NO331604B1

NO331604B1 - Controllable inductive device

Info

Publication number: NO331604B1
Application number: NO20062085A
Authority: NO
Inventors: Frank Strand; Espen Haugs
Original assignee: Magtech As
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2012-02-06
Also published as: NO20062085L

Abstract

En styrbar induktor, omfattende første og andre koaksiale og konsentriske rørelementer, hvor nevnte elementer er koblet til hverandre ved begge ender ved hjelp av magnetiske endekoblere, en første vikling viklet rundt begge elementene og en andre vikling viklet rundt i det minste ett av nevnte elementer, hvor viklingsaksen for det første elementet er vinkelrett på elementets akser og viklingsaksen for den andre viklingen samsvarer med elementenes akser, karakterisert ved at nevnte første og andre magnetiske elementer er fremstilt av anisotropisk magnetisk materiale slik at den magnetiske permeabiliteten i retningen til et magnetisk felt innført av nevnte første vikling er betydelig høyere enn den magnetiske permeabiliteten i retningen til et magnetisk felt innført av nevnte andre vikling.A controllable inductor, comprising first and second coaxial and concentric tubular elements, said elements being connected to each other at both ends by means of magnetic end couplers, a first winding wound around both elements and a second winding wound around at least one of said elements, wherein the winding axis of the first element is perpendicular to the axes of the element and the winding axis of the second winding corresponds to the axes of the elements, characterized in that said first and second magnetic elements are made of anisotropic magnetic material so that the magnetic permeability towards a magnetic field introduced by said first winding is significantly higher than the magnetic permeability in the direction of a magnetic field introduced by said second winding.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrørende en styrbar induktor, og nærmere bestemt en styrbar induktor omfattende første og andre koaksiale og konsentriske rørelementer omfattende anisotropisk materiale hvor nevnte elementer er koblet til hverandre ved begge ender ved hjelp av magnetiske endekoblere, en første vikling som er viklet rundt begge nevnte magnetiske rørelementer, en andre vikling som er viklet rundt i det minste ett av de magnetiske rørelementene, hvor en viklingsakse for den første viklingen er rettvinklet til en akse for i det minste ett av de magnetiske rørelementene hvor en viklingsakse for den andre viklingen samsvarer med aksen hvor, når energisert, den første viklingen genererer et magnetisk felt i en første retning som samsvarer med en retning av en første magnetisk permeabilitet hvor, når energisert, den andre viklingen genererer et magnetisk felt i en andre retning som samsvarer med en retning for en andre magnetisk permeabilitet, og hvor den første magnetiske permeabiliteten i alt vesentlig er høyere enn den andre magnetiske permeabiliteten. The present invention relates to a controllable inductor, and more specifically a controllable inductor comprising first and second coaxial and concentric tube elements comprising anisotropic material where said elements are connected to each other at both ends by means of magnetic end couplers, a first winding which is wound around both said magnetic tube elements, a second winding wound around at least one of the magnetic tube elements, where a winding axis of the first winding is at right angles to an axis of at least one of the magnetic tube elements where a winding axis of the second winding coincides with the axis wherein, when energized, the first winding generates a magnetic field in a first direction corresponding to a direction of a first magnetic permeability wherein, when energized, the second winding generates a magnetic field in a second direction corresponding to a direction of a second magnetic permeability, and where the first magnetic perme ability is substantially higher than the other magnetic permeability.

Det har lenge vært interesse for å anvende et styrefelt for å styre et hovedfelt i en induktiv anordning. There has long been interest in using a control field to control a main field in an inductive device.

US 4.210.859 beskriver en anordning som omfatter en indre sylinder og en ytre sylinder som er festet til hverandre ved endene ved hjelp av koblingselementer. I denne anordningen er hovedviklingen viklet rundt kjernen og det passerer gjennom sylinderens sentrale åpning. Viklingsaksen følger en bane langs sylinderens periferi. Denne viklingen danner et ringformet magnetisk felt i sylinderens vegg og sirkulære felter i koblingselementene. Styringsviklingen er viklet rundt sylinderens akse. Det vil da dannes et felt i sylinderens langsgående retning. Som vanlig i magnetiske materialer, er kjernens permeabilitet endret ved virkningen av en styrestrøm som påføres styreviklingen. Fordi sylinderne og koblingselementene er laget av det samme materialet, vil hastigheten til endringen i permeabiliteten være den samme i begge typer elementer. Som konsekvens av dette, vil størrelsen til styrefeltet måtte begrenses for å hindre en metning av kjernen og dekomposisjon av styrefeltet. Som resultat av dette, er styringsområdet for denne induktoren begrenset og anordningen i US 4,210,859 har et relativt lite volum som begrenser anordningens e f fekthåndterings e vne. US 4,210,859 describes a device comprising an inner cylinder and an outer cylinder which are attached to each other at the ends by means of coupling elements. In this arrangement the main winding is wound around the core and it passes through the central opening of the cylinder. The winding axis follows a path along the periphery of the cylinder. This winding forms an annular magnetic field in the wall of the cylinder and circular fields in the coupling elements. The control winding is wound around the axis of the cylinder. A field will then be formed in the longitudinal direction of the cylinder. As usual in magnetic materials, the permeability of the core is changed by the action of a control current applied to the control winding. Because the cylinders and coupling elements are made of the same material, the rate of change in permeability will be the same in both types of elements. As a consequence of this, the size of the control field will have to be limited to prevent saturation of the core and decomposition of the control field. As a result of this, the control range of this inductor is limited and the device in US 4,210,859 has a relatively small volume which limits the device's power handling ability.

Andre anordninger omfatter styrt permeabilitet for bare en del av hovedfluksbanen. Imidlertid fører en slik tilnærming til en dramatisk begrensning i styringsområdet for anordningen. For eksempel beskriver US 4,393,157 en variabel induktor laget av et anisotropisk arkstrimmelmateriale. Denne induktoren omfatter to ringelementer som er satt sammen rettvinklet på hverandre med et begrenset skjæringsområde. Hvert ringelement har en vikling. Den delen av anordningen hvor magnetisk feltkontroll kan utføres er begrenset til området hvor de krysser hverandre. Det begrensede styreområdet er et relativt lite parti av den lukkede magnetiske kretsen for hovedfeltet og styrefeltet. En del av kjernen vil mettes først (metningen vil ikke nås samtidig for alle deler av kjernen fordi forskjellige felter vil virke på forskjellige områder) og denne metningen vil resultere i tap som genereres av spredte felter fra hovedfluksen. En delvis metning resulterer i en anordning med svært begrenset styringsområde. Other devices include controlled permeability for only part of the main flux path. However, such an approach leads to a dramatic limitation in the control range of the device. For example, US 4,393,157 describes a variable inductor made of an anisotropic sheet strip material. This inductor comprises two ring elements which are assembled at right angles to each other with a limited cross-sectional area. Each ring element has a winding. The part of the device where magnetic field control can be carried out is limited to the area where they cross each other. The limited control area is a relatively small part of the closed magnetic circuit for the main field and the control field. Part of the core will saturate first (saturation will not be reached simultaneously for all parts of the core because different fields will act on different areas) and this saturation will result in losses generated by scattered fields from the main flux. A partial saturation results in a device with a very limited control range.

Videre viser US 2883604 A en magnetisk frekvensendrer som utnytter kornorienterte magnetiske materialer. Furthermore, US 2883604 A shows a magnetic frequency changer that utilizes grain-oriented magnetic materials.

Videre viser WO 01/90835 en magnetisk påvirkbar strøm- eller spenningsregulator av et magnetiserbart materiale og tilveiebringer en lukket magnetisk krets, en første elektrisk leder viklet rundt legemet til en første vikling og en andre elektrisk leder viklet rundt legemet til en andre vikling og en styringsvikling. Furthermore, WO 01/90835 shows a magnetically actuable current or voltage regulator of a magnetizable material and provides a closed magnetic circuit, a first electrical conductor wound around the body of a first winding and a second electrical conductor wound around the body of a second winding and a control winding .

Således mangler den kjente teknikken en anordning for å styre permeabiliteten i en kjerne for vesentlig effekthåndteringsevne uten å innføre betydelige tap. Ulempene ved den kjente teknikken vil påvirke alle induktive anordningsgeometrier, og nærmere bestemt, bøyde strukturer laget av arkstrimmelmateriale fordi betydelige virvelstrøm og hysteresetap vil oppstå i denne type bøyde strukturer. Thus, the prior art lacks a means to control the permeability of a core for significant power handling capability without introducing significant losses. The disadvantages of the prior art will affect all inductive device geometries, and more specifically, bent structures made of sheet strip material because significant eddy current and hysteresis losses will occur in this type of bent structures.

