(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (13) (51) T3 Int.Cl. H01F 1/153 ( ) H01F 38/28 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2014/18 EP B1 (54) Tytuł wynalazku: Rdzeń nanokrystaliczny do czujnika prądu, jednostopniowe i dwustopniowe liczniki energii i sondy prądowe go zawierające (30) Pierwszeństwo: FR (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2007/28 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 2014/09 (73) Uprawniony z patentu: Aperam Alloys Imphy, Saint Denis, FR (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 THIERRY WAECKERLE, Nevers, FR FABIEN SIMON, Crosne, FR FRANCISCO ALVES, Champigny-Sur-Marne, FR THIERRY SAVE, Coulanges Les Nevers, FR ALAIN DEMIER, Varennes Vauzelles, FR (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Agnieszka Jakobsche PATPOL KANCELARIA PATENTOWA SP. Z O.O. ul. Nowoursynowska 162 J Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 1 EP B1 Opis [0001] Wynalazek dotyczy rdzenia magnetycznego stosowanego do wytwarzania składowej indukcyjnej, typu czujnik prądu. [0002] W przypadku składowych dla czujnika prądu, a zwłaszcza czujnika prądu przemiennego, zawierającego ewentualnie znaczną nałożoną składową stałą należy posiadać rdzenie o zmniejszonych przenikalnościach, aby nie nasycić rdzenia, które nie będą jednak zbyt niskie, aby zachować odpowiednią dokładność pomiaru czujnika. Konieczne jest, aby sprawność czujnika była stabilna w obszarach o silnej polaryzacji i w możliwie największym zakresie temperatury, a w pewnych przypadkach w szerokim paśmie częstotliwości. [0003] Takie czujniki prądu znajdują zastosowanie zwłaszcza w transformatorach liczników energii elektrycznej, które jednocześnie izolują wszelkie urządzenia sieci zasilającej pod napięciem i dostarczają sygnał elektryczny, który służy do pomiaru energii. [0004] Transformator prądu o bezpośrednim podłączeniu do prądu obciążenia (typu 1 według normy IEC 1026; w całym dokumencie, odnosząc się do tej normy, należy odnieść się do jej poprzedniej wersji, ale najbliższej ) obejmuje jeden stopień, który ma postać rdzenia łączącego jednocześnie funkcje transformatora-izolatora i czujnika prądu do pomiaru energii. Jak można zobaczyć na figurze 1, taki transformator, ogólnie oznaczony 1 na figurze 1, ogólnie składa się z trzech części: - pierścieniowego obwodu magnetycznego (niebezpośrednio widocznego na figurze) do minimalizacji wycieków magnetycznych, - uzwojenia pierwotnego 2 o N 1 zwojach o rezystancji R 1 sprowadzającego się często do pojedynczego przewodu przechodzącego przez rdzeń (N 1 = 1) i przewodzącego prąd i 1, - uzwojenia wtórnego 3 o N 2 zwojach o rezystancji R 2 (ogólnie rzędu 2500) przewodzącego prąd i 2. [0005] Czujnik prądu ma odpowiednią dokładność przy pomiarze energii, jeżeli przesunięcie fazowe pomiędzy prądem i napięciem jest bardzo małe i jeżeli zależność pomiędzy prądem pierwotnym a wtórnym jest możliwie najbardziej liniowa. Uzyskuje się to w szczególności przez możliwie najwyższą indukcyjność magnesującą A L, co oznacza, że dysponuje się bardzo dużą liczbą zwojów wtórnych N 2, ale również możliwie najwyższą przenikalnością µ. W istocie niezależnie, czy występuje składowa stała I CC nałożona na prąd przemienny do pomiaru I 1, konieczne jest, aby zespół tych prądów doprowadzony został w pobliże strefy nasycenia, ponieważ wówczas stosunek B-H nie byłby już liniowy. Jeżeli wielkość zakresu indukcji określa się jako ΔB, gdzie stosunek B-H jest w przybliżeniu liniowy, pole krytyczne, którego nie można przekroczyć z powodu ryzyka nasycenia jest zatem równe ΔB/µmax, a wynikający z tego warunek stanu nienasycenia jest następujący: [0006] Oznacza to, że im bardziej wzrasta maksymalny prąd dopuszczalny do pomiaru, tym bardziej zmniejszona powinna być przenikalność materiału, aby uniknąć nasycenia. [0007] W praktyce w przypadku najmniejszych zakresów pomiarowych (od 5 do 50A według normy), na które nakładają się ewentualne składowe stałe, stosuje się jednostopniową strukturę czujnika i rdzeń magnetyczny z amorficznego stopu na bazie kobaltu. [0008] W przypadku zakresów prądu obciążenia powyżej 50A, na które nakładają się ewentualne składowe stałe, norma zaleca dwustopniową strukturę, taką jak przedstawiona na figurze 2 z transformatorem prądu z

