr. 8500338 (PHN 11.269). Het betreft hier een kern die gewikkeld is van materiaal met typenummer 35 122-C van de firma AKZO en na het wikkelen gedurende 210 minuten op een temperatuur van 430°C in stikstof gegloeid is. Vervolgens is de kern geïmpregneerd met een binder met typenummer Cy220/Hy227 van de firma 8602302 ► PHN 11.864 3

Ciba-Geigy, welke uitgehard is bij een temperatuur van 150°C. Het materiaal van de kern blijkt dan spanningsarm te zijn bij een temperatuur van ongeveer 142°C. Het verschil tussen de spanningsarme temperatuur en de uithardingstemperatuur moet vermoedelijk worden 5 toegeschreven aan het krimpen van de binder tijdens het uitharden.

Kromme 1 in figuur 1 geeft het verloop van de inductie als functie van de veldsterkte weer bij de spanningsarme temperatuur van 142° C en kromme 3 het verloop nadat de kern is afgekoeld tot 30°C. Het blijkt dat bij het afkoelen de mechanische spanningen in de kern zo hoog 10 geworden zijn, dat een zeer hoge magnetische veldsterkte nodig is om een inductie van 1 tesla te bereiken. De magnetische permeabiliteit van het kernmateriaal is dus tijdens het afkoelen sterk afgenomen.

In figuur 2 is het verloop Van de magnetische permeabiliteit pr als functie van de temperatuur T door middel van de 15 kromme 5 weergegeven. In het met stippellijnen aangegeven temperatuurgebied 7 (in dit voorbeeld ongeveer tussen 120°C en 150°C) is de permeabiliteit nagenoeg onafhankelijk van de temperatuur. Beneden dit temperatuurgebied daalt pr geleidelijk in overeenstemming met wat uit figuur 1 blijkt. Ook bij hogere 20 temperaturen neemt de spanning in het materiaal toe, zodat de permeabiliteit daar betrekkelijk snel afneemt.

Figuur 3 toont in zijaanzicht een uitvoeringsvoorbeeld van een inductieve inrichting volgens de uitvinding. Deze inrichting bevat een ferromagnetische kern die bestaat uit twee U-vormige kerndelen 25 9 en 11 die met hun benen 9' en 9", respectievelijk 11' en 11" naar elkaar toegekeerd aan elkaar bevestigd zijn door middel van een bij voorkeur niet-ferromagnetische band 13 die met een bout 15 om de kerndelen geklemd is. De kerndelen 9 en 11 zijn in hoofdzaak opgebouwd uit een pakket van onderling evenwijdige stroken amorf ferromagnetisch 30 materiaal, bijvoorbeeld een ijzerlegering zoals het genoemde materiaal met het typenummer 122-C van AKZO. Dit materiaal kan op een wikkeldoorn gewikkeld zijn zoals bijvoorbeeld beschreven is in de reeds genoemde documenten JP-A- 58-148 418 en de Nederlandse octrooiaanvrage nr.

8500338 (in het laatste geval bestaat de binnenste winding uit niet-35 amorf materiaal, bijvoorbeeld silicium-ijzer). Na het wikkelen is de kern op de gebruikelijke wijze gegloeid, vervolgens geïmpregneerd en ten slotte in twee delen 9 en 11 gedeeld. Het is ook mogelijk, de 8602302 4 PHN 11.864 4 kerndelen 9 en 11 uit een meandervormig gebogen pakket van stroken amorf materiaal te snijden, zoals bijvoorbeeld beschreven is in DE-C 2 540 409 (PHD 75-140).

De beide aan elkaar bevestigde kerndelen 9 en 11 5 omsluiten een kernvenster 17. Om de benen 9' en 1Γ is een (gestippeld aangegeven) wikkeling 19 geplaatst, die gedeeltelijk door het kernvenster 17 verloopt. De wikkeling 19 kan een of meer uit elektrisch geleidende draad of folie gewikkelde spoelen omvatten. Het is uiteraard ook mogelijk, zowel om de benen 9' en 11' als om de benen 9" en 11" een 10 wikkeling aan te brengen.

Tussen de vrije uiteinden van elk paar naar elkaar toegekeerde benen 9' en 11', respectievelijk 9" en 1Γ is nabij het kernvenster 17 een uit vast, niet-ferromagnetisch materiaal bestaand vulstuk 2Γ, respectievelijk 2Γ geplaatst. De vulstukken 21', 2Γ 15 strekten zich in de ruimten 23', respectievelijk 23" tussen de uiteinden van de benen 9' en 11', respectievelijk 9" en 11" vanaf het kernvenster 17 naar buiten toe uit over ten hoogste de helft van de breedte van de benen. De ruimten 23' en 23" vormen luchtspleten in het verder uit de kerndelen 9 en 11 bestaande magnetische circuit. De vulstukken 21', 20 2Γ kunnen bestaan uit stukken folie van een geschikte kunststof, bijvoorbeeld kapton. Zij kunnen ook gevormd worden door een uitsteeksel aan de binnenzijde van een (niet getekende) spoelkoker waarop zich de wikkeling 19 bevindt, in het bijzonder wanneer om beide paren benen 9', 11', respectievelijk 9", 11" een wikkeling aangebracht is. Een hiervoor 25 geschikte spoelkoker is beschreven in de oudere Nederlandse octrooiaanvrage nr. 8501994 (PHN 11 433).