Oppfinnelsen henvender seg til disse ulemper og kan implementeres ved kjerne for en magnetisk styrbar induktor som definert i det selvstendige krav 1. Den foreliggende oppfinnelsen angår også en styrbar induktor som definert i det selvstendige krav 7. The invention addresses these disadvantages and can be implemented at the core of a magnetically controllable inductor as defined in independent claim 1. The present invention also relates to a controllable inductor as defined in independent claim 7.

Dermed oppnås en styrbar induktiv anordning med lavt tap og som er egnet for høy effektanvendelse. Generelt kan oppfinnelsen anvendes for å styre den magnetiske fluksledningen i en rulleretning ved styrt domeneforflytning i en tverretning. This results in a controllable inductive device with low loss and which is suitable for high power applications. In general, the invention can be used to control the magnetic flux line in a rolling direction by controlled domain movement in a transverse direction.

I ett aspekt styrer permeabiliteten til kornorientert materiale i rulleretningen ved å anvende et styrefelt i tverretningen. I en utførelse er en styrbar induktiv anordning av et kornorientert stål magnetisert i tverretningen. I en annen utførelse tilveiebringes en styrbar induktor som omfatter første og andre koaksiale og konsentriske rørelementer. Elementene er koblet til hverandre ved begge endene ved hjelp av magnetiske endekoblere. En første vikling er viklet rundt begge elementene, en andre vikling er viklet rundt i det minste ett av elementene. Viklingsaksen for den første viklingen er vinkelrett til elementenes akser og viklingsaksen for den andre viklingen samsvarer med elementenes akser. Det første og det andre magnetiske elementet er fremstilt av et anisotropisk magnetisk materiale slik at den magnetiske permeabiliteten i retningen til et magnetisk felt som er innført av den første av viklingene er betydelige høyere enn den magnetiske permeabiliteten i retningen til et magnetisk felt innført av den andre viklingen. I en versjon av denne utførelsen er det anisotropiske materialet valgt fra en gruppe som omfatter kornorientert silisiumstål og domenestyrt høypermeabilitets kornorientert silisiumstål. In one aspect, the permeability of grain-oriented material is controlled in the rolling direction by applying a control field in the transverse direction. In one embodiment, a controllable inductive device of a grain-oriented steel is magnetized in the transverse direction. In another embodiment, a controllable inductor comprising first and second coaxial and concentric tube elements is provided. The elements are connected to each other at both ends using magnetic end connectors. A first winding is wound around both elements, a second winding is wound around at least one of the elements. The winding axis of the first winding is perpendicular to the axes of the elements and the winding axis of the second winding corresponds to the axes of the elements. The first and second magnetic elements are made of an anisotropic magnetic material so that the magnetic permeability in the direction of a magnetic field introduced by the first of the windings is significantly higher than the magnetic permeability in the direction of a magnetic field introduced by the second the winding. In one version of this embodiment, the anisotropic material is selected from a group comprising grain oriented silicon steel and domain controlled high permeability grain oriented silicon steel.

I en utførelse er de magnetiske endekoblerne laget av anisotropisk materiale og de tilveiebringer en lav permeabilitetsbane for det magnetiske feltet som dannes av den første viklingen og en høy permeabilitetsbane for det magnetiske feltet som dannes av den andre viklingen. Den styrbare induktoren kan også omfatte et tynt isolasjonsark plassert mellom de magnetiske rørelementkantene og endekoblerne. In one embodiment, the magnetic end couplers are made of anisotropic material and provide a low permeability path for the magnetic field formed by the first winding and a high permeability path for the magnetic field formed by the second winding. The controllable inductor may also comprise a thin insulating sheet placed between the magnetic tube element edges and the end connectors.

I en videre utførelse omfatter en styrbar magnetisk struktur en lukket magnetisk krets. Den lukkede magnetiske kretsen omfatter et første magnetiskkrets-element og et andre magnetiskkrets-element. Hvert av de magnetiske kretselementene er fremstilt av et anisotropisk materiale med en høy permeabilitetsretning. Den styrbare magnetiske strukturen omfatter også en første vikling som er viklet rundt et første parti av den lukkede magnetiske kretsen og en andre vikling som er orientert rettvinklet til den første viklingen. Den første viklingen danner et første magnetisk felt i høypermeabilitetsretningen til det første kretselementet og den andre viklingen genererer et andre felt i en retning som er vinkelrett til den første retningen når de respektive viklingene er eksitert (det vil si energisert). In a further embodiment, a controllable magnetic structure comprises a closed magnetic circuit. The closed magnetic circuit comprises a first magnetic circuit element and a second magnetic circuit element. Each of the magnetic circuit elements is made of an anisotropic material with a high permeability direction. The controllable magnetic structure also includes a first winding that is wound around a first portion of the closed magnetic circuit and a second winding that is oriented at right angles to the first winding. The first winding generates a first magnetic field in the high permeability direction of the first circuit element and the second winding generates a second field in a direction perpendicular to the first direction when the respective windings are excited (ie energized).

I en versjon av denne utførelsen omfatter den styrbare magnetiske strukturen et første kretselement som er et rørlegeme og et andre magnetisk kretselement som er en endekobler som kobler et første rørlegeme til et andre rørlegeme. I en versjon av denne utførelsen er det første rørlegemet og det andre rørlegemet plassert koaksialt rundt en akse og høypermeabilitetsretningen er en ringretning i forhold til denne aksen. I tillegg kan den andre høypermeabilitetsretningen være en radiell retning i forhold til aksen. I en annen versjon av denne utførelsen er den styrbare magnetiske strukturen fremstilt ved hjelp av et kornorientert materiale. I nok en annen versjon av denne utførelsen er den styrbare magnetiske strukturen en induktor. In one version of this embodiment, the controllable magnetic structure comprises a first circuit element which is a pipe body and a second magnetic circuit element which is an end coupler which connects a first pipe body to a second pipe body. In one version of this embodiment, the first tubular body and the second tubular body are positioned coaxially around an axis and the high permeability direction is an annular direction relative to this axis. In addition, the second high permeability direction may be a radial direction relative to the axis. In another version of this embodiment, the controllable magnetic structure is produced using a grain-oriented material. In yet another version of this embodiment, the controllable magnetic structure is an inductor.

I en annen utførelse er isolasjon plassert i den lukkede magnetiske kretsen mellom det første magnetiske kretselementet og det andre magnetiske kretselementet. I en annen utførelse har det andre magnetiske kretselementet et volum som er 10% til 20% av volumet til det første magnetiske kretselementet. In another embodiment, insulation is placed in the closed magnetic circuit between the first magnetic circuit element and the second magnetic circuit element. In another embodiment, the second magnetic circuit element has a volume that is 10% to 20% of the volume of the first magnetic circuit element.

I nok en annen utførelse er en kjerne tilveiebrakt for en magnetisk styrbar induktor. Kjernen omfatter første og andre koaksiale og konsentriske rørelementer og hvert rørelement er fremstilt av et anisotropisk magnetisk materiale. In yet another embodiment, a core is provided for a magnetically controllable inductor. The core comprises first and second coaxial and concentric tube elements and each tube element is made of an anisotropic magnetic material.

En akse er definert for hvert rørelement og rørelementene er koblet til hverandre i begge endene ved hjelp av magnetiske endekoblere. I tillegg har kjernen en første magnetisk permeabilitet i en første retning som er parallell med aksen til elementene og som er betydelig høyere enn en andre magnetisk permeabilitet i en andre retning som er vinkelrett på elementenes akser. I en versjon av denne utførelsen er første og andre rørelementer fremstilt av rullet arkmateriale omfattende en arkende og et belegg av et isolasjonsmateriale. I en annen versjon omfatter det første rørelementet et mellomrom i den tredje retningen parallell med aksene til elementene og de første og andre rørelementene er koblet sammen ved hjelp av et mikrometer tynt isolasjonslag i en skjøt som er plassert mellom de første og andre rørelementene. I en videre versjon forløper et luftmellomrom i en aksiell retning i hvert rørelement og en første reluktans for et første element er lik en andre reluktans for det andre elementet. I en utførelse er isolasjonsmaterialet valgt blant en gruppe som omfatter MAGNETITE-S og UNISIL-H. Videre kan den styrbare induktoren omfatte en tredje magnetisk permeabilitet som finnes i koblerne i en ringretning i forhold til aksene til elementene og en fjerde magnetisk permeabilitet som befinner seg i kobleren i en radiell retning i forhold til aksene til elementene. I en versjon av denne utførelsen er den fjerde magnetiske permeabiliteten vesentlig større enn den tredje magnetiske permeabiliteten. An axis is defined for each pipe element and the pipe elements are connected to each other at both ends by means of magnetic end connectors. In addition, the core has a first magnetic permeability in a first direction which is parallel to the axis of the elements and which is significantly higher than a second magnetic permeability in a second direction which is perpendicular to the axes of the elements. In a version of this embodiment, first and second pipe elements are made of rolled sheet material comprising a sheet end and a coating of an insulating material. In another version, the first pipe element comprises a space in the third direction parallel to the axes of the elements and the first and second pipe elements are connected by means of a micrometer thin insulation layer in a joint which is placed between the first and second pipe elements. In a further version, an air gap extends in an axial direction in each tube element and a first reluctance for a first element is equal to a second reluctance for the second element. In one embodiment, the insulating material is selected from a group comprising MAGNETITE-S and UNISIL-H. Furthermore, the controllable inductor may comprise a third magnetic permeability which is found in the couplers in an annular direction in relation to the axes of the elements and a fourth magnetic permeability which is in the coupler in a radial direction in relation to the axes of the elements. In one version of this embodiment, the fourth magnetic permeability is substantially greater than the third magnetic permeability.

