PL244029B1

PL244029B1 - Method of producing a magnetic core with a distributed gap

Info

Publication number: PL244029B1
Application number: PL438955A
Authority: PL
Inventors: Piotr Błyskun; Maciej KOWALCZYK; Maciej Kowalczyk; Grzegorz Łukaszewicz
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2023-11-20
Also published as: PL438955A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania rdzenia magnetycznego z materiału ferromagnetycznego na bazie żelaza o strukturze nanokrystalicznej, który to materiał mieli się do postaci proszku, a następnie poddaje się go procesowi łączenia z lepiszczem. Sposób charakteryzuje się tym, że proporcja objętościowa proszku do lepiszcza wynosi 50 : 50, łączenie proszku z lepiszczem następuje poprzez mieszanie mechaniczne w temperaturze od 70°C do 90°C, po czym tak utworzoną masę przelewa się do formy odlewniczej, wygrzewa wstępnie w piecu próżniowym przez 20 — 40 minut w temperaturze od 70°C do 90°C, następnie poddaje procesowi odgazowywania próżniowego w tym samym piecu obniżając ciśnienie do poziomu 0,1 — 0,2 mbar przez 20 — 40 minut w temperaturze od 70°C do 90°C, po czym formę z odlewem przenosi się na wytrząsarkę, na której wytrząsa się odlew przez 10 - 20 minut, następnie formę z odlewem przenosi się do pieca nagrzanego do 155 — 165°C, w którym w czasie 2,5 — 3 5 godziny zachodzi sieciowanie lepiszcza, po czym pozostawia się formę z odlewem do ostygnięcia, a następnie wyjmuje odlew z formy i usuwa nadlew.The subject of the application is a method of producing a magnetic core from a ferromagnetic material based on iron with a nanocrystalline structure, which is ground into a powder and then combined with a binder. The method is characterized by the fact that the volume ratio of powder to binder is 50:50, the powder and binder are combined by mechanical mixing at a temperature of 70°C to 90°C, then the mass thus created is poured into a casting mold and pre-heated in an oven. vacuum for 20 - 40 minutes at a temperature from 70°C to 90°C, then undergoes a vacuum degassing process in the same furnace, reducing the pressure to 0.1 - 0.2 mbar for 20 - 40 minutes at a temperature from 70°C to 90°C, then the mold with the casting is transferred to a shaker where the casting is shaken for 10 - 20 minutes, then the mold with the casting is transferred to an oven heated to 155 - 165°C, in which for 2.5 - 3 After 5 hours, the binder cross-links, after which the mold with the casting is left to cool, and then the casting is removed from the mold and the sprue is removed.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania rdzenia magnetycznego ze szczeliną rozproszoną, wykorzystywanego zwłaszcza do konwersji energii lub tłumienia zakłóceń sieciowych.The subject of the invention is a method for producing a magnetic core with a distributed gap, used especially for energy conversion or suppression of network interference.

Znane są ze stanu techniki rdzenie magnetyczne wykonywane z krzemowej stali transformatorowej w formie blach. Niewielka grubość blachy ma na celu redukcję strat na prądy wirowe, które pojawiają się w zmiennym polu magnetycznym. Innym czynnikiem skutkującym powstawaniem strat jest koercja materiału rdzenia, dlatego dąży się do jej minimalizacji. Coraz częściej spotykanym w przemyśle rozwiązaniem jest zastosowanie szkieł metalicznych na bazie żelaza po nanokrystalizacji. Są to materiały, które wykazują bardzo niską koercję, a jednocześnie mają postać taśm o grubości około 20 μm.Magnetic cores made of silicon transformer steel in the form of sheets are known from the state of the art. The small thickness of the sheet is intended to reduce losses due to eddy currents that appear in an alternating magnetic field. Another factor resulting in losses is the coercivity of the core material, which is why efforts are made to minimize it. An increasingly common solution in industry is the use of iron-based metallic glasses after nanocrystallization. These are materials that have very low coercivity and at the same time have the form of tapes with a thickness of about 20 μm.