3 2 przodu oznaczonym ogólnie 4, odpowiedzialną za izolowanie i eliminowanie składowej stałej podobnej jak w poprzednim przypadku, i czujnik prądu o wysokiej czułości oznaczony ogólnie 5, bocznikowo do transformatora. Ponieważ ten ostatni unika jakiegokolwiek ryzyka nasycenia czujnika, korzystne jest stosowanie rdzenia magnetycznego o bardzo wysokiej przenikalności. [0009] Innym typowym zastosowaniem tych czujników prądu jest sterowanie prądowe składowych czynnych mocy (IGBT, GTO, tyrystor...) w przypadku urządzeń o średniej i dużej mocy. Ten rodzaj zastosowania wymaga, aby czujnik mógł zmierzyć prądy zmieniające się bardzo szybko i często w czasie, a więc aby posiadał dużą dynamikę pomiarową, która pokrywa możliwie największy zakres częstotliwości pomiarowej, zwykle co najmniej 1 MHz. Najskuteczniejszym czujnikiem będzie ten, który ma maksymalną dokładność i dynamikę pomiarową w przypadku najmniejszego obciążenia całkowitego. [0010] W przypadku takich sprzętów stosuje się dwustopniowe struktury podobne do tej, którą właśnie opisano, z transformatorem prądu z przodu o małej równoważnej przenikalności i bocznikowym czujnikiem prądu na bazie rdzenia magnetycznego o wysokiej przenikalności i dużej stabilności częstotliwości, taki jak konwencjonalny rdzeń nanokrystaliczny o wysokiej przenikalności (µ>20 000). [0011] Wydajności wymagane od rdzeni transformatora czujnika prądu wobec bądź silnych składowych nałożonego prądu stałego (zastosowanie licznika energii), bądź silnych i szybkich zmian prądu (zastosowanie w pomiarze harmonicznym typu sonda prądowa do sterowania składowymi czynnymi mocy) są zasadniczo takie same i można je podsumować następująco: - Rdzeń składowej indukcyjnej powinien mieć właściwości magnetyczne o dobrej stabilności termicznej, co pozwala w szczególności podnieść wartość graniczną temperatury granicznej działania składowej i posiadać dokładność pomiarową w niewielkim stopniu zależną od temperatury działania. Ta stabilność temperatury jest zwykle rzędu kilku % zmienności przenikalności między -40 C a +60 C. - Powinien on ponadto wykazywać niewielkie starzenie w atmosferze mogącej przekraczać 100 C. - Przenikalność w polu przemiennym rdzenia magnetycznego powinna być ograniczona na poziomie przenikalności takiej, że materiał nie może zostać nasycony pod połączonym wpływem podstawowej składowej przemiennej, jej ewentualnych harmonicznych (przypadek zasilania półprzewodnika mocy) i ewentualnej nałożonej składowej stałej. W przypadku zastosowania w transformatorze stosowanym w liczniku energii preferuje się w szczególności względną przenikalność magnetyczną poniżej 4 000, a korzystnie poniżej 3000, która jest przy tym wyższa od 200, a nawet od Stosowane rozwiązanie magnetyczne nie musi zawierać zlokalizowanej szczeliny magnetycznej, aby ograniczać czułość na zakłócenia promieniowania elektromagnetycznego. To pozwala również na uniknięcie konieczności stosowania ekranowania. - Konieczne jest również, aby znaleźć indukcję o nasyceniu Bs, która będzie wysoka, aby zminiaturyzować czujnik i/lub poprawić jego dokładność. W szczególności preferuje się rdzenie wykazujące indukcję o nasyceniu Bs wyższym lub równym 1T, a nawet wyższym od 1,2T. - W przypadku transformatorów prądu przeznaczonych do pracy pod nałożoną składową stałą, pożądane jest, aby mieć silną liniowość B-H, to znaczy możliwie najbardziej liniowy stosunek między B i H w znacznym zakresie indukcji ΔB: przewiduje się maksymalną zmienność µ w tym zakresie co najwyżej kilku %. W istocie im wyższe ΔB, przy stałym zakresie prądu polaryzacji I max cc, tym większa może być przenikalność, a zatem dokładność czujnika lub też tym bardziej może być zmniejszony promień i objętość rdzenia.

4 3 - Pożądane jest, aby posiadać skuteczną przenikalność lokalną µ loc, pod składową prądu przemiennego możliwie jak najbardziej niezależną od nałożonej składowej stałej H cc : przenikalnością różnicową lub lokalną µ loc nazywamy pochodną B w stosunku do H w punkcie roboczym B(H). - Rdzeń powinien wykazywać również niskie straty magnetyczne, aby ograniczyć przesunięcie fazowe między prądem a napięciem czujnika, a tym samym zwiększyć dokładność. - Pożądane jest również, aby właściwości magnetyczne składowych indukcyjnych były w niewielkim stopniu czułe na zewnętrzne naprężenia, takie jak naprężenia z powlekania, uzwojenia. - Ponadto odpowiednia musi być dynamika częstotliwościowa magnesowania, co znaczy, że częstotliwość wysokiego odcięcia wewnętrznego jest podwyższona, a w szczególności co najmniej równa 1 MHz bez ekranowania czujnika. W ramach niniejszego wynalazku częstotliwością odcięcia materiału przewodzącego nazywamy częstotliwość, dla której uzyskuje się maksymalną amplitudę µ ", złożonej części urojonej przenikalności i reprezentującej rozproszone działania prądów indukowanych. - Rdzeń powinien być możliwie jak najbardziej ekonomiczny. [0012] Aby wykonać transformatory prądu, często stosuje się pierścieniowe rdzenie magnetyczne ze stopu Fe Ni przy 80% niklu, ale stopy te mają przenikalność względną, która zmienia się znacznie w zakresie polaryzacji, utrzymując się przy tym powyżej Są on więc nieodpowiednie dla transformatorów prądu pracujących przy wysokiej składowej stałej. [0013] Zaproponowano, zwłaszcza w US 6,507,262 B1, zastosowanie nanokrystalicznego stopu na bazie żelaza typu Fe Co Cu Si B, który może nie zawierać kobaltu, o podwyższonej przenikalności, zawierającej się między a Podobnie, zaproponowano zastosowanie amorficznego stopu na bazie kobaltu o porównywalnej przenikalności. Te dwa rozwiązania, które mają tę zaletę, że stosunki B-H są bardzo liniowe, mają tę wadę, że wykazują bardzo wysokie przenikalności, które prowadzą do nasycenia rdzeni magnetycznych, gdy tylko składowa stała prądu do pomiaru osiąga kilka amperów. [0014] Zaproponowano również, w WO 2004/ A2, zastosowanie nanokrystalicznego stopu typu Fe Ni Co Cu Si B, o przenikalności poniżej [0015] Ponadto znany jest z dokumentu FR A1 rdzeń wykonany z nanokrystalicznego stopu typu Fe Cu Nb Si B, o przenikalności poniżej [0016] Zaproponowano również zastosowanie rdzeni magnetycznych z amorficznego stopu na bazie kobaltu o względnej przenikalności kilku tysięcy regulowanej za pomocą wyżarzania pod polem poprzecznym. Te stopy, które mają tę zaletę, że wykazują niezbyt wysoką przenikalność, mają jednak tę wadę, że wykazują indukcję o nasyceniu poniżej 0,8 Tesli, co nie jest korzystne dla osiągnięcia dobrej dokładności czujnika. Ponadto te stopy są czułe na starzenie od 100 C, a kobalt jest bardzo drogim pierwiastkiem. [0017] Zaproponowano również zastosowanie nanokrystalicznego stopu Fe Co Nb Si B Cu zawierającego 60 % (atomowych) Co, co pozwala regulować przenikalność aż do wartości kilkuset lub kilku tysięcy, zachowując przy tym niektóre zalety nanokrystalicznych stopów Fe Cu Nb Si B, a mianowicie stabilność temperatury pracy, słabą remanencję i słabe pole koercji. Te stopy mają jednak tę zaletę, że wykazują indukcję o niskim nasyceniu i zawierają dużo kobaltu, który jest bardzo drogi. [0018] Zaproponowano w końcu transformatory prądu bez rdzenia magnetycznego (czujnik Rogowskiego) lub z rdzeniami magnetycznymi złożonymi z kubków ferrytowych. Te czujniki mają tę zaletę, że są bardzo czułe na zewnętrzne pola magnetyczne, które zakłócają pomiary. Aby uniknąć tych zakłóceń, należy zapewnić bardzo kosztowne ekranowanie magnetyczne. [0019] Wydaje się, że żadne ze znanych rozwiązań nie jest tak naprawdę zadowalające.