I et annet aspekt tilveiebringes en magnetisk koblingsanordning for å koble første og andre koaksielle og konsentriske rørelementer til hverandre for å tilveiebringe en magnetisk kjerne for en styrbar induktor. De magnetiske endekoblerne er fremstilt av et anisotropisk materiale og de tilveiebringer en lav permeabilitetsbane for magnetiske felt som er generert av den første viklingen og en høy permeabilitetsbane for magnetiske felt som er generert av den andre viklingen. I en versjon av denne utførelsen omfatter den magnetiske kobleren et kornorientert arkmetall med en tverretning som tilsvarer den kornorienterte retningen til rørelementene i en sammensatt kjerne. I tillegg tilsvarer den kornorienterte retningen tverretningen for rørelementene i den sammensatte kjernen for å sikre at endekoblerne blir mettet etter rørelementene. I en versjon av denne utførelsen er de magnetiske endekoblerne fremstilt av en enkelt tråd av magnetisk materiale. I en annen versjon av denne utførelsen er de magnetiske endekoblerne fremstilt av flere tråder av magnetisk materiale. In another aspect, a magnetic coupling device is provided for connecting first and second coaxial and concentric tube elements to each other to provide a magnetic core for a controllable inductor. The magnetic end couplers are made of an anisotropic material and they provide a low permeability path for magnetic fields generated by the first winding and a high permeability path for magnetic fields generated by the second winding. In one version of this embodiment, the magnetic coupler comprises a grain-oriented sheet metal with a transverse direction corresponding to the grain-oriented direction of the tubular elements in a composite core. In addition, the grain oriented direction corresponds to the transverse direction of the tubular elements in the composite core to ensure that the end connectors are saturated after the tubular elements. In one version of this embodiment, the magnetic end connectors are made from a single strand of magnetic material. In another version of this embodiment, the magnetic end connectors are made of several strands of magnetic material.

De magnetiske endekoblerne kan være fremstilt på forskjellige måter. I en utførelse er endekoblerne fremstilt ved å rulle et magnetisk arkmateriale fra en toroidformet kjerne. Kjernen har en størrelse og er utformet slik at den passer til rørelementene og kjernene er delt i to halvdeler langs et plan som er tverrliggende i forhold til materialet kornorienteringsretning (Grain Orientation, GO). I tillegg til dette er bredden til endekobleren justert til å gjøre at segmentene kobler det første rørelementet til det andre rørelementet ved rørelementendene. I en annen utførelse er de magnetiske endekoblerne laget av enten flertråd- eller enkelttrådsmagnetisk materiale som er viklet til å danne en torus og torusen er delt i to halvdeler langs et plan som er rettvinklet til alle trådene. The magnetic limit switches can be manufactured in different ways. In one embodiment, the end connectors are made by rolling a magnetic sheet material from a toroidal core. The core has a size and is designed so that it fits the pipe elements and the cores are divided into two halves along a plane that is transverse to the material grain orientation direction (Grain Orientation, GO). In addition to this, the width of the end coupler is adjusted so that the segments connect the first pipe element to the second pipe element at the pipe element ends. In another embodiment, the magnetic end connectors are made of either multi-wire or single-wire magnetic material which is wound to form a torus and the torus is divided into two halves along a plane perpendicular to all the wires.

I en annen utførelse har en variabel induktiv anordning lav remanens, slik at anordningen lett kan nullstilles mellom arbeidssykluser i vekselstrømdrift og kan tilveiebringe en tilnærmet lineær, stor induktansendring. In another embodiment, a variable inductive device has low remanence, so that the device can be easily reset between duty cycles in alternating current operation and can provide an approximately linear, large inductance change.

Oppfinnelsen vil nå beskrives i detalj ved hjelp av eksempler illustrert i de følgende tegninger. Figur 1 viser et ark av magnetisk materiale og den relative stillingen til rulleretningen og den aksielle retningen. Figur 2 viser en rullet kjerne og rulleretningen og den aksielle retningen definert i denne. Figur 3 viser et ark av kornorientert materiale og kornretningen og tverretningen definert deri. Figur 4 viser en rullet kjerne av kornorientert materiale og kornretningen og tverretningen definert i den. Figur 5 viser de relative stillingene til de forskjellige retningene i et rørelement. Figur 6 viser skjematisk en del av en anordning ifølge en utførelse av oppfinnelsen. The invention will now be described in detail by means of examples illustrated in the following drawings. Figure 1 shows a sheet of magnetic material and the relative position to the rolling direction and the axial direction. Figure 2 shows a rolled core and the rolling direction and the axial direction defined therein. Figure 3 shows a sheet of grain-oriented material and the grain direction and transverse direction defined therein. Figure 4 shows a rolled core of grain-oriented material and the grain direction and transverse direction defined therein. Figure 5 shows the relative positions of the different directions in a pipe element. Figure 6 schematically shows part of a device according to an embodiment of the invention.

Figur 7 viser anordningen ifølge utførelsen på figur 6. Figure 7 shows the device according to the embodiment in Figure 6.

Figur 8 viser et tverriss av anordningen vist på figur 7. Figure 8 shows a cross-section of the device shown in Figure 7.

Figur 9 viser stillingen til tynne isolasjonsark mellom de magnetiske endekoblerne og de sylindriske kjernene av en innretning ifølge en utførelse av oppfinnelsen. Figur 10 viser en fremstilling av magnetiske endekoblere basert på magnetisk arkmateriale. Figur 11 viser en torus for fremstilling av magnetiske endekoblere basert på tråder av magnetiske materiale. Figur 12 viser et tverrsnitt av et torusformet magnetisk materiale for fremstilling av magnetiske endekoblere. Figure 9 shows the position of thin insulating sheets between the magnetic end couplers and the cylindrical cores of a device according to an embodiment of the invention. Figure 10 shows a production of magnetic end connectors based on magnetic sheet material. Figure 11 shows a torus for the production of magnetic end connectors based on threads of magnetic material. Figure 12 shows a cross-section of a torus-shaped magnetic material for the production of magnetic end connectors.

Figur 13 viser kornretningen og tverretningen i magnetiske endekoblere. Figure 13 shows the grain direction and the transverse direction in magnetic end connectors.

Figur 14 viser et riss av en torus for fremstilling av magnetiske endekoblere hvor fasongen er justert til å tilpasses rørelementer ifølge en utførelse av oppfinnelsen. Figur 15 viser en torus som er fremstilt ved hjelp av magnetisk tråd ifølge en utførelse av oppfinnelsen. Figure 14 shows a drawing of a torus for the production of magnetic end connectors where the shape is adjusted to fit pipe elements according to an embodiment of the invention. Figure 15 shows a torus which is produced using magnetic wire according to an embodiment of the invention.

Figur 16 viser et tverrsnitt av torusen på figur 15. Figure 16 shows a cross-section of the torus in Figure 15.

Figur 17 viser domenestrukturen i kornorientert materiale. Figure 17 shows the domain structure in grain-oriented material.

Fig. 12 og 13 utgjør bakgrunnsteknikk for oppfinnelsen. Fig. 12 and 13 constitute background technology for the invention.

