Miglioramento del processo per una produzione costante di trasformatori: controllo dell'induttanza e ottimizzazione delle prestazioni

Data la mancanza di produttori di tali trasformatori sul mercato, li progettiamo in casa. Forniamo specifiche tecniche ai partner, specificando materiali come fili smaltati ad alta temperatura.

I segnali elettrici provenienti dagli strumenti di registrazione sottoterra, trasmessi attraverso questi trasformatori, influiscono sulla affidabilità dei segnali dalla formazione alla superficie. Pertanto, migliorare la coerenza dei trasformatori aumenta l'uniformità del segnale, migliorando l'accuratezza degli strumenti di registrazione e la nostra competitività sul mercato.

I nostri trasformatori di segnale comuni sono del tipo EI, con nuclei di permalloy ad alta permeabilità (40-80 μΩ·cm), rivestiti in metallo e impregnati in silicone. La coerenza del trasformatore dipende sia dal progetto che dalla produzione. Per i trasformatori T1, la bassa domanda comporta una produzione manuale, causando problemi di qualità. I lotti passati hanno mostrato una povera coerenza dell'induttanza (±30% del valore centrale, variabile tra i lotti), ostacolando il debug del circuito e l'accuratezza del prodotto finale.

1 Analisi dei Fattori di Processo che Influenzano la Coerenza

Per affrontare le incoerenze nelle prestazioni dei trasformatori causate da operazioni manuali e produzione in piccoli lotti, è necessario concentrarsi sui miglioramenti del processo. La fabbricazione dei trasformatori copre molte discipline, con materiali conduttori, magnetici e isolanti che presentano proprietà altamente variabili, rendendo difficile il controllo. Attraverso ricerche di mercato e analisi dei dati dei materiali, viene sviluppato un diagramma causa-effetto per i valori centrali e la coerenza dei trasformatori come segue:

1.1 Analisi del Processo di Produzione dei Trasformatori del Tipo EI

Oltre alle comuni procedure di produzione dei trasformatori, le caratteristiche uniche del trasformatore del tipo EI richiedono un'analisi complessiva dei 14 fattori terminali nella Figura 1. I fattori chiave che influiscono sulle prestazioni sono:

• Trattamento Termico dei Materiali di Permalloy: Mancando processi rigorosi di trattamento termico, la produzione in piccoli lotti porta a operazioni basate sull'esperienza per il controllo della temperatura, l'allineamento delle lamelle del nucleo e il vuoto nel forno. Questi fattori influiscono criticamente sulla rimozione delle impurità dalle superfici dei nuclei di lega e sul miglioramento delle proprietà magnetiche (ad esempio, perdite di ferro, permeabilità).

• Variabilità delle Prestazioni Magnetiche dei Materiali: I materiali di lega nazionali hanno proprietà instabili. I lotti di permalloy mostrano differenze nelle prestazioni magnetiche, riducendo la coerenza.

• Stress di Assemblaggio sulle Lamelle del Nucleo: Lo stress esterno non uniforme durante l'assemblaggio degrada le prestazioni magnetiche (tipicamente >10% di impatto). La scelta di lamelle del nucleo piatte e un assemblaggio preciso migliorano la coerenza.

1.2 Misure di Miglioramento del Processo

In base a queste cause principali dell'incoerenza dell'induttanza dei trasformatori T1, vengono implementati miglioramenti mirati del processo.

2 Misure di Miglioramento del Processo e Implementazione
2.1 Gli Operatori Controllano Strettamente il Processo di Trattamento Termico

• Prima del trattamento termico, disporre le lamelle del nucleo di permalloy in modo ordinato e il più piatte possibile, in modo che non si pieghino dopo il trattamento, riducendo lo stress durante l'assemblaggio. Nel frattempo, controllare eventuali bordi arrotati sulle lamelle del nucleo dopo il taglio prima del trattamento termico. Se i bordi arrotati sono gravi, proporre la riparazione prima del trattamento termico.

• Seguire strettamente la curva nella Figura 2 per il trattamento termico. Raggiungere uniformemente la temperatura per 3 ore fino a raggiungere i 1150°C nel forno, mantenere la temperatura per 4 ore, poi raffreddare a 400°C in 5 ore prima di estrarre le lamelle dal forno.

• Rispettare strettamente i requisiti originali del processo per la pressione del vuoto. Utilizzare un misuratore di vuoto composito SG-3 per evacuare, ottenendo un grado di vuoto di 10-20 Pa.

2.2 Selezionare 3-5 Lotti di Materiali per le Lamelle del Nucleo, Processarli Separatamente e Confrontare le Prestazioni

• Eseguire una verifica comparativa sui materiali grezzi delle lamelle del nucleo di permalloy 1J85. Prendere circa 1.000 lamelle (lamelle EI) per lotto, marcarle ciascuna con un numero di forno, eseguire il trattamento termico in 3 cicli separati e monitorare/registrare le differenze di prestazioni. Utilizzare un ponte tester HP4225LCR (frequenza: 1 kHz) per misurare l'induttanza (H) per i gruppi L1-2. I dati sono i seguenti:

Conclusione: Confrontando i dati sopra, le lamelle del nucleo di permalloy processate in 3 cicli mostrano prestazioni sostanzialmente coerenti, soddisfacendo il requisito di essere all'interno di ±10% del valore centrale di 4H.

• Riservare alcune lamelle del nucleo per confrontare le prestazioni con il prossimo lotto di materiali in arrivo, consentendo ulteriori verifiche del prossimo lotto di materiali grezzi.

• Selezionare lamelle del nucleo piatte e inserirle nella stessa direzione, minimizzando lo stress sulle lamelle.

Dati di test dei trasformatori finiti prima dell'assemblaggio del contenitore: Frequenza = 1 kHz (tester HP4225LCR). Misurare l'avvolgimento L1-2 (H) a 20°C (temperatura ambiente). I dati specifici sono i seguenti:

Dopo il test, i dati del trasformatore rimangono sostanzialmente invariati dopo l'impregnazione.

2.3 Regolazione della Coerenza dell'Induttanza

Viene adottato un metodo di intercalamento a singola lamella. Una singola lamella EI ha una curvatura. Durante l'inserimento, mantenere la direzione della curvatura coerente. Confrontando più inserimenti nello stesso avvolgimento, si scopre che quando la direzione della curvatura è coerente, l'induttanza è relativamente maggiore, circa 18 mH. Al contrario, se la direzione della curvatura non è coerente durante l'inserimento, l'induttanza è circa 15 mH. Quindi, utilizzando il metodo di mantenere la direzione della curvatura coerente durante l'inserimento, è possibile regolare finemente l'induttanza regolando le lievi differenze nell'intervallo d'aria tra le lamelle E e I, fornendo un margine o spazio di regolazione, e quindi ottenendo una migliore coerenza dell'induttanza.

Prendendo come esempio il trasformatore T1, il valore centrale di T1 viene rideterminato a 4.00 H, controllando la coerenza dell'induttanza del trasformatore all'interno di ±10% del valore centrale. Inoltre, si assicura sostanzialmente che l'induttanza di ogni lotto di trasformatori usciti dalla fabbrica sia sostanzialmente coerente con il nuovo valore centrale determinato.