5 4 [0020] Celem niniejszego wynalazku jest zatem zaproponowanie uzwojonego rdzenia ferromagnetycznego udoskonalonego względem tych ze stanu techniki i który będzie w szczególności, bez szczeliny, miał względną przenikalność magnetyczną regulowaną dokładnie między 200 a 4000, zdolnego sprostać wymaganiom czujników prądu do licznika energii, w bezpośrednim połączeniu z jednostopniową strukturą, jak również w połączeniu z transformatorem prądu o dwustopniowej strukturze, i zdolnego sprostać również wymaganiom sond prądowych do dynamicznego sterowania prądem składowych czynnych układów elektronicznych, zajmując przy tym możliwie jak najmniejszą objętość, nie wymagając stosowania ekranowania i będąc możliwie jak najbardziej ekonomicznym. [0021] W tym celu przedmiotem wynalazku jest uzwojony rdzeń nanokrystaliczny według zastrzeżenia 1. [0022] Przenikalność µ może zmieniać się według zastrzeżenia 2. [0023] W korzystnym przykładzie wykonania zawartość niklu jest mniejsza niż 4,5%, co ma tę zaletę, że prowadzi do bardzo małego współczynnika magnetostrykcji λs. W innym korzystnym przykładzie wykonania zapewnia się uzwojony rdzeń według zastrzeżenia 3. [0024] Rdzeń według wynalazku ma tę zaletę, że jest bardzo ekonomiczny, ponieważ nie zawiera kobaltu. [0025] Ponadto jego skuteczna przenikalność lokalna jest bardzo bliska jego przenikalności liniowej. W istocie wynalazcy stwierdzili, że ta skuteczna przenikalność lokalna µ loc jest tym bliższa przenikalności µ lin odpowiadającej nachyleniu głównej pętli histerezy, im słabsza jest remanencja pętli histerezy. Tym samym preferuje się rdzenie wykazujące bardzo słabą remanencję Br, zwykle poniżej 0,02T. [0026] Drugi przedmiot wynalazku stanowi elektryczne urządzenie pomiarowe według zastrzeżenia 4. [0027] Elektrycznym urządzeniem pomiarowym jest na przykład jednostopniowy licznik energii według zastrzeżenia 5. [0028] W korzystnym przykładzie wykonania zapewnia się licznik energii według zastrzeżenia 6. [0029] Elektrycznym urządzeniem pomiarowym może być również dwustopniowy licznik energii zawierający rdzeń transformatora prądu i rdzeń pomiarowy, według normy IEC 1036 dla zakresów powyżej 50 A, w którym rdzeniem transformatora prądu jest rdzeń według wynalazku, którego przenikalność µ zawiera się między 200 i 1000, a korzystnie poniżej 800. Elektrycznym urządzeniem pomiarowym może być również licznik energii według normy IEC 1036 dla zakresów powyżej 50 A, jednostopniowy i zawierający rdzeń według wynalazku, którego przenikalność µ zawiera się między 200 i 1000, a korzystnie poniżej 800. [0030] Korzystnie licznik energii według wynalazku zapewnia się według zastrzeżenia 7. [0031] Elektrycznym urządzeniem pomiarowym może w końcu być sonda prądowa o dużej dynamice pomiaru do sterowania prądami w składowych czynnych mocy w urządzeniach o średniej lub dużej mocy, typu zawierającego rdzeń transformatora prądu i rdzeń pomiarowy, przy czym torem transformatora prądu jest rdzeń według wynalazku, którego przenikalność µ zawiera się między 200 i 1000, a korzystnie poniżej 800. [0032] Rdzeń magnetyczny według wynalazku jest w szczególności odpowiednio przystosowany do zastosowania w transformatorze prądu przeznaczonym do pomiaru przemiennego prądu elektrycznego, na który nałożona jest znaczna składowa stała i/lub składowe harmoniczne dowolnego rzędu i o zmiennych amplitudach. [0033] Ten nanokrystaliczny rdzeń składa się z pasa materiału nanokrystalicznego nawiniętego na siebie, w postaci pierścieniowej cewki, uzyskanej z taśmy odlewanej w stanie amorficznym, o składzie atomowym:

6 5 gdzie a 0,3, 0,6 x 1,5, 10 y 17, 5 z 14, 2 α 6, β 7, γ 8, przy czym M' jest co najmniej jednym z pierwiastków V, Cr, Al i Zn, M" jest co najmniej jednym z pierwiastków (C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be). Aby uzyskać nanokrystaliczną strukturę, amorficzną taśmę poddaje się wyżarzaniu krystalizującemu przy rozciąganiu, w stanie rozwiniętym, przewijając i pod napięciem w kierunku wzdłużnym zasadniczo osiowym dla taśmy, w taki sposób, aby taśmę utrzymywać w temperaturze wyżarzania zawierającej się między 500 a 700 C, przez okres zawierający się między 5 a 300 sekundami, pod naprężeniem rozciągającym osiowo, następnie nawija się pas nanokrystaliczny, w którym naprężenie rozciągające osiowo zawiera się między 2 MPa a 500 MPa, aby uzyskać przenikalność magnetyczną zawierającą się między 200 a 4000, a korzystnie między 400 a 3000 dla zamierzonych zastosowań. [0034] Można odnieść się do zgłoszenia FR celu uzyskania dalszych informacji na temat procesu wyżarzania przy rozciąganiu. [0035] W sposób ogólny stopy stosowane do wytwarzania pasów amorficznych żelazo-krzem mają następujący skład atomowy: gdzie a 0,3,0,6 x 1,5,10 y 17,5 z 14,2 α 6,β 7,γ 8, przy czym M' jest co najmniej jednym z pierwiastków V, Cr, Al i Zn, zaś M" jest co najmniej jednym z pierwiastków C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be. [0036] Te stopy mogą mieć w szczególności następujący skład masowy: Fe 72 do 77 Cu 1 Nb 3 Si 12,5 do 17 B 6 do 12, przy czym reszta stopu składa się zasadniczo z nieuniknionych zanieczyszczeń. [0037] Materiał ten opracowuje się w postaci płynnej, następnie odlewa przy dużej szybkości chłodzenia, w odlewni taśm amorficznych z klasycznym chłodzonym cylindrem, w taki sposób, że uzyskuje się na wyjściu z odlewni uzwojony pas amorficzny w postaci cewki o przylegających zwojach. [0038] W trakcie przetwarzania, wewnątrz pieca, a bardziej szczegółowo w strefie o jednorodnej temperaturze pieca, pas w trakcie przetwarzania i przewijania poddawany jest działaniu siły ciągnącej we wzdłużnym kierunku osiowym, która jest doskonale dostosowana do charakterystyki pasa amorficznego i regulowana w wąskim zakresie, w trakcie przetwarzania pasa przewijanego w piecu. [0039] Co więcej pas uzyskany i nawijany na wyjściu z wyżarzania błyskowego można rozwinąć, następnie ponownie nawinąć, co pozwala utworzyć rdzenie magnetyczne, których zwoje będą odizolowane względem siebie, jak zostanie to wyjaśnione w dalszej części. W każdym razie przeprowadza się przetwarzanie poprzez wyżarzanie z przewijaniem lub wyżarzanie błyskowe pod napięciem z siłą ciągnącą o dokładnej wartości, w odpowiednio określonej temperaturze i z regulowaną szybkością przewijania. [0040] Bardziej ogólnie, w zależności od charakterystyki pasa i temperatury pieca między 600 C i 700 C, a korzystnie między 620 C i 690 C, czas utrzymywania pasa w temperaturze wyżarzania może zawierać się między 5 i 300 sekundami, a korzystnie miedzy sekundami. [0041] Można określić krzywą kalibracji wartości rozciągania, aby uzyskać poziom przenikalności określony na taśmie między 200 a [0042] Jednakże aby uzyskać rdzeń, w którym ogranicza się przepływ prądów indukowanych i straty magnetyczne, należy unikać powstawania styków elektrycznych między zwojami, podczas nawijania