Arkstrimmelmateriale er anvendt i fremstilling av magnetiske kjerner. Disse kjernene kan fremstilles ved for eksempel å rulle et ark av materiale til en sylinder eller ved å stable flere ark sammen og deretter å skjære elementene som vil danne kjernen. Det er mulig å definere i det minste to retninger i materialet som anvendes for å danne de "rullede" kjernene, for eksempel rulleretningen (rolling direction, "RD") og den aksielle retningen (axial direction, "AD"). Sheet strip material is used in the production of magnetic cores. These cores can be produced by, for example, rolling a sheet of material into a cylinder or by stacking several sheets together and then cutting the elements that will form the core. It is possible to define at least two directions in the material used to form the "rolled" cores, for example the rolling direction ("RD") and the axial direction ("AD").

Figurene 1 og 2 viser henholdsvis et ark av magnetisk materiale og en rullet kjerne. Rulleretningen og den aksielle retningen (RD, AD) vises i disse figurene. Som vist på figur 2, er rulleretningen til en rullet kjerne ifølge sylinderens periferi og den aksielle retningen samsvarer med sylinderens akse. Figures 1 and 2 show respectively a sheet of magnetic material and a rolled core. The rolling direction and the axial direction (RD, AD) are shown in these figures. As shown in Figure 2, the rolling direction of a rolled core is according to the periphery of the cylinder and the axial direction corresponds to the axis of the cylinder.

Materialer som har magnetiske karakteristikker som varierer avhengig av retningen i materialet kalles anisotropiske. Figurene 3 og 4 viser retningene definert i et ark av kornorientert anisotropisk materiale. Kornorientert (grain oriented, "GO") materiale er fremstilt ved å rulle et massivt materiale mellom ruller i flere trinn, sammen med oppvarming og avkjøling av det resulterende arket. Under fremstillingen er materialet belagt med et isolasjonslag som påvirker en domenereduksjon og en tilsvarende tapsreduksjon i materialet. Materialets deformasjonsprosess resulterer i et materiale hvor kornene (og følgelig de magnetiske domenene) er orientert hovedsakelig i en retning. Den magnetiske permeabiliteten når et maksimum i denne retningen. Generelt kalles denne retningen GO-retningen. Retningen som er rettvinklet til GO-retningen kalles tverretningen (trasverse direction, "TD"). UNISIL og UNISIL-H for eksempel, er typer av magnetisk anisotropisk materiale. I en utførelse tilveiebringer det kornorienterte materialet en i alt vesentlig høy prosentandel av domener som er tilgjengelige for rotasjon i tverretningen. Som et resultat av dette, har materialet lave tap og det tillater forbedret styring av permeabiliteten i kornorienteringsretningen via påføring av et styrefelt i tverretningen TD. Materials that have magnetic characteristics that vary depending on the direction in the material are called anisotropic. Figures 3 and 4 show the directions defined in a sheet of grain-oriented anisotropic material. Grain oriented ("GO") material is produced by rolling a solid material between rollers in several stages, along with heating and cooling the resulting sheet. During manufacture, the material is coated with an insulation layer which affects a domain reduction and a corresponding loss reduction in the material. The material's deformation process results in a material where the grains (and consequently the magnetic domains) are oriented mainly in one direction. The magnetic permeability reaches a maximum in this direction. In general, this direction is called the GO direction. The direction at right angles to the GO direction is called the transverse direction ("TD"). UNISIL and UNISIL-H for example, are types of magnetic anisotropic material. In one embodiment, the grain-oriented material provides an overall substantially high percentage of domains available for rotation in the transverse direction. As a result, the material has low losses and it allows improved control of the permeability in the direction of grain orientation via the application of a control field in the transverse direction TD.

Andre typer anisotropiske materialer er amorfe legeringer. Felles karakteristikker for alle disse typer er at man kan definere en "lett" eller "myk" magnetiseringsretning (høy permeabilitet) og en "vanskelig" eller "hard" magnetiseringsretning (lav permeabilitet). Magnetiseringen i retningen med høy permeabilitet er oppnådd ved domeneveggbevegelse, mens i retningen med lav permeabilitet oppnås magnetiseringen ved rotasjon av domenemagnetiseringen i feltretningen. Resultatet er en firkantet m-h-sløyfe i høypermeabilitetsretningen og en lineær m-h-sløyfe i lavpermeabilitetsretningen (hvor m er den magnetiske polariseringen som en funksjon av feltstyrken h). Videre, i en utførelse viser m-h-sløyfen i tverretningen ikke koersivitet og den har null remanens. I denne beskrivelsen anvendes begrepet GO når man refererer til høypermeabilitetsretningen, mens begrepet tverretning ("TD") er anvendt når man refererer til lavpermeabilitetsretningen. Disse begrepene vil anvendes ikke bare for kornorienterte materialer, men for et hvilket som helst anisotropisk materiale som anvendes i kjernen ifølge oppfinnelsen. I en utførelse er GO-retningen og RD-retningen samme retning. I en videre utførelse er TD-retningen og AD-retningen den samme retningen. I en annen utførelse er det anisotropiske materialet valgt blant en gruppe med amorfe legeringer omfattende METGLAS magnetisk legering 2605SC, METGLAS magnetisk legering 2605SA1, METGLAS magnetisk legering 2605CO, METGLAS magnetisk legering 2714A, METGLAS magnetisk legering 2826NB og Nanokrystallin RI02.1 en videre utførelse er det anisotropiske materialet valgt blant en gruppe med amorfe legeringer omfattende jernbaserte legeringer, koboltbaserte legeringer og jern-nikkelbaserte legeringer. Other types of anisotropic materials are amorphous alloys. Common characteristics for all these types are that one can define an "easy" or "soft" direction of magnetization (high permeability) and a "difficult" or "hard" direction of magnetization (low permeability). The magnetization in the direction with high permeability is achieved by domain wall movement, while in the direction with low permeability the magnetization is achieved by rotation of the domain magnetization in the field direction. The result is a square m-h loop in the high-permeability direction and a linear m-h loop in the low-permeability direction (where m is the magnetic polarization as a function of the field strength h). Furthermore, in one embodiment the m-h loop in the transverse direction does not exhibit coercivity and it has zero remanence. In this description, the term GO is used when referring to the high permeability direction, while the term transverse direction ("TD") is used when referring to the low permeability direction. These terms will be used not only for grain-oriented materials, but for any anisotropic material used in the core according to the invention. In one embodiment, the GO direction and the RD direction are the same direction. In a further embodiment, the TD direction and the AD direction are the same direction. In another embodiment, the anisotropic material is selected from a group of amorphous alloys comprising METGLAS magnetic alloy 2605SC, METGLAS magnetic alloy 2605SA1, METGLAS magnetic alloy 2605CO, METGLAS magnetic alloy 2714A, METGLAS magnetic alloy 2826NB and Nanocrystalline RI02.1 a further embodiment is the anisotropic material selected from a group of amorphous alloys comprising iron-based alloys, cobalt-based alloys and iron-nickel-based alloys.

Selv om anvendelsen av anisotropisk materiale er beskrevet, kan andre materialer anvendes så lenge de har en egnet kombinasjon av de følgende karakteristikker: 1) Høy spiss magnetiseringspolarisering og permeabilitet i RD; 2) lave tap; 3) lav permeabilitet i TD; 4) lav spiss magnetisk polarisering i TD; og 5) rotasjonsmagnetisering i tverretningen. Tabell 1 omfatter en delvis liste av materialer hvor arkstrimmelmaterialet kan implementeres og noen av karakteristikkene til materialene som er relevante for en eller flere utførelser av oppfinnelsen. Although the use of anisotropic material is described, other materials may be used as long as they have a suitable combination of the following characteristics: 1) High peak magnetization polarization and permeability in RD; 2) low losses; 3) low permeability in TD; 4) low peak magnetic polarization in TD; and 5) rotational magnetization in the transverse direction. Table 1 includes a partial list of materials where the sheet strip material can be implemented and some of the characteristics of the materials that are relevant for one or more embodiments of the invention.

