Núcleo de transformador de corriente, así como procedimiento de producción de un núcleo de transformador de corriente.

Núcleo de transformador de corriente con una relación de diámetro externo del núcleo Da a diámetro interno delnúcleo Di< 1,

25, una magnetostricción de saturación λs ≤ |4| ppm, un bucle de histéresis redondo con 0,50 ≤ Br/Bs≤0,85 y una Hcmáx ≤ 20 mA/cm, en donde el núcleo de transformador de corriente se compone de una aleaciónmagnética blanda a base de hierro, en la que al menos el 50% de la estructura de la aleación está ocupada porpartículas finamente cristalinas con un tamaño medio de partículas de 100 nm o menor, y la aleación a base dehierro presenta, en esencia, la siguiente composición:

Fex-a-bCoaNibCuyMzSivBw

en donde M es un elemento del grupo de V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo o una combinación de estos, y se cumpleadicionalmente:

x + y + z +v+ w ≥ 100% con

Fe + Co + Ni ≥ x ≥ 100%-y-z-v-w

Co a ≤ 1,5 en %≤br/>
Ni b ≤ 1,5 en %

Cu 0,5 ≤ y ≤ 2 en %

M z ≤ 5 en %

Si 6,5 ≤ v ≤ 18 en %

B 5 ≤ w ≤ 14 en %≤br/>
en donde v + w >18 en %.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2005/005353.

Solicitante: VACUUMSCHMELZE GMBH & CO. KG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: GRUNER WEG 37 63450 HANAU ALEMANIA.

Inventor/es: OTTE, DETLEF, WULF,Günther, PETZOLD,Jörg.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • C22C38/00 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C22 METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO DE ALEACIONES O METALES NO FERROSOS.C22C ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F). › Aleaciones ferrosas, p. ej. aleaciones del acero (aleaciones de hierro colado C22C 37/00).
  • C22C38/02 C22C […] › C22C 38/00 Aleaciones ferrosas, p. ej. aleaciones del acero (aleaciones de hierro colado C22C 37/00). › que contienen silicio.
  • C22C38/12 C22C 38/00 […] › que contienen tungsteno, tántalo, molibdeno, vanadio o niobio.
  • C22C38/16 C22C 38/00 […] › que contienen cobre.
  • C22C45/02 C22C […] › C22C 45/00 Aleaciones amorfas. › con hierro como principal constituyente.
  • H01F1/153 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01F IMANES; INDUCTANCIAS; TRANSFORMADORES; EMPLEO DE MATERIALES ESPECIFICOS POR SUS PROPIEDADES MAGNETICAS.H01F 1/00 Imanes o cuerpos magnéticos, caracterizados por los materiales magnéticos pertinentes; Empleo de materiales específicos por sus propiedades magnéticas. › Aleaciones metálicas amorfas, p. ej. metales vítreos.
  • H01F27/255 H01F […] › H01F 27/00 Detalles de transformadores o de inductancias en general. › fabricados a partir de partículas (H01F 27/26 tiene prioridad).
  • H01F3/04 H01F […] › H01F 3/00 Núcleos, culatas o inducidos. › hechos de tiras o cintas.
  • H01F30/16 H01F […] › H01F 30/00 Transformadores fijos no cubiertos por el grupo H01F 19/00. › Transformadores toroidales.
  • H01F38/30 H01F […] › H01F 38/00 Adaptaciones de transformadores o inductancias a funciones o aplicaciones específicas. › Construcción.
  • H01F41/02 H01F […] › H01F 41/00 Aparatos o procedimientos especialmente adaptados a la fabricación o al acoplamiento de dispositivos cubiertos por la presente subclase. › para la fabricación de núcleos, bobinas o imanes (H01F 41/14 tiene prioridad).

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Fragmento de la descripción:

Núcleo de transformador de corriente, así como procedimiento de producción de un núcleo de transformador de corriente

La invención se refiere a un núcleo de transformador de corriente, así como a un procedimiento de producción de un núcleo de transformador de corriente.

Para determinar el consumo de energía de aparatos e instalaciones eléctricas en la industria y en el hogar se

emplean contadores de energía. En tal caso, se conocen distintos principios, por ejemplo el del contador electromagnético de Ferraris que se basa en la medición de la rotación de un disco que es accionado por campos proporcionales de corriente o bien de tensión.

Los contadores modernos trabajan de forma totalmente electrónica. La determinación de la corriente se basa

muchas veces en el principio inductivo, siendo elaboradas digitalmente señales de partida de transformadores de corriente y de tensión inductivos y pudiendo ser puestos a disposición para la determinación del consumo y luego para la lectura a distancia.