7 6 wyżarzonego rdzenia. Aby ograniczyć prądy indukowane w rdzeniu i straty magnetyczne, konieczne może być, według przewidywanych zastosowań rdzenia, osadzenie lub utworzenie warstwy izolacji elektrycznej na pasie, aby odizolować kolejne zwoje względem siebie. Można na przykład osadzić w sposób ciągły, na pasie po wyżarzaniu, substancję mineralną na grubości od dziesiątej części mikrometra do kilku mikrometrów. W tym celu można rozwinąć pas z cewki uzyskanej na wyjściu z instalacji do wyżarzania i ponownie go nawinąć przy małej sile naciągu, ewentualnie osadzając na rozwiniętym pasie materiał izolacji elektrycznej przed ponownym nawinięciem w taki sposób, aby odizolować kolejne zwoje rdzenia względem siebie. [0043] W sposób ogólny warunki krystalizacji pasa wewnątrz pieca do wyżarzania dynamicznego przy rozciąganiu są takie, że pas zawiera co najmniej 50% objętościowych nanokryształów, których rozmiar zawiera się między 2 i 20 nm. Różne kryształy są oddzielone od siebie przez matrycę składającą się z frakcji stopu, która pozostała amorficzną. [0044] Rdzeń magnetyczny według wynalazku ma tę zaletę, że wykazuje niski współczynnik magnetostrykcji. Z tego względu jego właściwości magnetyczne nie są modyfikowane, gdy wykonuje się operacje powlekania, impregnacji, nawijania, klejenia... które przekładają się na naprężenia wywierane na rdzeń. W ten sposób na przykład gdy rdzeń według wynalazku jest powlekany, jego przenikalność liniowa zmienia się o mniej niż 5%, w szczególności gdy mierzona jest w 20 C. [0045] Rdzeń magnetyczny może być okrągłym owalny lub kwadratowy bez szczeliny. Figura 1 jest schematem działania jednostopniowego licznika energii. Figura 2 jest schematem działania dwustopniowego licznika energii. Figura 3 i figura 4 są diagramami przedstawiającymi odpowiednio pętle histerezy przy nasyceniu (H max = 20 Oe) i liniową (H max = 1 Oe) rdzenia. Figury 5 i 6 są krzywymi przedstawiającymi stosunek przenikalności magnetycznej dla prądu (lub pola H) o składowej stałej (lub odpowiadającemu polu H cc w przypadku z figury 6 lub 7) niezerowej na przenikalności magnetycznej dla prądu (lub pola H) o zerowej składowej stałej, dla różnych materiałów. Figura 7 jest krzywą podającą przenikalność rdzenia w zależności od temperatury. Figura 8 przedstawia krzywe (przenikalność/amplituda nałożonej składowej stałej) dla trzech rdzeni wykonanych z tego samego pasa amorficznego. Figura 9 przedstawia stabilność µ w zależności od temperatury dla rdzenia z wyżarzania błyskowego według wynalazku i dla materiału amorficznego na bazie kobaltu. [0046] Tytułem przykładu wykonano krystalizację nanokryształów w matrycy amorficznej pasa amorficznego o składzie Fe Cu 1 Nb 3 Si 15.5 B 7, za pomocą znanego już sposobu, stosując rozciąganie przy 50 Mpa podczas przechodzenia między rozwijarką i zwijarką i przy przejściu w dolnej części pieca w 655 C przez 35 sekund. Pas amorficzny został uprzednio odizolowany przez przejście przez kąpiel w metanolanie magnezowym. Po ponownym nawinięciu rdzenia o średnicy wewnętrznej 20 mm, charakterystyka metodą przepływomierza prądu stałego pokazuje (figura 4), że pętla histerezy przy nasyceniu (maksymalne zastosowane pole 20 Oe) jest bardzo liniowa w swojej części odpowiadającej polu wynoszącemu do 6 lub 7 Oe: w ten sposób jeżeli ogranicza się maksymalne zastosowane pole (przemienne i/lub stałe) poniżej 6 lub 7 Ue, jak na przykład 1 Oe, materiał pracuje jedynie w bardzo wąskiej i liniowej pętli histerezy (figura 4), co odpowiada ideałowi czujnika prądu. [0047] Remanencja jest tak słaba, że trudno jest podać wartość inną niż 0 przy bliskiej niedokładności pomiarowej. W każdym razie pewne jest, że wynosi ona poniżej 0,02T. Pole koercji 21 moe również jest

8 7 bardzo słabe i pozwala myśleć, że przenikalności lokalne µ loc (nazywane również różnicowymi) mierzone przy 10 khz z nałożoną składową stałą Hcc będą bardzo bliskie µ lin i bardzo stabilne w zależności od Hcc. Jest to potwierdzone przez krzywe przedstawione na figurach 5 i 6, na których widać, w porównaniu ze sprasowanymi proszkami FeNi (MPP) i stopami nanokrystalicznymi na bazie kobaltu (Hitperm), że przenikalność rdzeni według wynalazku (SAN) pozostaje dużo bardziej stabilna, gdy porównuje się sąsiednie poziomy przenikalności. [0048] Te krzywe, które reprezentują stosunek między przenikalnością lokalną µ loc (H cc ) dla nałożonego pola stałego H cc i przenikalnością lokalną µ loc (0) dla zerowego nałożonego pola stałego, w zależności od nałożonego pola stałego H cc, dla różnych materiałów charakteryzujących się przenikalnością liniową µ lin, pokazują, że: - dla rdzenia według wynalazku o względnej przenikalności liniowej 1700 (SAN µ1700), stosunek µ loc (H cc ) / µ loc (0) pozostaje prawie równy 1 dla pola H cc wynoszącego do około 2 Oe, - dla stopów nanokrystalicznych na bazie kobaltu Hitperm µ700 i µ3500, stosunek µ loc (H cc ) / µ loc (0) spada poniżej 0,9, gdy pole H cc osiąga 0,1 Oe, - dla sprasowanych proszków FeNi, stosunek µ loc (H cc )/µ loc (0) pozostaje stabilny jedynie dla próbek odpowiadających słabym przenikalnościom (MPP µ300 i MPP µ30), a dla przenikalności względnej 550 (MPP µ550), stosunek µ loc (H cc ) / µ loc (0) pogarsza się bardzo szybko. zmienia się o 16%[0049] To bardzo korzystne zachowanie powiązane jest bezpośrednio z bardzo dobrą liniowością pętli histerezy B-H, o ile nie zostanie osiągnięte zagięcie krzywej nasycenia i tak, jak widać na figurze 1, która przedstawia pętlę histerezy. Remanencja B r, jest bardzo słaba i mamy µ loc = µ lin, a więc µ loc niezależne od H cc, co jest idealne do zastosowania. [0050] Na figurze 7 widać, że względna zmienność przenikalności µ lin między 20 C a 100 C nie przekracza 10. [0051] Aby ocenić powtarzalności procesu wytwarzania, trzy nanokrystaliczne rdzenie wykonano według wynalazku z tym samym wyjściowym pasem amorficznym i tym samym rozciąganiem przy 50 Mpa przez nawijanie. Jak to przedstawia figura 8, różnice w charakterystyce między trzema rdzeniami są mniejsze niż 5 %. [0052] Przenikalność magnetyczna rdzenia według wynalazku zmienia się w sumie o mniej niż 15%, gdy temperatura zmienia się między -25 C a +60 C, co jest maksymalnym zakresem temperatury roboczej dla większości zastosować licznika energii. Tytułem przykładu klasyczny materiał amorficzny na bazie kobaltu. Rdzeń według Rdzeń amorficzny na bazie Przypadek uzwojonych rdzeni przy µ lin 1700 wynalazku kobaltu [µ lin (T)-µ lin (20 C)]/µ lin (20 C) w % między -25 C a -7%/+6% -15%/+1% +60 C [µ lin (T)-µ lin (20 C)]/µ lin (20 C) w % między -40 C a -8%/+17% -15%/+1% +120 C [0053] Pewne zastosowania wymagają pracy aż do 120 C: w tym przypadku wydajność staje się bardziej korzystna w materiale amorficznym na bazie kobaltu. [0054] Natomiast rdzenie według wynalazku mają tę dużą zaletę względem materiału amorficznego na bazie kobaltu, że przenikalność zmienia się monotonicznie i prawie liniowo wraz z temperaturą, co umożliwia łatwą