Dokument JP2002057039A ujawnia rdzeń magnetyczny o niskiej przenikalności i wysokiej gęstości strumienia magnetycznego. Miękki magnetycznie proszek metalowy i spoiwo są ze sobą mieszane i formowane w rdzeń magnetyczny w kształcie pręta, przy czym rdzeń magnetyczny stanowi środkowy element kwadratowego rdzenia w kształcie ósemki z ferrytu lub kompozytowego rdzenia magnetycznego, gdzie rdzeń magnetyczny w kształcie pręta jest wytwarzany poprzez odlewanie, formowanie wtryskowe lub formowania w prasie.Document JP2002057039A discloses a magnetic core with low permeability and high magnetic flux density. Magnetically soft metal powder and binder are mixed together and formed into a bar-shaped magnetic core, the magnetic core being the center piece of a square figure-of-eight ferrite core or composite magnetic core, where the bar-shaped magnetic core is manufactured by casting, molding injection or press molding.

Dokument US9646756B2 ujawnia rdzeń proszkowy, który jest wypraską mieszaniny proszku magnetycznie miękkiego na bazie żelaza, posiadający na powierzchni powłokę izolującą elektrycznie, oraz proszku o niskiej przenikalności magnetycznej, którego temperatura odporności na ciepło wynosi co najmniej 700°C, a przenikalność względna jest nie większa niż 1.0000004. Gęstość wypraski wynosi co najmniej 6,7 Mg/m³, a proszek o niskiej przenikalności magnetycznej jest obecny w szczelinach pomiędzy proszkiem magnetycznie miękkim w wyprasce.Document US9646756B2 discloses a powder core which is a compact of a mixture of an iron-based soft magnetic powder having an electrically insulating coating on its surface and a low magnetic permeability powder having a heat resistance temperature of at least 700°C and a relative permeability of not more than 1.0000004. The density of the compact is at least 6.7 Mg/ ^m3 , and powder with low magnetic permeability is present in the gaps between the soft magnetic powder in the compact.

Dokument PL228991B1 ujawnia sposób wytwarzania rdzenia magnetycznego ze sproszkowanego materiału nanokrystalicznego polegający na tym, że odpadowy materiał w postaci kawałków taśmy nanokrystalicznej o względnej przenikalności magnetycznej powyżej 1000, poddaje się operacji mielenia i sortowania na odpowiednie frakcje, które po zmieszaniu ze sobą poddaje się obróbce cieplnej w temperaturze 200 + 360°C, a następnie miesza się z lepiszczem i formuje rdzeń. Uformowany rdzeń magnetyczny poddaje się suszeniu w temperaturze 180° + 220°C przez okres 1.5 + 4 h.Document PL228991B1 discloses a method for producing a magnetic core from powdered nanocrystalline material, in which the waste material in the form of pieces of nanocrystalline tape with a relative magnetic permeability above 1000 is subjected to grinding and sorting into appropriate fractions, which, after mixing together, are heat treated in temperature 200 + 360°C, then mixed with the binder and forming a core. The formed magnetic core is dried at 180° + 220°C for 1.5 + 4 h.

Celem wynalazku jest dostarczenie sposobu wytwarzania rdzenia magnetycznego do zastosowań w wysokich częstotliwościach i ograniczenie strat mocy na prądy wirowe. Mikrostruktura stopów nanokrystalicznych zapewnia niskie straty histerezowe. Wynalazek jest dedykowany do wytwarzania krótkich serii detali o złożonych kształtach, trudnych do wykonania metodą prasowania.The purpose of the invention is to provide a method for producing a magnetic core for high-frequency applications and to reduce power losses due to eddy currents. The microstructure of nanocrystalline alloys ensures low hysteresis losses. The invention is dedicated to the production of short series of details with complex shapes, difficult to produce by pressing.