Figur 5 viser en utførelse av et rørelement i en variabel induktans ifølge oppfinnelsen. Fordi dette elementet er fremstilt ved å rulle et ark av anisotropisk materiale kan man definere rulleretningen (RD), den aksielle retningen (AD), høypermeabilitetsretningen (GO) og lavpermeabilitetsretningen (TD). De relative stillingene til disse retningene i elementet vises på figur 5. Rørelementet kan et hvilket som helst tverrsnitt fordi formen til tverrsnittet simpelthen vil være avhengig av fasongen av elementet rundt hvilket arket rulles. Hvis arket rulles på et parallelt rør med firkantet tverrsnitt, vil rørelementet ha et firkantet tverrsnitt. På tilsvarende måte vil et ark som er rullet på et rør med et ovalt tverrsnitt formes til et rør med et ovalt tverrsnitt. I en utførelse er rørelementet en sylinder. Figure 5 shows an embodiment of a pipe element in a variable inductance according to the invention. Because this element is made by rolling a sheet of anisotropic material, one can define the rolling direction (RD), the axial direction (AD), the high permeability direction (GO) and the low permeability direction (TD). The relative positions of these directions in the element are shown in Figure 5. The tube element can have any cross-section because the shape of the cross-section will simply depend on the shape of the element around which the sheet is rolled. If the sheet is rolled on a parallel tube with a square cross-section, the tube element will have a square cross-section. In a similar way, a sheet rolled on a tube with an oval cross-section will be formed into a tube with an oval cross-section. In one embodiment, the pipe element is a cylinder.

Figur 6 viser skjematisk en del av en utførelse av en anordning 100 ifølge oppfinnelsen. Denne anordningen 100 omfatter et første rørelement 101 og et andre rørelement 102 hvor elementene er koblet til hverandre ved begge endene ved hjelp av magnetiske endekoblere. For klarhets skyld er de magnetiske endekoblerne ikke vist på figuren. En første vikling 103 er viklet rundt elementene 101 og 102 med en viklingsakse som er vinkelrett til elementenes akser. Det magnetiske feltet (Hf, Bf) dannet av denne viklingen når den aktiveres vil ha en retning langs elementets periferi, det vil si en ringretning i forhold til elementenes akser. En andre vikling 104 er viklet rundt elementet 102 med en viklingsakse som er parallell med elementenes akser. Det magnetiske feltet som er dannet av denne viklingen når den aktiveres (Hs, Bs) vil ha en retning som er parallell med elementenes akser, det vil si en aksiell retning i forhold til elementenes akser. I en utførelse er viklingsaksen for den andre viklingen 104 i samsvar med elementenes akser. I en annen utførelse er elementenes akser ikke i samsvar med hverandre. Figure 6 schematically shows part of an embodiment of a device 100 according to the invention. This device 100 comprises a first pipe element 101 and a second pipe element 102 where the elements are connected to each other at both ends by means of magnetic end connectors. For clarity, the magnetic limit switches are not shown in the figure. A first winding 103 is wound around the elements 101 and 102 with a winding axis that is perpendicular to the axes of the elements. The magnetic field (Hf, Bf) formed by this winding when it is activated will have a direction along the element's periphery, that is to say a ring direction in relation to the elements' axes. A second winding 104 is wound around the element 102 with a winding axis that is parallel to the axes of the elements. The magnetic field formed by this winding when it is activated (Hs, Bs) will have a direction that is parallel to the axes of the elements, that is to say an axial direction in relation to the axes of the elements. In one embodiment, the winding axis of the second winding 104 corresponds to the axes of the elements. In another embodiment, the axes of the elements do not correspond to each other.

Hvis vi kombinerer viklingene og de magnetiske feltene på figur 6 med den rullede materialkjernen i figur 5, vil dette resultere i en anordning 100 ifølge en utførelse av oppfinnelsen. I en versjon av denne utførelsen er den magnetiske permeabiliteten i retningen for et magnetisk felt (Hf, Bf) innført av den første viklingen 103 (det vil si retningen til GO, RD) betydelig høyere enn den magnetiske permeabiliteten i retningen av et magnetisk felt (Hs, Bs) innført av den andre viklingen 104 (det vil si retningen til TD, AD). If we combine the windings and magnetic fields of figure 6 with the rolled material core of figure 5, this will result in a device 100 according to an embodiment of the invention. In one version of this embodiment, the magnetic permeability in the direction of a magnetic field (Hf, Bf) introduced by the first winding 103 (that is, the direction of GO, RD) is significantly higher than the magnetic permeability in the direction of a magnetic field ( Hs, Bs) introduced by the second winding 104 (that is, the direction of TD, AD).

I en utførelse danner den første viklingen 103 hovedviklingen og den andre viklingen 104 danner styreviklingen. I en versjon av denne utførelsen er det magnetiske feltet (Hf, Bf) generert i høypermeabilitetsretningen (GO, RD) og styrefeltet (Hs, Bs) er generert i lavpermeabilitetsretningen (TD, AD). In one embodiment, the first winding 103 forms the main winding and the second winding 104 forms the control winding. In one version of this embodiment, the magnetic field (Hf, Bf) is generated in the high permeability direction (GO, RD) and the control field (Hs, Bs) is generated in the low permeability direction (TD, AD).

Minimale tap resulterer når et anisotropisk materiale anvendes for å tilveiebringe anordningen 100 som beskrevet med referanse til figurene 5 og 6. Disse resultatene oppnås uansett om anordningen 100 anvendes i en lineær applikasjon eller en bryterapplikasjon. I en lineær applikasjon er anordningen 100 koblet på og den forblir i en krets som en induktans. I en bryterapplikasjon er anordningen 100 anvendt for å koble på og koble fra en annen anordning i forhold til en effektkilde. Lave tap tillater at anordningen 100 anvendes i høyeffektanvendelser, for eksempel anvendelser i kretser som kan anvende transformatorer med område fra noen få hundre kVA i flere MVA i størrelse. Minimal losses result when an anisotropic material is used to provide the device 100 as described with reference to Figures 5 and 6. These results are achieved regardless of whether the device 100 is used in a linear application or a switch application. In a linear application, the device 100 is connected and remains in a circuit as an inductance. In a switch application, the device 100 is used to connect and disconnect another device in relation to a power source. Low losses allow the device 100 to be used in high power applications, for example applications in circuits that may use transformers ranging from a few hundred kVA to several MVA in size.

Som vist på likning 44) er effekthåndteringsevnen til kjernen avhengig av den maksimale blokkeringsspenningen Ub ved høy permeabilitet og den maksimale As shown in equation 44), the power handling capability of the core depends on the maximum blocking voltage Ub at high permeability and the maximum

magnetiseringstrømmen Im ved den minimale verdien til den styrte permeabiliteten. the magnetizing current Im at the minimum value of the controlled permeability.

Hvis magnetiseringsstrømmen og blokkeringsspenningen er uttrykt som funksjoner av den magnetiske felttettheten Bm, vil den synlige effekten Ps kunne uttrykke som: If the magnetizing current and the blocking voltage are expressed as functions of the magnetic field density Bm, the visible power Ps can be expressed as:

Hvor Vj er volumet til hovedfluksbanen i kjernen, u.0er permeabiliteten til fritt rom og u-r permeabiliteten til kjernen. Likning 45) viser at effekthåndteringsevnen er relatert til både volumet til kjernen og den relative permeabiliteten til kjernen. Ved svært høy permeabilitet vil magnetiseringsstrømmen være ved sitt høyeste nivå og bare en liten mengde effekt ledes. Where Vj is the volume of the main flux path in the core, u.0 is the permeability to free space and u-r is the permeability of the core. Equation 45) shows that the power handling capability is related to both the volume of the core and the relative permeability of the core. At very high permeability, the magnetizing current will be at its highest level and only a small amount of power will be conducted.

Det fremgår av likning 45) at den synlige effekten Ps pr volumenhet i kjernen er relatert til den relative permeabiliteten u.r. For tilsvarende kjerner hvor den minimale relative permeabiliteten til den første kjernen er halvparten av den minimale relative permeabiliteten til den andre kjernen, er den første kjernens synlige effekt to ganger større enn for den andre kjernen. Således er effekthåndteringen til et gitt kjernevolum begrenset av den minimale relative permeabiliteten til kjernevolumet. It appears from equation 45) that the visible effect Ps per unit volume in the core is related to the relative permeability u.r. For corresponding cores where the minimum relative permeability of the first core is half of the minimum relative permeability of the second core, the visible effect of the first core is twice that of the second core. Thus, the power handling of a given core volume is limited by the minimal relative permeability of the core volume.

Følgelig, i en utførelse, er volumet til de magnetiske endekoblerne omtrent 10-20% av den til hovedkjernen, men det magnetiske endekoblervolumet kan senkes videre til 54 eller Va av det avhengig av oppbyggingen av kjernen, og den nødvendige effekthåndteringsevnen. I en slik utførelse vil volumet i de magnetiske endekoblerne være 5%-10% av volumet til hovedkjernen. I nok en annen utførelse er volumet til de magnetiske endekoblerne 2,5%-5% av volumet til hovedkjernen. Accordingly, in one embodiment, the volume of the magnetic end couplers is about 10-20% of that of the main core, but the magnetic end coupler volume can be further lowered to 54 or Va of that depending on the construction of the core, and the required power handling capability. In such an embodiment, the volume in the magnetic end couplers will be 5%-10% of the volume of the main core. In yet another embodiment, the volume of the magnetic end couplers is 2.5%-5% of the volume of the main core.