Los contadores electrónicos de energía con transformadores de corriente inductivos se emplean de manera creciente

en los hogares. En tal caso, la aptitud de producción económica de contadores de este tipo juega, en parte, todavía un mayor papel que su superioridad técnica. Esto hace necesaria la explotación de procedimientos de producción particularmente rentables para transformadores de corriente de este tipo. Las corrientes de consumo a medir se encuentran en el intervalo entre algunos mA y 100 A o por encima, fomentándose una medición de la energía, capaz de ser calibrada y precisa, con un correspondientemente pequeño error de fase y amplitud de la señal de medición

con respecto a la corriente primaria a medir. Junto a los requisitos de precisión, se convierten también en importantes, en el caso de números elevados de aparatos, también los costes de los materiales para transformadores de corriente de este tipo, por consiguiente, en particular, también los costes para el material del núcleo del transformador.

RB = resistencia de la potencia nominal;

RCu= resistencia del devanado secundario;

= ángulo de pérdida del material del transformador; 35 L = inductividad del lado secundario del transformador de corriente.

La inductividad L se define en tal caso como

N2 = número de devanados secundarios 1’ = permeabilidad del material del transformador (parte real) 10 = constante de permeabilidad general AFe = sección transversal del hierro del núcleo

45 LFe = longitud media del recorrido del hierro del núcleo.

Por lo tanto, para la realización de transformadores de corriente de menor volumen, y con ello, más económicos, pero de alta precisión, existe la demanda de núcleos con una permeabilidad lo más elevada posible.

50 Para determinar grandes corrientes, el núcleo del transformador requiere un gran diámetro interno, lo cual, en el caso de una sección transversal del hierro AFe pequeña, conduce a una pequeña relación del diámetro externo del núcleo Da al diámetro interno del núcleo Di de habitualmente < 1, 5 o incluso < 1, 25. Relaciones de diámetros pequeñas de este tipo conducen, no obstante, a una elevada inestabilidad mecánica del núcleo y hacen a éste sensible frente a todo tipo de manipulación mecánica.

Por los motivos mencionados, como materiales para núcleos de transformadores de corriente de este tipo se emplean hasta ahora materiales muy permeables, por ejemplo ferritas o materiales de Permalloy (aleaciones magnéticas de níquel y hierro) . En tal caso, las ferritas tienen, sin embargo, el inconveniente de que la permeabilidad es comparativamente baja y depende de manera relativamente intensa de la temperatura. Los materiales de Permalloy poseen la propiedad de que ciertamente se consigue un error de fase bajo, pero éste varía grandemente con la corriente a medir o bien la excitación completa del núcleo magnético. Ciertamente, mediante una correspondiente conexión electrónica del transformador o un tratamiento ulterior digital de los valores de medición, es posible una compensación de esta variación, pero esto representa una complejidad adicional costosa. Debido a la sensibilidad a la rotura de las ferritas así como de la elevada magnetostricción y la baja inducción de saturación de las dos clases de materiales, no se pueden conseguir núcleos de transformadores con una sección transversal del hierro pequeña, ahorradora de material, es decir, una pequeña relación de los diámetros Da/Di.

Del estado conocido de la técnica, por ejemplo del documento EP 05 04674 B1, se conoce también la aplicación de núcleos magnéticos muy permeables a base de materiales nanocristalinos con una elevada inducción de saturación que, al contrario de la invención presentada, poseen, no obstante, un bucle de histéresis plano. De ello resulta, en el caso de las permeabilidades alcanzables con ello (1 aprox. 60.000 a 120.000) la obligatoriedad del dimensionamiento de núcleos de transformadores de corriente con una AFe grande. A pesar de, por lo demás, buenas propiedades, en particular en relación con la transferencia de fases, se hace con ello imposible un empleo rentable en la producción en masa.

En el documento WO 03/0071316 A2 se describe un proceso de alimentación continua para la cristalización de núcleos magnéticos a base de materiales nanocristalinos, en el que, en una etapa de recocido subsiguiente, se puede ajustar, por medio de un campo magnético aplicado, la forma del bucle de histéresis de los núcleos magnéticos. Sin embargo, no se redujo la relación de diámetros Da/Di de los núcleos magnéticos producidos con este procedimiento.

La presente invención se basa en la misión de indicar un núcleo de transformador de corriente muy altamente permeable a lo largo de un amplio intervalo de inducción, económico, así como un procedimiento para la producción de un núcleo de transformador de corriente altamente permeable de este tipo.