Sposób wytwarzania rdzenia magnetycznego ze szczeliną rozproszoną z materiału ferromagnetycznego na bazie żelaza o strukturze nanokrystalicznej, który to materiał mieli się do postaci proszku, a następnie poddaje się go procesowi łączenia z lepiszczem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że proporcja objętościowa proszku do lepiszcza wynosi 50:50. Łączenie proszku z lepiszczem następuje poprzez mieszanie mechaniczne w temperaturze od 70°C do 90°C, po czym tak utworzoną masę przelewa się do formy odlewniczej. Następnie, wygrzewa się ją wstępnie w piecu próżniowym przez 20 - 40 minut w temperaturze od 70°C do 90°C, po czym poddaje procesowi odgazowywania próżniowego w tym samym piecu obniżając ciśnienie do poziomu 0,1 - 0,2 mbar przez 20 - 40 minut w temperaturze od 70°C do 90°C. W kolejnym etapie formę z odlewem przenosi się na wytrząsarkę, na której wytrząsa się odlew przez 10 - 20 minut, po czym formę z odlewem przenosi się do pieca nagrzanego do 155 - 165°C, w którym w czasie 2,5 - 3,5 godziny zachodzi sieciowanie lepiszcza. Następnie pozostawia się formę z odlewem do ostygnięcia, wyjmuje odlew z formy i usuwa nadlew.The method of producing a magnetic core with a dispersed gap from a ferromagnetic material based on iron with a nanocrystalline structure, which is ground into powder and then subjected to the process of combining it with a binder, according to the invention, is characterized by the fact that the volume ratio of powder to binder is 50 :50. The powder is combined with the binder by mechanical mixing at a temperature of 70°C to 90°C, and then the mass thus created is poured into a casting mold. Then, it is preheated in a vacuum furnace for 20 - 40 minutes at a temperature of 70°C to 90°C, and then subjected to a vacuum degassing process in the same furnace, reducing the pressure to 0.1 - 0.2 mbar for 20 - 40 minutes at a temperature of 70°C to 90°C. In the next stage, the mold with the casting is transferred to a shaker, where the casting is shaken for 10 - 20 minutes, and then the mold with the casting is transferred to an oven heated to 155 - 165°C, where for 2.5 - 3.5 hours, the binder cross-links. The mold with the casting is then left to cool, the casting is removed from the mold and the sprue is removed.

Korzystnie, materiał ferromagnetyczny mieli się w planetarnym młynie kulowym, przy czym kule i mielniki są stalowe.Preferably, the ferromagnetic material is ground in a planetary ball mill, with the balls and grinding media being made of steel.

Korzystnie jest, gdy czas mielenia wynosi 30 - 60 minut.It is preferred that the grinding time is 30 - 60 minutes.

Korzystnie jest także, gry proporcje masy kul do masy proszku wynoszą 1:1.It is also preferable that the proportion of the mass of balls to the mass of powder is 1:1.

Korzystnie jest również, gdy wielkość ziaren proszku wynosi od 1 do 100 μm.It is also preferable if the powder grain size is from 1 to 100 μm.

Jest korzystnie, gdy lepiszczem jest termoutwardzalna żywica epoksydowa o niskiej lepkości.It is preferable if the binder is a low-viscosity thermosetting epoxy resin.

Jest także korzystnie, gdy żywica epoksydowa zachowuje swoje właściwości do temperatury 160°C.It is also advantageous when the epoxy resin retains its properties up to a temperature of 160°C.

Jest również korzystnie, gdy forma odlewnicza wykonana jest z silikonu formierskiego.It is also advantageous when the casting mold is made of molding silicone.

Korzystnie jest, gdy gniazdo odlewnicze stanowi 100 - 150% wysokości odlewu.It is preferable when the casting socket constitutes 100 - 150% of the casting height.

Zaletą wynalazku jest to, że zapewnia mniejsze straty mocy w rdzeniu, redukuje efekt niepożądanego grzania rdzenia, zmniejsza zużycie energii elektrycznej i umożliwia miniaturyzację podzespołów elektrotechnicznych.The advantage of the invention is that it ensures lower power losses in the core, reduces the effect of unwanted core heating, reduces electricity consumption and enables the miniaturization of electrotechnical components.

Wynalazek może być stosowany w przemyśle elektromagnetycznym do wytwarzania rdzeni dławików o różnych, nawet skomplikowanych kształtach. Relatywnie prosta technologia wytwarzania daje możliwość uzyskania rdzeni o niskich stratach i słabszym efekcie grzania w wysokich częstotliwościach pracy niż rdzenie nawijane z taśmy.The invention can be used in the electromagnetic industry to produce choke cores of various, even complex shapes. The relatively simple manufacturing technology makes it possible to obtain cores with low losses and a weaker heating effect at high operating frequencies than cores wound from tape.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok od przodu rdzenia magnetycznego wykonanego metodą odlewania, fig. 2 - przedstawia widok od przodu złożonego rdzenia magnetycznego, fig. 3 - przedstawia rzut aksonometryczny złożonego rdzenia.The subject of the invention is shown in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a front view of a magnetic core made by casting, Fig. 2 - shows a front view of a complex magnetic core, Fig. 3 - shows an axonometric projection of the complex core.