En ny fenomenologisk teori for magnetiseringskurver og hysteresetap i kornorienterte (GO) lamineringer beskrives i en artikkel med tittelen "Comprehensive Modell of Magnetization Curve, Hysteresis Loops, and Losses in Any Direction in Grain-Oriented Fe-Si" av Fiorillo o.a. publisert i IEEE Transactions on Magnetics, bind 38, nr. 3, mai 2002 (heretter kalt "Fiorillo o.a. al."). Fiorillo o.a. leverer teoretiske og eksperimentelle bevis på det faktum at volumet som utvikles med magnetisering i tverretningen tas opp for magnetisering i rulleretningen. Således viser artikkelen at det er mulig å styre permeabilitet i en retning ved hjelp av et felt i en annen retning. A new phenomenological theory for magnetization curves and hysteresis losses in grain-oriented (GO) laminations is described in an article entitled "Comprehensive Model of Magnetization Curve, Hysteresis Loops, and Losses in Any Direction in Grain-Oriented Fe-Si" by Fiorillo et al. published in IEEE Transactions on Magnetics, Volume 38, Number 3, May 2002 (hereafter referred to as "Fiorillo et al."). Fiorillo et al. provide theoretical and experimental evidence of the fact that the volume developed with magnetization in the transverse direction is taken up for magnetization in the roll direction. Thus, the article shows that it is possible to control permeability in one direction by means of a field in another direction.

Fiorillo o.a. tilveiebringer også en modell for prosessene i et GO-materiale. Den presenterer for eksempel en modell som omfatter magnetiseringskurver, hysteresesløyfer og energitap i enhver retning i en GO-laminering. Modellen er basert på den enkle krystalltilnærmingen og beskriver at domenene utvikles på kompleks måte når et felt påføres langs TD. Med henvisning til figur 17, omfatter et GO-ark et mønster på 180° domenevegger som er hovedsakelig rettet langs RD. Den demagnetiserte tilstanden (figur 17a) erkarakterisert vedmagnetisering Js rettet langs [001] og [00T]. Når et felt påføres i TD (figur 17b), vil de basiske 180° domener transformeres gjennom 90° domene veggprosesser til et mønster laget av massedomener, med magnetiseringen rettet langs [100] og [0 T 0] (det vil si fremstilling av en vinkel på 45° i forhold til lamineringsplanet). Når denne nye domenestrukturen opptar en andel av prøvevolumet er den makroskopiske magnetiseringsverdien: Fiorillo et al. also provides a model for the processes in a GO material. For example, it presents a model that includes magnetization curves, hysteresis loops and energy loss in any direction in a GO lamination. The model is based on the simple crystal approach and describes that the domains develop in a complex way when a field is applied along the TD. Referring to Figure 17, a GO sheet comprises a pattern of 180° domain walls oriented mainly along the RD. The demagnetized state (figure 17a) is characterized by magnetization Js directed along [001] and [00T]. When a field is applied in the TD (Figure 17b), the basic 180° domains will transform through 90° domain wall processes into a pattern made of bulk domains, with the magnetization oriented along [100] and [0 T 0] (that is, making a angle of 45° in relation to the lamination plane). When this new domain structure occupies a proportion of the sample volume, the macroscopic magnetization value is:

J90 = magnetisering i TD J90 = magnetization in TD

Js = magnetisering i RD Js = magnetization in RD

v90 = brøkdel av prøvevolum v90 = fraction of sample volume

Den maksimale magnetiseringen som kan oppnås ved slutten av magnetiseringsprosessen J90 = 1,42 Tesla og en videre økning er oppnådd ved momentrotasjoner av domener. The maximum magnetization that can be achieved at the end of the magnetization process J90 = 1.42 Tesla and a further increase is achieved by torque rotations of domains.

Fiorillo et al. viser også at volumet til prøven som er opptatt av 180° domener avtar på grunn av veksten til 90° domenene. Således er permeabilitet eller fluksledning for felter som er påført i rulleretningen kontrollert med et styrefelt og styrt domeneforskyvning i tverretningen. Fiorillo et al. also shows that the volume of the sample occupied by 180° domains decreases due to the growth of the 90° domains. Thus, permeability or flux conduction for fields applied in the rolling direction is controlled with a control field and controlled domain displacement in the transverse direction.

Magnetiseringsoppførselen i tverretningen i GO-stål er beskrevet i "Magnetic Domains" av Hubert et al., Springer 2000, sidene 416-416 og 532-533. Styring av domeneforflytningen i tverretningen for å styre permeabilitet i rulleretningen er mest fordelaktig hovedsakelig fordi bevegelser av 180° veggene er unngått når et felt er påført rettvinklet til 180° veggene. Således vil hovedfeltet ikke påvirke det ortogonale styringsfeltet i allerede TD-magnetiserte volumer. The magnetization behavior in the transverse direction in GO steel is described in "Magnetic Domains" by Hubert et al., Springer 2000, pages 416-416 and 532-533. Controlling the domain movement in the transverse direction to control permeability in the rolling direction is most advantageous mainly because movement of the 180° walls is avoided when a field is applied at right angles to the 180° walls. Thus, the main field will not affect the orthogonal control field in already TD-magnetized volumes.

I motsetning til GO-stål hvor magnetiseringsmekanismen i GO-retningen og TD-retningen er forskjellig, er magnetiseringen av ikke-orientert stål bestående hovedsakelig av 180° domeneveggforflytninger og således er det styrte volumet kontinuerlig påvirket av både hovedfeltet og styringsfeltet i ikke-orientert stål. In contrast to GO steel where the magnetization mechanism in the GO direction and the TD direction is different, the magnetization of non-oriented steel consists mainly of 180° domain wall displacements and thus the controlled volume is continuously affected by both the main field and the control field in non-oriented steel .

Figur 7 viser en utførelse av anordningen 100 ifølge oppfinnelsen. Figuren viser første rørelement 101, første vikling 103 og de magnetiske endekoblerne 105, 106. De anisotropiske karakteristikkene til det magnetiske materialet for rørelementene er allerede blitt beskrevet, de består av at materialet har den myke magnetiseringsretningen (GO) i rulleretningen (RD). Figure 7 shows an embodiment of the device 100 according to the invention. The figure shows first pipe element 101, first winding 103 and the magnetic end couplers 105, 106. The anisotropic characteristics of the magnetic material for the pipe elements have already been described, they consist of the material having the soft magnetization direction (GO) in the rolling direction (RD).

Rørelementene er fremstilt ved å rulle et ark av GO-materiale. I en utførelse er GO-materialet høykvalitetsstål med minimale tap, for eksempel Cogents Unisil HM 105-30P5. The tube elements are produced by rolling a sheet of GO material. In one embodiment, the GO material is high quality steel with minimal losses, for example Cogent's Unisil HM 105-30P5.

Permeabiliteten til GO-stål i tverretningen er omtrent 1-10% av permeabiliteten i GO-retningen, avhengig av materialet. Som et resultat av dette er induktansen for en vikling som danner et felt i tverretningen bare 1-10% av induktansen til hovedviklingen som danner et felt i GO-retningen, gitt at begge viklingene har samme antall vindinger. Dette induktansforhold tillater en høy grad av styring av permeabiliteten i retningen til feltet generert av hovedviklingen. Også med styringsfluks i tverretningen, er toppmagnetiseringspolariseringen omtrent 20% lavere enn i GO-retningen. Som resultat av dette, er de magnetiske endekoblerne i anordningen ifølge oppfinnelsen ikke mettet av hovedfluksen eller av styringsfluksen, og de er i stand til å konsentrere styringsfeltet i materialet ved alle tidspunkter. The permeability of GO steel in the transverse direction is about 1-10% of the permeability in the GO direction, depending on the material. As a result, the inductance of a winding forming a field in the transverse direction is only 1-10% of the inductance of the main winding forming a field in the GO direction, given that both windings have the same number of turns. This inductance ratio allows a high degree of control of the permeability in the direction of the field generated by the main winding. Also with control flux in the transverse direction, the peak magnetization polarization is about 20% lower than in the GO direction. As a result of this, the magnetic end couplers in the device according to the invention are not saturated by the main flux or by the control flux, and they are able to concentrate the control field in the material at all times.