De werking van de vulstukken 21', 21" zal worden verklaard aan de hand van figuur 4 die op vergrote schaal en schematisch de kerndelen 9, 11 met de vulstukken toont bij een temperatuur van 30 ongeveer 30°C. Zoals hierboven al is opgemerkt, zijn in de kerndelen 9, 11 bij het afkoelen vanaf 150°C (de uithardingstemperatuur van de binder) mechanische spanningen ontstaan, waardoor vormveranderingen zijn opgetreden. Daardoor zijn de benen 9', 9", 11', 11" niet meer onderling evenwijdig. Een en ander is in de figuur ter wille van de duidelijkheid 35 sterk overdreven. Ten opzichte van de spanningsvrije toestand zijn de benen 9', 9", 11', 11" over een hoek φ naar binnen (in de richting van het kernvenster 17) gebogen. Bij de spanningsvrije temperatuur 8602302 PHN 11.864 5 (ongeveer 140°C) hadden de luchtspleten 23', 23” overal een breedte ds gelijk aan de dikte van de vulstukken 2Γ, 21". In de getekende toestand zijn de luchtspleten 23', 23" wigvormig, waarbij de breedte ter plaatse van de buitenzijde van de vulstukken 21', 21“ nog 5 steeds gelijk is aan d_. Ter plaatse van de binnenzijde van de

S

luchtspleet (nabij het kernvenster 17) is de breedte gelijk aan ds + 2 k tgip, waarbij k de breedte van het vulstuk 21', 21“ is, dat wil zeggen de afstand, waarover het vulstuk zich vanaf het kernvenster naar buiten toe uitstrekt. Ter plaatse van de buitenzijde is de breedte 10 van de luchtspleet gelijk aan dg - 2 (h - k)tg®, waarbij h de breedte van de benen 9', 9", 11', 11" is. De gemiddelde breedte S van elke luchtspleet is dus gelijk aan :

L

S = d_ + 2 (k -£)tgq> (1) s 2.

15

Wanneer men de totale lengte van het magnetische circuit gelijk stelt aan L, is de lengte in het kernmateriaal met een permeabiliteit ur gelijk aan L - 2S en de lengte in de luchtspleet met een permeabiliteit 1 gelijk aan 2S. Algemeen geldt voor een magnetisch 20 circuit met een lengte 1 en een permeabiliteit pr : B = JJr PqH (2) TT _ nX_ H = —t- (3)

25 ' V

Hierbij is n het aantal stroomvoerende windingen die het circuit omgeven en I de stroomsterkte. Uit (2) en (3) volgt : i nl = B .·- (4) 30 /V*°

Het in figuur 4 afgebeelde circuit bestaat uit een serieschakeling van een eerste gedeelte met 1 = L - 2S en een permeabiliteit pr en een tweede gedeelte met 1 = 2S en een permeabiliteit 1. Hiervoor geldt dus : 35 l-2S a? nl = B ( -—- + - ) (5) 8602302 i PHN 11.864 6 of :

nT

B= "L-^ . 2g-' (6) Z'*"® 5 In het algemeen is h >> S (bijvoorbeeld L = 87 mm en dg = 0,1 mm) zodat L - 2S als constant beschouwd mag worden. Zoals uit figuur 2 blijkt, daalt pr bij afnemende temperatuur, waardoor L - 2S stijgt.

Wo 10 Om bij een constante nl de waarde van B ongeveer constant te houden moet 2S dus dalen.

k

Dat wil zeggen, dat in (1) de term k - — negatief moet zijn of : X.

L

15 k < ü: (7)

Z

De vulstukken 21', 21“ mogen zich dus in de ruimten 23', 23" vanaf het kernvenster 17 over ten hoogste de helft van de breedte van de benen 9', 9", 11', 11" uitstrekken. De optimale waarde van k hangt, zoals uit 20 (1) en (6) blijkt, onder meer af van de waarden van pr en tg<p (die door de materiaaleigenschappen bepaald worden) en van X, d_ en h (die mede door de eisen van het ontwerp bepaald zijn). Ook de temperatuur, die de inrichting tijdens het bedrijf heeft, is van belang. De juiste waarde van k zal in een concreet geval bijvoorbeeld door berekening 25 moeten worden vastgesteld. Hiertoe kan men met behulp van (6) en (1) de waarde van B bij de spanningsvrije temperatuur (bijvoorbeeld 140°C) en bij de minimale bedrijfstemperatuur (bijvoorbeeld 30°C) berekenen voor verschillende waarden van k. Het blijkt mogelijk te zijn, op deze wijze de waarde van B en dus de effektieve permeabiliteit Vef£ voor 30 temperaturen beneden het spanningsarme gebied 7 nagenoeg constant te houden, zoals de in fig. 5 afgeheelde kromme 25 laat zien.

8602302

Claims

PHN 11.864 7 Inductieve inrichting bevattende een ferromagnetische kern die twee ongeveer U-vormige kerndelen (9, 11) bevat, welke met hun benen (9', 11'; 9"", 11") naar elkaar toegekeerd aan elkaar bevestigd zijn zodat zij een kernvenster (17) omsluiten en elk waarvan in 5 hoofdzaak is opgebouwd uit een pakket van onderling evenwijdige stroken amorf ferromagnetisch materiaal, met het kenmerk, dat tussen de vrije uiteinden van elk paar naar elkaar toegekeerde benen (9', 11'; 9", 11") een uit vast, niet-ferromagnetisch materiaal bestaand vulstuk (2Γ, 21") is geplaatst, dat zich in de ruimte (23", 23") tussen de uiteinden 10 vanaf het kernvenster (17) naar buiten toe over ten hoogste de helft van de breedte van de benen uitstrekt. 8602302