La misión se resuelve con los objetos de las reivindicaciones independientes. Perfeccionamientos ventajosos resultan de las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con la invención, el problema se resuelve mediante la habilitación de núcleos de transformadores de corriente con una relación de diámetro externo del núcleo Da a diámetro interno del núcleo Di < 1, 25, que presentan una magnetostricción de saturación As < 141ppm, un bucle de histéresis redondo con 0, 50 < Br/Bs < 0, 85 y una Hcmáx < 20 mA/cm, en donde los núcleos de transformadores de corriente se componen de una aleación magnética blanda a base de hierro, en la que al menos el 50% de la estructura de la aleación está ocupada por partículas finamente cristalinas con un tamaño medio de partículas de 100 nm o menor, y la aleación a base de hierro presenta, en esencia, la siguiente composición:

Fex-a-bCoaNibCuyMzSivBw

en donde M es un elemento del grupo de V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo o una combinación de estos, y se cumple adicionalmente:

x + y + z +v+ w = 100% con Fe + Co + Ni = x = 100%-y-z-v-w

Co a< 1, 5 en % Ni b< 1, 5 en % Cu 0, 5< y < 2 en % M z < 5 en % Si 6, 5< v < 18 en % B 5< w < 14 en %

en donde v + w > 18 en %. Por la relación Br/Bs se entiende aquí la relación de inducción de remanencia Br e inducción de saturación Bs.

Se prefieren núcleos de transformadores de corriente con una magnetostricción de saturación As < 121ppm, un bucle de histéresis redondo con 0, 50 < Br/Bs < 0, 85 y una Hcmáx < 10 mA/cm, en donde los núcleos de transformadores de corriente se componen de una aleación magnética blanda a base hierro, en la que al menos el 50% de la estructura de la aleación está ocupada por partículas finamente cristalinas con un tamaño medio de partículas de 100 nm o menor, y la aleación a base de hierro presenta, en esencia, la siguiente composición:

Fex-a-bCoaNibCuyMzSivBw

en donde M es un elemento del grupo de V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo o una combinación de estos, y se cumple adicionalmente:

x + y + z +v+ w = 100% con Fe + Co + Ni = x = 100%-y-z-v-w

Co a< 0, 5 en % Ni b< 0, 5 en % Cu 0, 75 <... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Núcleo de transformador de corriente con una relación de diámetro externo del núcleo Da a diámetro interno del núcleo Di < 1, 25, una magnetostricción de saturación As < 141ppm, un bucle de histéresis redondo con 0, 50 < Br/Bs < 0, 85 y una Hcmáx < 20 mA/cm, en donde el núcleo de transformador de corriente se compone de una aleación magnética blanda a base de hierro, en la que al menos el 50% de la estructura de la aleación está ocupada por partículas finamente cristalinas con un tamaño medio de partículas de 100 nm o menor, y la aleación a base de hierro presenta, en esencia, la siguiente composición:

Fex-a-bCoaNibCuyMzSivBw

en donde M es un elemento del grupo de V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo o una combinación de estos, y se cumple adicionalmente:

x + y + z +v+ w = 100% con Fe + Co + Ni = x .

100. y-z-v-w

Co a< 1, 5 en % Ni b< 1, 5 en % Cu 0, 5< y < 2 en % M z < 5 en % Si 6, 5< v < 18 en % B 5< w < 14 en %

en donde v + w > 18 en %.

2. Núcleo de transformador de corriente según la reivindicación 1, con una magnetostricción de saturación As < 121ppm, un bucle de histéresis redondo con 0, 50 < Br/Bs < 0, 85 y una Hcmáx < 10 mA/cm, en donde el núcleo de transformador de corriente se compone de una aleación magnética blanda a base hierro, en la que al menos el 50% de la estructura de la aleación está ocupada por partículas finamente cristalinas con un tamaño medio de partículas de 100 nm o menor, y la aleación a base de hierro presenta, en esencia, la siguiente composición:

Fex-a-bCoaNibCuyMzSivBw

en donde M es un elemento del grupo de V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo o una combinación de estos, y se cumple adicionalmente:

x + y + z +v+ w = 100% con Fe + Co + Ni = x .

100. y-z-v-w

Co a< 0, 5 en % Ni b< 0, 5 en % Cu 0, 75 < y < 1, 25 en % M 2, 0< z < 3, 5 en % Si 13< v < 16, 5 en % B 5< w < 9 en %

en donde 20 < v + w < 25 en %.