For å hindre virvelstrømtap og sekundære lukkede baner for styringsfeltet, i en utførelse, er et isolasjonslag lagt mellom nærliggende lag av arkmateriale. Dette laget påføres som et belegg på arkmaterialet. I en utførelse er isolasjonsmaterialet valgt fra gruppen omfattende MAGNETITE og MAGNETITE-S. Imidlertid kan andre isolasjonsmaterialer så som C-5 og C6 produsert av Rembrandtin Lack Ges.m.b.H og lignende, anvendes gitt at de er mekanisk sterke nok til å motstå fremstillingsprosessen og at de også har tilstrekkelig mekanisk styrke til å hindre elektriske kortslutninger mellom nærliggende lag av folie. Egnethet for avspenningsgløding og helt aluminiumsforsegling er også fordelaktige karakteristikker for isolasjonsmaterialet. I en utførelse omfatter isolasjonsmaterialet organiske/uorganiske blandede systemer som er frie for krom. I en annen utførelse omfatter isolasjonsmaterialet en termisk stabil organisk polymer som omfatter uorganiske fyllmaterialer og pigmenter. To prevent eddy current losses and secondary closed paths for the control field, in one embodiment, an insulating layer is placed between adjacent layers of sheet material. This layer is applied as a coating to the sheet material. In one embodiment, the insulating material is selected from the group comprising MAGNETITE and MAGNETITE-S. However, other insulating materials such as C-5 and C6 produced by Rembrandtin Lack Ges.m.b.H and the like can be used provided that they are mechanically strong enough to withstand the manufacturing process and that they also have sufficient mechanical strength to prevent electrical short circuits between adjacent layers of foil. Suitability for stress relief annealing and all aluminum sealing are also advantageous characteristics of the insulation material. In one embodiment, the insulating material comprises organic/inorganic mixed systems that are free of chromium. In another embodiment, the insulation material comprises a thermally stable organic polymer which comprises inorganic filler materials and pigments.

Figur 79 er et tverrsnitt av en utførelse av anordningen 100 ifølge oppfinnelsen. I denne utførelsen omfatter det første rørelementet 101 et mellomrom 107 i elementets aksielle retning plassert mellom et første og et andre lag av det første rørlaget. Hovedfunksjonen til mellomrommet 107 er å tilpasse effekthåndteringsevnen og volumet til materialet til en spesifikk anvendelse. Tilstedeværelsen av et luftmellomrom i kjernens langsgående retning vil forårsake en reduksjon i kjernens remanens. Dette vil forårsake en reduksjon i det harmoniske innholdet i strømmen i hovedviklingen når permeabiliteten til kjernen senkes ved hjelp av en strøm i styringsviklingen. Et tynt isolasjonslag er plassert i mellomrommet 107 mellom de to delene av element 101.1 en versjon av denne utførelsen er ikke de magnetiske endekoblerne delt i to deler. Figure 79 is a cross-section of an embodiment of the device 100 according to the invention. In this embodiment, the first pipe element 101 comprises a space 107 in the axial direction of the element, located between a first and a second layer of the first pipe layer. The main function of the spacer 107 is to adapt the power handling capability and volume of the material to a specific application. The presence of an air gap in the longitudinal direction of the core will cause a reduction in the remanence of the core. This will cause a reduction in the harmonic content of the current in the main winding when the permeability of the core is lowered by a current in the control winding. A thin insulating layer is placed in the space 107 between the two parts of element 101.1 a version of this embodiment, the magnetic end connectors are not divided into two parts.

Figurene 9-16 vedrører forskjellige utførelser av de magnetiske endekoblerne. I en utførelse er materialet som anvendes for de magnetiske endekoblerne anisotropisk. I en versjon av denne utførelsen tilveiebringe de magnetiske endekoblerne en hard magnetiseringsbane (lav permeabilitet) for det magnetiske hovedfeltet Hf, som er dannet av den første viklingen 103. Styringsfeltet Hs er feltet dannet av den andre viklingen 104 (ikke vist på figur 7), vil møte en bane med høy permeabilitet i de magnetiske endekoblerne og lav permeabilitet i rørelementene. Figures 9-16 relate to different designs of the magnetic end switches. In one embodiment, the material used for the magnetic end couplers is anisotropic. In a version of this embodiment, the magnetic end couplers provide a hard magnetization path (low permeability) for the main magnetic field Hf, which is formed by the first winding 103. The control field Hs is the field formed by the second winding 104 (not shown in figure 7), will encounter a path of high permeability in the magnetic end couplers and low permeability in the pipe elements.

De magnetiske endekoblerne eller styringsflukskoblerne kan være fremstilt av GO-arkmateriale eller tråder av magnetisk materiale med styringsfeltet i GO-retningen og hovedfeltet i tverretningen. Trådene kan være enten enkelttråder eller flettede tråder. The magnetic end couplers or control flux couplers can be made of GO sheet material or strands of magnetic material with the control field in the GO direction and the main field in the transverse direction. The threads can be either single threads or braided threads.

I en utførelse er de magnetiske koblerne laget av GO-stål for å sikre at endekoblerne ikke blir mettet før rørelementene eller de sylindriske kjernene i TD, men i stedet konsentrerer styringsfluksen gjennom rørelementene. I en annen utførelse er de magnetiske koblerne dannet av rent jern. In one embodiment, the magnetic couplers are made of GO steel to ensure that the end couplers do not saturate before the tubular elements or cylindrical cores in the TD, but instead concentrate the control flux through the tubular elements. In another embodiment, the magnetic couplers are formed from pure iron.

Vi vil nå beskrive det magnetisk felts oppførsel i endekoblerne i en utførelse av anordningen tilsvarende figur 7. Opprinnelig, det vil si når den andre viklingen eller styreviklingen 104 ikke er aktivert, vil bare en svært liten andel (tilnærmet 0,04-0,25%) av hovedfeltet Hf gå inn i de magnetiske endekoblernes volum på grunn av den svært lave permeabiliteten i hovedfeltretningen (TD) i den magnetiske endekobleren. Permeabiliteten i hovedfeltretningen Hf, TD er fra 8 til 50 gjennom endekobleren avhengig av konstruksjonen og materialet som anvendes. Som et resultat av dette, vil hovedfluksen Bf gå i volumet til rørelementene eller de sylindriske kjernene 101, 102.1 tillegg tillater konsentrasjonen av hovedfluksen at hovedkjernen 101, 102 sin permeabilitet justeres nedover til omtrent 10. We will now describe the behavior of the magnetic field in the end couplers in an embodiment of the device corresponding to figure 7. Initially, that is when the second winding or control winding 104 is not activated, only a very small proportion (approximately 0.04-0.25 %) of the main field Hf enter the volume of the magnetic limit switch due to the very low permeability in the main field direction (TD) in the magnetic limit switch. The permeability in the main field direction Hf, TD is from 8 to 50 through the end coupler, depending on the construction and the material used. As a result of this, the main flux Bf will go in the volume of the tubular elements or the cylindrical cores 101, 102. In addition, the concentration of the main flux allows the permeability of the main core 101, 102 to be adjusted down to about 10.

Styringsfluksbanen (Bs i figurene 6 og 7) går opp aksialt innenfor ett av rørelementene 101, 102 sin kjernevegg og ned innenfor de andre elementets kjernevegg og er lukket ved hjelp av magnetiske endekoblere 105, 106 ved hver ende av de konsentriske rørelementene 101, 102. The control flux path (Bs in figures 6 and 7) goes up axially within the core wall of one of the tube elements 101, 102 and down within the core wall of the other element and is closed by means of magnetic end couplers 105, 106 at each end of the concentric tube elements 101, 102.

Styringslfuksbanen (B) har svært små luftmellomrom som er tilveiebrakt av tynne isolasjonslag 108 mellom de magnetiske endekoblerne 105, 106 og de runde endeområder av de sylindriske kjernene (figur 9). Dette er viktig for å hindre dannelse av en lukket strømbane for transformatorvirkningen fra den første viklingen 103 gjennom "viklingen" dannet av det første og andre rørelementet 101, 102 og de magnetiske endekoblerne 105, 106. The control airflow path (B) has very small air gaps provided by thin insulating layers 108 between the magnetic end couplers 105, 106 and the round end regions of the cylindrical cores (Figure 9). This is important to prevent the formation of a closed current path for the transformer effect from the first winding 103 through the "winding" formed by the first and second tube elements 101, 102 and the magnetic end couplers 105, 106.