9 8 korektę elektroniczną pomiaru w zależności od temperatury, podczas gdy wydaje się to dużo trudniejsze dla materiału amorficznego na bazie kobaltu. W szczególności można to stwierdzić na figurze 9. [0055] Ponadto wynalazcy stwierdzili, że w przybliżeniu liniową zmienność przenikalności wraz z temperaturą można było zaobserwować do C. W szczególności pomiary różnic między przenikalnością w temperaturze T a 0 C dały następujące wyniki: T C Δµ/µ w % 0-0,8-2,1-3,6-5,4-7,3 [0056] Ponadto rdzeń według wynalazku w niewielkim stopniu starzej się pod wpływem temperatury. Można było tym samym zmierzyć spadek o 1% w przenikalności liniowej mierzonej w 20 C po suszeniu piecowym przez 100h w 120 C. Dla porównania przenikalność materiału amorficznego na bazie kobaltu w tych samych warunkach spada o 5 do 6%. [0057] W poniższej tabeli widać, że liniowości powyżej 5 lub 2% można zapewnić dla rdzeni według wynalazku w zakresach indukcji rzędu 1T. Widać, że przy identycznej liniowości rdzeń według wynalazku proponuje zakres indukcji pracy o około 10% wyższy niż dla materiału amorficznego na bazie kobaltu. Przypadek uzwojonych rdzeni przy µ lin 1700 Rdzeń według wynalazku Rdzeń amorficzny na bazie kobaltu ΔB dostępne dla Δµ loc /µ loc < 2% ΔBmax = 1,06 T ΔBmax = 0,94 T ΔB dostępne dla Δµ loc /µ loc < 5% ΔBmax = 1,12 T ΔBmax = 1,03 T [0058] Należy w końcu zauważyć, że częstotliwość graniczna materiału według wynalazku (odpowiadająca częstotliwości, przy której uzyskuje się maksymalną amplitudę przenikalności urojonej µ" mierzonej na impedancjometrze) jest wyższa niż 2 MHz, bądź około 2 razy wyższa od częstotliwości granicznej stopu nanokrystalicznego na bazie kobaltu (Hit.perm), którego przenikalności 590 i 2860 obejmują tę dla materiału według wynalazku, jak to przedstawia poniższa tabela. Stabilność dynamiczna rdzeni według wynalazku jest zatem bardzo dobra i z tego względu nadaje się do zastosowania w dwustopniowych czujnikach prądu typu sondy prądowej. Materiał µ'(10khz) Częstotliwość f c f c (Max µ") Hitperm MHz MHz wynalazek MHz [0059] Ponadto częstotliwość odcięcia wewnętrznego może osiągnąć 10MHz i więcej dla niskich przenikalności. [0060] Indukcja o nasyceniu Bs rdzenia może być wyższa od 0,9 Tesli, a nawet od 1 Tesli, to znaczy 1, 2 Tesle. Dal porównania materiał amorficzny na bazie kobaltu nie osiągnie 1T nasycenia. [0061] Zresztą wynalazcy zbadali wpływ niklu i kobaltu, który jest pierwiastkiem, którego działanie jest podobne do niklu, na właściwości stopów, których dotyczy niniejszy wynalazek. [0062] Poniższa tabela podaje, dla stopu, którego skład atomowy % stanowi (Fe 100-x-y Co x Ni y ) 74 Cu 1 Nb 3 Si 15 B 7, zakres przenikalności dostępny w wyniku obróbki cieplnej według wynalazku, pole koercji Hc, współczynnik magnetostrykcji λ s, stosunek przenikalności w 150 C i w 25 C i straty magnetyczne przy 500kHz, dla indukcji 50 mt w 27 C.