3. Núcleo de transformador de corriente según la reivindicación 2, con una magnetostricción de saturación As < 10, 81ppm, un bucle de histéresis redondo con 0, 65 < Br/Bs < 0, 80 y una Hcmáx < 10 mA/cm, en donde los núcleos de transformadores de corriente se componen de una aleación magnética blanda a base hierro, en la que al menos el 50% de la estructura de la aleación está ocupada por partículas finamente cristalinas con un tamaño medio de partículas de 100 nm o menor, y la aleación a base de hierro presenta, en esencia, la siguiente composición:

Fex-a-bCoaNibCuyMzSivBw

en donde M es un elemento del grupo de V, Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo o una combinación de estos, y se cumple adicionalmente:

x + y + z +v+ w = 100% con Fe + Co + Ni = x .

100. y-z-v-w

Co a< 0, 5 en % Ni b< 0, 5 en % Cu 0, 75 < y < 1, 25 en % M 2, 0< z < 3, 5 en % Si 13< v < 16, 5 en % B 5< w < 9 en %

en donde 20 < v + w < 25 en %.

4. Núcleo de transformador de corriente según una de las reivindicaciones 1 a 3, con una 14 > 90.000.

5. Núcleo de transformador de corriente según una de las reivindicaciones 1 a 3, con una 1máx > 350.000.

6. Núcleo de transformador de corriente según una de las reivindicaciones 1 a 3, con una inducción de saturación Bs < 1, 4 Tesla,

7. Núcleo de transformador de corriente según la reivindicación 6, con una inducción de saturación Bs de 1, 1 a 1, 4 Tesla.

8. Núcleo de transformador de corriente según una de las reivindicaciones 1 a 3, para un transformador de corriente con un error de fase < 1º.

9. Núcleo de transformador de corriente según una de las reivindicaciones 1 a 3, con una anisotropía total magnética correspondiente a Kges < 2 J/m3.

10. Transformador de corriente con un núcleo de transformador de corriente según una de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el núcleo de transformador de corriente está configurado como núcleo de banda anular con al menos un devanado primario y al menos un devanado secundario.

11. Procedimiento para la producción de núcleos de transformadores de corriente en forma de anillo a base de una aleación magnética blanda a base de hierro, en donde al menos el 50% del volumen de la estructura de la aleación está ocupado por partículas finamente cristalinas con un tamaño medio de partículas de 100 nm o menor, con las siguientes etapas:

a) habilitar una masa fundida de la aleación; b) producir una banda de aleación amoría a partir de la masa fundida de la aleación por medio de tecnología de consolidación instantánea; c) arrollamiento exento de tensión de la banda amoría para formar núcleos de transformadores de corriente amorfos; d) tratamiento térmico de los núcleos de transformadores de corriente amorfos no apilados en continuo para formar núcleos de transformadores de corriente nanocristalinos bajo exclusión amplísima de la influencia de campos magnéticos,

produciendo los núcleos de transformadores de corriente en forma de anillo con una relación de diámetro externo del núcleo Da a diámetro interno del núcleo Di < 1, 25 y realizándose el tratamiento térmico en un intervalo de temperaturas de aprox. 440ºC hasta aprox. 620ºC, caracterizado porque en el caso del tratamiento térmico en el intervalo de temperaturas de 440ºC hasta 620ºC existe una primera fase de calentamiento y una segunda fase de calentamiento, cuya tasa de calentamiento es menor que la de la primera fase de calentamiento.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que el tratamiento térmico se lleva a cabo en una atmósfera de gas inerte.

13. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que el tratamiento térmico se lleva a cabo en una atmósfera de gas reductor.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 13, en el que la banda amoría se reviste de forma eléctricamente aislante antes del arrollamiento.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 14, en el que el núcleo del transformador de corriente se sumerge después del arrollamiento en un medio de aislamiento.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 15, en el que el tratamiento térmico de los núcleos de transformadores de corriente amorfos no apilados tiene lugar en disipadores de calor que presentan una elevada capacidad térmica y una elevada conductividad térmica.

17. Procedimiento según la reivindicación 16, en el que como material para los disipadores de calor está previsto un metal o una aleación metálica, un polvo de metal o un material cerámico.

18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que como metal o como polvo de metal está previsto cobre, plata o un acero conductor del calor.

1.

19. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que como material para los disipadores de calor está previsto un polvo cerámico.

20. Procedimiento según la reivindicación 17 ó 19, en el que como material cerámico o polvo cerámico está previsto 15 óxido de magnesio, óxido de aluminio o nitruro de aluminio.

21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 13 a 16, en el que la duración de permanencia en la totalidad de las zonas de recocido oscila entre 5 y 180 minutos.


 

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