Som nevnt tidligere, er de magnetiske endekoblerne ifølge en utførelse av oppfinnelsen laget av flere ark av magnetisk materiale (lamineringer). Utførelsen vises på figurene 10-14. Figur 10 viser en magnetisk endekobler 105 av GO-arkstål og rørelementene 101 og 102 sett ovenfra. Hvert segment av endekobleren 105 (for eksempel segmentene 105a og 105b) er avsmalnet fra en radiell innovervendt ende 110 til en radiell utoverende 112 hvor den radielle innoverenden 110 er smalere enn den radielle utoverenden 112. Retningene GO og TD er vist på figur 10 når de påføres hvert segment 105 a, 105b i endekobleren. En del av endekobleren 105 på venstre og høyre side av figur 10 har blitt fjernet for å vise arkendene 114 til den indre kjernen 102 og den ytre kjernen 101. Figur 11 viser et torusformet legeme 116 som, når det skjæres i todeler, tilveiebringer de magnetiske endekoblerne. Figur 12 viser et tverrsnitt av tomsen og den relative stillingen til arkene (for eksempel lamineringer) 105' av magnetisk materiale. Figurene 12 og 13 viser GO-retningen i de magnetiske endekoblerne som samsvarer med retningene til hovedfeltet. Figur 14 viser hvordan størrelsen og fasongen til det magnetiske koblingssegmentet 105a er justert for å sikre at kobleren kobler det første rørelementet 101 (ytre sylindrisk kjerne) til det andre rørelementet 102 (indre sylindrisk kjerne) ved hver ende. I figur 14 er den radielle innoverende 110 smalere enn den radielle utoverenden 112. As mentioned earlier, the magnetic end connectors according to one embodiment of the invention are made of several sheets of magnetic material (laminations). The design is shown in Figures 10-14. Figure 10 shows a magnetic end coupler 105 made of GO sheet steel and the pipe elements 101 and 102 seen from above. Each segment of the end coupler 105 (for example segments 105a and 105b) is tapered from a radially inward end 110 to a radially outward end 112 where the radially inward end 110 is narrower than the radially outward end 112. The directions GO and TD are shown in Figure 10 when they is applied to each segment 105 a, 105b in the end coupler. A portion of the end coupler 105 on the left and right sides of Figure 10 has been removed to show the sheet ends 114 of the inner core 102 and the outer core 101. Figure 11 shows a torus-shaped body 116 which, when cut in two, provides the magnetic the end connectors. Figure 12 shows a cross-section of the blank and the relative position of the sheets (for example laminations) 105' of magnetic material. Figures 12 and 13 show the GO direction in the magnetic end couplers which corresponds to the directions of the main field. Figure 14 shows how the size and shape of the magnetic coupling segment 105a is adjusted to ensure that the coupler connects the first pipe member 101 (outer cylindrical core) to the second pipe member 102 (inner cylindrical core) at each end. In Figure 14, the radial innovating 110 is narrower than the radial outward end 112.

I en utførelse av oppfinnelsen, vist på figur 15, anvendes samme type segmenter med samme magnetiske tråd. Tilveiebringelse av endekoblere anvender tråder av enkelttrådsmagnetisk materiale. Den torusformede fasongen dannet av det magnetiske materialet skjæres i to halvdeler som angitt ved tverrsnitt A-A på figur 15. Figur 16 viser hvordan endene til de magnetiske tråder tilveiebringer inngangs-og utgangs områder for det magnetiske feltet Hf. Hver tråd tilveiebringer da en bane for det magnetiske feltet Hf. In an embodiment of the invention, shown in Figure 15, the same type of segments with the same magnetic wire is used. The provision of end connectors utilizes strands of single-wire magnetic material. The torus-shaped shape formed by the magnetic material is cut into two halves as indicated by cross section A-A in figure 15. Figure 16 shows how the ends of the magnetic wires provide entry and exit areas for the magnetic field Hf. Each wire then provides a path for the magnetic field Hf.

For å være i stand til å øke effekten som håndteres av den styrbare induktive anordningen, kan kjernen lages av laminert arkstrimmelmateriale. Dette vil også være fordelaktig ved bryterapplikasjoner når hurtige endringer i permeabiliteten er nødvendige. To be able to increase the power handled by the controllable inductive device, the core can be made of laminated sheet strip material. This will also be beneficial in switch applications when rapid changes in permeability are required.

Claims

1. Core for a magnetically controllable inductor, comprising: first (101) and second (102) coaxial and concentric magnetic tube elements, each tube element (101, 102) comprising an anisotropic magnetic material and defining an axis; where said tube elements (101, 102) are connected to each other at both ends by means of magnetic end couplers (105, 106), and where the core provides a first magnetic permeability in a first direction perpendicular to the axes of the tube elements (101, 102) which are substantially higher than a second magnetic permeability in a second direction parallel to the axes of the tube elements (101, 102); wherein the core is characterized by: a third magnetic permeability exists in the coupler (105, 106) in the annular direction relative to the axes of the elements (101, 102), and a fourth magnetic permeability exists in the coupler (105, 106) in a radial direction relative to the axes of the elements (101, 102), where the fourth magnetic permeability is substantially greater than the third magnetic permeability.

2. Core according to claim 1, where the first (101) and second (102) pipe elements are made of rolled sheet material comprising a sheet end and a coating of an insulating material.

3. Core according to claim 2, where the magnetic end couplers (105, 106) are made of grain-oriented steel or iron.

4. Core according to claim 1 or 3, wherein the magnetic end couplers (105, 106) comprise: a plurality of segments (105a, 105b), each segment (105a, 105b) having a radial outer end (112) and a radial inner end (110); wherein each segment (105a, 105b) is tapered from a radially inwardly facing end (110) to a radially outwardly facing end (112) and wherein the radially inwardly facing end (110) is narrower than the radially outwardly facing end (112).

5. Core according to claim 1, where the first pipe element (101) comprises: a first layer (101); a second layer (101); and a space (107) in a third direction parallel to the axes of the pipe elements, where the first layer (101) and the second layer (101) in the first pipe element (101) are connected by means of a micrometer thin insulation layer in a joint (107) placed between the first and second layers.

6. Core according to claim 1, further comprising: an air gap (107) which extends in an axial direction in each pipe element (101, 102) and where a first reluctance of the first element (101) is equal to a second reluctance in the second element (102).

7. Controllable inductor (100) comprising a core in accordance with claim 1, wherein the controllable inductor further comprises: a first winding (103) wound around both magnetic tube elements; and a second winding (104) wound around at least one of the magnetic pipe elements (101, 102), where a winding axis of the first winding (103) is perpendicular to an axis of at least one of the magnetic pipe elements (101, 102); where a winding axis of the second winding (104) coincides with the core axis; wherein: the first winding (103), when energized, is adapted to generate a magnetic field in a first direction coinciding with a direction of the first magnetic permeability; the second winding (104), when energized, is adapted to generate a magnetic field in a second direction coinciding with a direction of the second magnetic permeability; the first magnetic permeability is substantially higher than the second magnetic permeability; and the magnetic end couplers (105, 106) are made of an anisotropic material and adapted to provide a low permeability path for the magnetic field formed by the first winding (103) and a high permeability path for the magnetic field formed by the second winding (104).

8. Controllable inductor (100) in accordance with claim 7, wherein the anisotropic material is selected from a group consisting of grain oriented silicon steel and domain controlled high permeability grain oriented silicon steel.

9. Controllable inductor (100) in accordance with claim 7, where the magnetic end couplers (105, 106) are made of grain-oriented steel or iron.

10. Controllable inductor (100) according to claim 7 or 9, wherein the magnetic end couplers (105, 106) comprise: a plurality of segments (105a, 105b), each segment (105a, 105b) having a radial outer end (112 ) and a radial inner end (110); wherein each segment (105a, 105b) is tapered from a radially inwardly facing end (110) to a radially outwardly facing end (112) and wherein the radially inwardly facing end (110) is narrower than the radially outwardly facing end (112).

11. Controllable inductor (100) in accordance with claim 7, further comprising a thin insulating layer placed between the edges of the magnetic tube elements (101, 102) and the end connectors (105, 106).

12. Controllable inductor (100) in accordance with claim 7, where a volume of the magnetic end couplers (105, 106) is 10-20% of the volume of the magnetic tube elements (101, 102).

13. Controllable inductor (100) in accordance with claim 7, where a volume of the magnetic end couplers (105, 106) is 25-50% of the volume of the magnetic tube elements (101, 102).

14. Controllable inductor (100) in accordance with claim 7, where the magnetic field direction introduced by the first winding (103) is a ring direction in relation to the axis of at least one of the tube elements (101, 102).

15. Controllable inductor (100) in accordance with claim 7, where the magnetic field direction introduced by the second winding (104) is a parallel direction in relation to the axis of at least one of the tube elements (101, 102).