10 9 x y Dostępny zakres µ Hc λ s (w µ(150 C)/µ(25 Straty magnetyczne przy 500kHz, (A/m) ppm) C) 50mT, 27 C (w mw/cm 3 ) 0 0 od 4000 do 200, a -0,5< λ s 3 nawet mniej <+0,5 1, ,7 0 µ > ,8 1, ,9 0 µ > ,3 1, µ > 350 4,5 1 1, ,2 3 µ > 400 4,8 1,5 1,6 780 [0063] W odniesieniu do tej tabeli można stwierdzić zwłaszcza, że im mniejsza jest suma zawartości niklu i kobaltu, tym mniejszą wartość bezwzględną ma współczynnik magnetostrykcji. [0064] Ogólniej wynalazcy stwierdzili, że gdy suma zawartości niklu i kobaltu pozostaje mniejsza niż 5%, a lepiej niż 4%, wartość bezwzględna współczynnika magnetostrykcji pozostaje niższa niż 2 ppm i może być nawet niższa niż 1 ppm. [0065] Ta właściwość jest szczególnie interesująca, ponieważ czułość stopu na naprężenia zewnętrzne (klejenie, powlekanie, impregnacja, cięcie, manipulacja etc.) jest tym mniejsza, im mniejszy jest współczynnik magnetostrykcji. [0066] Stop stosowany dla niniejszego wynalazku zasadniczo nie zawiera kobaltu, przede wszystkim ze względów ekonomicznych. Jednakże ze względu na warunki przetwarzania stop może zawierać niewiele kobaltu, w ilościach śladowych, to znaczy zawartości poniżej 0,5%. [0067] W tych warunkach aby uzyskać rdzenie w niewielkim stopniu czułe na naprężenia wygenerowane podczas wytwarzania, korzystne jest, aby zawartość niklu pozostała poniżej 4,5%, lepiej poniżej 4%, a jeszcze lepiej poniżej 3%. [0068] W przypadku sondy prądowej rdzeń według wynalazku, dzięki swojemu wysokiemu nasyceniu i swojej zoptymalizowane przenikalności bez szczeliny, dzięki swojej częstotliwości granicznej przekraczającej 1 MHz pozwala ograniczyć rozmiar sondy od 80 do 98%, co jest dużą zaletą w systemach sterowania składowymi mocy. Przykład - Miniaturyzacja dwustopniowego transformatora [0069] Dwustopniowy transformator prądu według wynalazku został zbudowany na podstawie następujących specyfikacji: - Niska częstotliwość graniczna: 100 Hz -3 db - Wysoka częstotliwość graniczna: 10 MHz -3dB - Zakres częstotliwości pomiarowej: składowe harmoniczne pomiędzy 100Hz i 10MHz - Zakres pomiarowy: 50 DC + 50 AC : przemienny prąd obciążenia 50A + nałożony prąd stały 50A [0070] Transformator według stanu techniki został zbudowany na podstawie tych samych specyfikacji, stosując pierwszy konwencjonalny stopień z ferrytu bez zlokalizowanej szczeliny, podczas gdy transformator według wynalazku został zbudowany, stosując pierwszy stopień z nanokryształów o słabej przenikalności. [0071] Właściwości magnetyczne i wymiarowe uzyskanych transformatorów zostały zestawione w następującej tabeli, w której: Ae : odcinek rdzenia, Le : średni obwód, Objętość: suma objętości 2 rdzeni magnetycznych,

11 10 Konfiguracja według wynalazku Konfiguracja według stanu techniki Rdzeń 1 Rdzeń 2 Rdzeń 3 Rdzeń 4 1 stopień 2 stopień 1 stopień 2 stopień A e (m 2 ) 0,40 0,24 3,15 0,22 L e( cm) 4,5 2,4 16 6,3 Objętość (cm 3 ) 2,376 51,786 B s (Tesla) 1,25 1,25 0,3 1,25 A L 183 nh 50 µh 318 nh 72 µh Materiał Rdzeń ferrytowy Nanokrystaliczny Konwencjonalny Konwencjonalny MnZn o według wynalazku nanokrystaliczny nanokrystaliczny zlokalizowanej (µ=200) (T45-6 d'imphy) (T45-6 d'imphy) szczelinie Liczba uzwojeń Rezystancja przewodu 68 mω 5 Ω 46 mω 5Ω [0072] Widać zatem, że zastosowanie kompozycji nanokrystalicznych według wynalazku pozwala ograniczyć objętość dwustopniowego transformatora o czynnik 25, w porównaniu z transformatorami ze stanu techniki zawierającymi rdzeń z ferrytu o zlokalizowanej szczelinie. Ponadto taki transformator nie wymaga stosowania ekranowania. [0073] Wynalazek nie ogranicza się do przykładu wykonania, który został opisany. [0074] W ten sposób można przewidzieć wykonanie rdzeni nanokrystalicznych z wielu stopów, takich jak zdefiniowano powyżej zawierających żelazo, krzem, pierwiastek amorfizujący i inne dodatkowe pierwiastki, można regulować warunki temperaturowe i naprężeniowe podczas wyżarzania do innych wartości niż te, które wskazano, przy czym te wartości mieszczą się jednak w zastrzeganych przedziałach. [0075] Wykonane rdzenie mogą być okrągłe, kwadratowe lub podłużne. [0076] Wykonane rdzenie, po nanokrystalizacji w celu uzyskania magnetostrykcji widocznej przy nasyceniu bliskim zeru, mogą być powlekane żywicą ochronną bezpośrednio na metalu zamiast obudowy ochronnej, bez ryzyka zakłóceń wydajności magnetycznej koniecznej dla czujnika prądu, takiego jak już opisano. [0077] Wynalazcy stwierdzili nowym sposobem, że rdzenie można stosować w sposób bardzo korzystny do wytwarzania rdzeni transformatora dla czujników prądu przemiennego, a bardziej szczegółowo dla czujników o następujących szczególnych konfiguracjach i zastosowaniach: - rdzeń jednostopniowego licznika prądu spełniający wymagania normy IEC 1036 dla najmniejszych zakresów prądu w pomiarze energii niskich częstotliwości (maks. 50A), mogący zwłaszcza obsługiwać nałożone silne składowe stałe i/lub nałożone silne składowe harmoniczne, nie mający zlokalizowanej szczeliny, ani ekranowania, nie zawierający kobaltu, równie dokładny jak materiał amorficzny na bazie kobaltu, ewentualnie nieco mniej stabilny temperaturowo powyżej 60 C niż materiał amorficzny na