Zgodnie z przykładem realizacji wynalazku, sposób wytwarzania rdzenia magnetycznego z materiału ferromagnetycznego na bazie żelaza o strukturze nanokrystalicznej, w którym materiał mieli się w planetarnym młynie kulowym ze stalowymi kulami przez 45 minut do postaci proszku o wielkości ziaren od 1 do 100 μm, a następnie poddaje się go procesowi łączenia z lepiszczem, który stanowi termoutwardzalna żywica epoksydowa o niskiej lepkości, polega na tym, że proporcja objętościowa proszku do lepiszcza wynosi 50:50, a łączenie proszku z lepiszczem następuje poprzez mieszanie mechaniczne w temperaturze 80°C, po czym tak utworzoną masę przelewa się do formy odlewniczej z silikonu formierskiego z gniazdem odlewniczym stanowiącym 120% wysokości odlewu i wygrzewa wstępnie w piecu próżniowym przez 30 minut w temperaturze 80°C, a następnie poddaje procesowi odgazowywania próżniowego w tym samym piecu obniżając ciśnienie do poziomu 0,1 mbar przez 30 minut w temperaturze 80°C, po czym formę z odlewem przenosi się na wytrząsarkę, na której wytrząsa się odlew przez 15 minut, następnie formę z odlewem przenosi się do pieca nagrzanego do 160°C, w którym w czasie 3 godzin zachodzi sieciowanie lepiszcza. Na koniec pozostawia się formę z odlewem do ostygnięcia, wyjmuje odlew z formy i usuwa nadlew.According to an embodiment of the invention, a method for producing a magnetic core from an iron-based ferromagnetic material with a nanocrystalline structure, in which the material is ground in a planetary ball mill with steel balls for 45 minutes to form a powder with a grain size of 1 to 100 μm, and then subjected to The process of combining it with a binder, which is a thermosetting epoxy resin with low viscosity, consists in the fact that the volume proportion of powder to binder is 50:50, and the powder is combined with the binder by mechanical mixing at a temperature of 80°C, and then the powder is formed the mass is poured into a casting mold made of molding silicone with a casting cavity constituting 120% of the casting height and pre-heated in a vacuum furnace for 30 minutes at 80°C, and then subjected to a vacuum degassing process in the same furnace, reducing the pressure to 0.1 mbar for 30 minutes at 80°C, then the mold with the casting is transferred to a shaker where the casting is shaken for 15 minutes, then the mold with the casting is transferred to an oven heated to 160°C, where cross-linking takes place for 3 hours binders. Finally, the mold with the casting is left to cool, the casting is removed from the mold and the sprue is removed.

Claims

1. A method of producing a magnetic core from a ferromagnetic material based on iron with a nanocrystalline structure, which is ground into a powder and then subjected to the process of combining it with a binder, characterized in that the volume proportion of the powder to the binder is 50:50, combining powder with binder is achieved by mechanical mixing at a temperature of 70°C to 90°C, then the mass thus created is poured into a casting mold and preheated in a vacuum oven for 20 - 40 minutes at a temperature of 70°C to 90°C, then undergoes a vacuum degassing process in the same furnace, reducing the pressure to 0.1 - 0.2 mbar for 20 - 40 minutes at a temperature from 70°C to 90°C, and then the mold with the casting is transferred to a shaker where it is shaken casting for 10 - 20 minutes, then the mold with the casting is transferred to an oven heated to 155 - 165°C, where the binder cross-links for 2.5 - 3.5 hours, and then the mold with the casting is left to cool, and then removes the casting from the mold and removes the sprue.

2. A method for producing a magnetic core according to claim 1. 1, characterized in that the ferromagnetic material is ground in a planetary ball mill, the balls and grinding media being made of steel.

3. A method for producing a magnetic core according to claim 1. 1 or 2, characterized in that the grinding time is 30 - 60 minutes.

4. A method for producing a magnetic core according to claim 1. 1 to 3, characterized in that the proportions of the mass of balls to the mass of powder are 1:1.

5. A method for producing a magnetic core according to claim 1. 1, characterized in that the powder grain size is from 1 to 100 μm.

6. A method for producing a magnetic core according to claim 1. 1, characterized in that the binder is a low-viscosity thermosetting epoxy resin.

7. A method for producing a magnetic core according to claim 1. 6, characterized in that the epoxy resin retains its properties up to a temperature of 160°C.

PL 244029 Β1

8. A method for producing a magnetic core according to claim 1. 1, characterized in that the casting mold is made of molding silicone.

9. A method for producing a magnetic core according to claim 1. 1 or 8, characterized in that the casting cavity constitutes 100 - 150% of the height of the casting.