12 11 bazie kobaltu, ale znacznie łatwiejszy do skorygowania, starzejący się dużo mniej powyżej 100 C niż materiał amorficzny na bazie kobaltu i odpowiadający czujnikom co najmniej równie zwartym, - rdzeń transformatora prądu licznika prądu o dwustopniowej strukturze (zakresy prądu obciążenia powyżej 50A, na które nakładają się ewentualne składowe stałe i/lub harmoniczne) wymagający zakresu przenikalności jeszcze bardziej pomniejszonego niż wcześniej, mianowicie µ<1200, obecnie niemożliwego do uzyskania bez zlokalizowanej szczeliny (poza zakresem materiałów amorficznych na bazie kobaltu) i uzyskiwanego obecnie z dwoma wyciętymi rdzeniami z Fer, FeS lub ferrytu, co wprowadza jednocześnie silną histerezę, dużą czułość na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, co może wymagać przestrzennego i kosztownego ekranowania, - rdzeń licznika energii wykonany w sposób innowacyjny o jednostopniowej strukturze dzięki słabej przenikalności (zwykle <1200) i bardzo silnej liniowości B-H przed nasyceniem (Δµ/µ < 1% na ΔB=1T) rdzenia według wynalazku, i zastępujący tym samym dwustopniową strukturę liczników energii dla zakresów prądu obciążenia powyżej 50A, na które nakładają się ewentualne składowe stałe i/lub harmoniczne. Należy zauważyć, że ta innowacja nie ogranicza się do korzystnego zastępowania transformatora prądu: zastępuje ona jednocześnie transformator izolacyjny i rdzeń pomiarowy o wysokiej przenikalności (dzięki rdzeniowi o bardzo słabej przenikalności: przechodzi się w ten sposób od struktury dwustopniowej do jednostopniowej), - sondy prądowe o dużej dynamice pomiarowej do sterowania prądowego składowymi czynnymi mocy (IGBT, GTO, tyrystor...) w urządzeniach o średniej i dużej mocy. W przypadku takich sprzętów stosuje się dwustopniowe struktury z transformatorem prądu z przodu o małej równoważnej przenikalności i bocznikowy czujnik prądu na bazie rdzenia magnetycznego o wysokiej przenikalności i dużej stabilności częstotliwości, taki jak konwencjonalny rdzeń nanokrystaliczny (µ>20 000). [0078] Dzięki tym rdzeniom można wytwarzać odpowiednie czujniki, które, w porównaniu ze znanymi czujnikami, mają zalety, które bezpośrednio wynikają z zalet rdzeni. Zastrzeżenia Patentowe 1. Uzwojony rdzeń nanokrystaliczny bez zlokalizowanej szczeliny składający się z materiału nanokrystalicznego o składzie atomowym: gdzie a 0,3, 0,6 x 1,5, 10 y 17, 5 z 14, 2 α 6, β 7, γ 8, przy czym M' jest co najmniej jednym z pierwiastków V, Cr, Al i Zn, M" jest co najmniej jednym z pierwiastków C, Ge, P, Ga, Sb, In i Be, o indukcji remanencyjnej poniżej 0,02T i częstotliwości granicznej powyżej 1 MHz, przy czym wymieniony rdzeń jest znamienny tym, że ma przenikalność µ wyższą niż 1000 i mniejszą lub równą 4000, nasycenie powyżej 1T, zakres indukcji, gdzie przenikalność nie zmienia się więcej niż o 5% powyżej 0,9T, i tym, że jest taki, że µ mierzone w 20 C zmienia się o mniej niż 1%, gdy rdzeń poddawany jest starzeniu przez 100h w 120 C, wartość bezwzględna współczynnika magnetostrykcji wymienionego rdzenia jest mniejsza niż 2 ppm, µ zmienia się o mniej niż 15%, gdy temperatura zmienia się między -25 C i +60 C, i o mniej niż 25%, gdy temperatura zmienia się między - 40 C i +120 C, i tym, że µ zmienia się w sposób

13 12 monotoniczny i w przybliżeniu liniowy wraz z temperaturą między - 40 C i +120 C, i tym, że zawartość niklu jest mniejsza niż 4,5%. 2. Uzwojony rdzeń według zastrz. 1, znamienny tym, że µ zmienia się w sposób monotoniczny i w przybliżeniu liniowy wraz z temperaturą między C i C. 3. Uzwojony rdzeń według zastrz. 1 albo zastrzeżenia 2, znamienny tym, że skład stopu nanokrystalicznego jest taki, że, w % atomowych: przy czym pozostałą częścią jest żelazo i zanieczyszczenia. 4. Elektryczne urządzenie pomiarowe typu licznik energii lub typu sonda prądowa zawierające co najmniej jeden rdzeń magnetyczny, znamienne tym, że co najmniej jednym rdzeniem magnetycznym jest rdzeń magnetyczny bez zlokalizowanej szczeliny znajdujący się według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że składa się z jednostopniowego licznika energii według normy IEC 1036 dla zakresów poniżej 50A, którego nanokrystaliczny rdzeń magnetyczny ma przenikalność µ zawierającą się między 1000 i 4000, a korzystnie poniżej Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że nie obejmuje ekranowania. 7. Urządzenie według zastrz. 5 albo 6, znamienne tym, że jest przystosowane do pomiaru prądu zawierającego silną składową stałą.

14 13

15 14

16 15

17 16

18 17

19 18

20 19

21 20 ODNOŚNIKI CYTOWANE W OPISIE Ta lista odnośników cytowanych przez zgłaszającego ma na celu wyłącznie pomoc dla czytającego i nie stanowi części dokumentu patentu europejskiego. Nawet jeżeli dołożono największej troski do jego ujęcia, nie można wykluczyć błędów i przeoczeń i OEB odrzuca wszelką odpowiedzialność pod tym względem. Dokumenty patentowe cytowane w opisie US B1 [0013] WO A2 [0014] FR A1 [0015] FR [0034]