ЗАКРЕПЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
FIXING DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к закрепляющему устройству для установки в устройстве формирования изображений, таком как копировальный аппарат с электрофотографической системой, принтер или т.п.
Предпосылки создания изобретения
Обычно закрепляющее устройство для установки в устройстве формирования изображений, таком как копировальный аппарат с электрофотографической системой, принтер или т.п. выполняется с возможностью нагрева регистрирующего материала, который несет незакрепленное порошковое изображение, для закрепления порошкового изображения на регистрирующем материале при перемещении регистрирующего материала с помощью участка зажима, образованного из нагревательного вращающегося элемента и прижимного ролика, который контактирует с ним.
В последние годы разработано и осуществлено на практике закрепляющее устройство с системой электромагнитного индукционного нагрева, при помощи которого можно непосредственно нагревать электропроводящий слой нагревательного вращающегося элемента. Закрепляющее устройство с системой электромагнитного индукционного нагрева обладает преимуществом в том, что время разогрева короткое.
В закрепляющих устройствах, раскрытых в PTL 1, PTL 2 и PTL 3, электропроводящий слой нагревается в соответствии с вихревым током, наведенным в электропроводящем слое нагревательного вращающегося элемента с помощью магнитного поля, сформированного генератором магнитного поля. В таких закрепляющих устройствах в качестве электропроводящего слоя у нагревательного вращающегося элемента применяется магнитный металл, который легко пропускает магнитный поток, такой как железо, никель или т.п., толщина которого составляет от 200 мкм до 1 мм, или сплав, изготовленный главным образом из этих металлов.
Между прочим, чтобы попытаться уменьшить время разогрева закрепляющего устройства, приходится уменьшать теплоемкость нагревательного вращающегося элемента и соответственно целесообразно, чтобы толщина электропроводящего слоя нагревательного вращающегося элемента была небольшой. Однако, в закрепляющих устройствах, раскрытых в вышеупомянутых документах, уменьшение толщины нагревательного вращающегося элемента приводит к ухудшению теплового КПД. Дополнительно, в отношении закрепляющих устройств, раскрытых в вышеупомянутых документах, тепловой КПД ухудшается даже в случае применения материала, относительная магнитная проницаемость которого низкая. Поэтому в закрепляющих устройствах, раскрытых в вышеупомянутых документах, в качестве материала нагревательного вращающегося элемента приходится выбирать толстый материал, имеющий высокую относительную магнитную проницаемость.
Соответственно, закрепляющие устройства, раскрытые в вышеупомянутых документах, имеют проблему в том, что материал, который будет использоваться в качестве электропроводящего слоя нагревательного вращающегося элемента, ограничивается материалом, имеющим высокую относительную магнитную проницаемость, и накладываются ограничения на затраты, способ обработки материала и конфигурацию устройства.
Список источников
Патентная литература
PTL 1 Выложенная заявка на патент Японии № 2000-81806
PTL 2 Выложенная заявка на патент Японии № 2004-341164
PTL 3 Выложенная заявка на патент Японии № 9-102385
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предоставляет закрепляющее устройство, в котором ограничения касательно толщины и материала электропроводящего слоя являются небольшими, и электропроводящий слой может нагреваться с высокой эффективностью.
В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения предоставляется закрепляющее устройство, выполненное с возможностью закрепления изображения на регистрирующем материале путем нагрева регистрирующего материала, на котором образуется изображение, при этом устройство включает в себя: цилиндрический вращающийся элемент, включающий в себя электропроводящий слой; катушку, выполненную с возможностью образования переменного магнитного поля, которое подвергает электропроводящий слой электромагнитному индукционному нагреву, которая имеет спиралеобразный участок, который располагается во вращающемся элементе так, чтобы ось спирали спиралеобразного участка размещалась практически параллельно направлению образующей вращающегося элемента; и сердечник, выполненный с возможностью наведения магнитной силовой линии переменного магнитного поля, который располагается в спиралеобразном участке; причем удельное магнитное сопротивление сердечника на площади от одного конца до другого конца максимальной области прохождения изображения на регистрирующем материале в направлении образующей меньше или равно 30% от объединенного магнитного сопротивления, состоящего из магнитного сопротивления электропроводящего слоя и магнитного сопротивления области между электропроводящим слоем и сердечником.
В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения предоставляется закрепляющее устройство, выполненное с возможностью закрепления изображения на регистрирующем материале путем нагрева регистрирующего материала, на котором образуется изображение, при этом устройство включает в себя: цилиндрический вращающийся элемент, включающий в себя электропроводящий слой; катушку, выполненную с возможностью образования переменного магнитного поля, которое подвергает электропроводящий слой электромагнитному индукционному нагреву, которая имеет спиралеобразный участок, который располагается во вращающемся элементе так, чтобы ось спирали у спиралеобразного участка размещалась практически параллельно направлению образующей вращающегося элемента; и сердечник, выполненный с возможностью наведения магнитных силовых линий переменного магнитного поля, который имеет форму, при которой не образуется петля за пределами вращающегося элемента, и располагается в спиралеобразном участке; причем 70% или более магнитных силовых линий, выходящих из одного конца в направлении образующей сердечника, проходят над наружной частью электропроводящего слоя и возвращаются в другой конец сердечника.
В соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения образуется закрепляющее устройство, выполненное с возможностью закрепления изображения на регистрирующем материале путем нагрева регистрирующего материала, на котором образуется изображение, при этом устройство включает в себя: цилиндрический вращающийся элемент, включающий в себя электропроводящий слой; катушку, выполненную с возможностью образования переменного магнитного поля, которое подвергает электропроводящий слой электромагнитному индукционному нагреву, которая имеет спиралеобразный участок, который располагается во вращающемся элементе так, чтобы ось спирали у спиралеобразного участка размещалась практически параллельно направлению образующей вращающегося элемента; и сердечник, выполненный с возможностью наведения магнитных силовых линий переменного магнитного поля, который располагается в спиралеобразном участке; причем относительная магнитная проницаемость электропроводящего слоя и относительная магнитная проницаемость элемента в области между электропроводящим слоем и сердечником менее 1,1 на площади от одного конца до другого конца максимальной области прохождения изображения на регистрирующем материале в направлении образующей; и при этом закрепляющее устройство удовлетворяет следующему выражению отношения (1) в поперечном сечении, перпендикулярном направлению образующей по всей площади: 0,06×µc×Sc≥Ss+Sa (1), где Ss представляет площадь поперечного сечения электропроводящего слоя, Sa представляет площадь поперечного сечения области между электропроводящим слоем и сердечником, Sc представляет площадь поперечного сечения сердечника, а µc представляет относительную магнитную проницаемость сердечника.
В соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения закрепляющее устройство выполнено с возможностью закрепления изображения на регистрирующем материале путем нагрева регистрирующего материала, на котором образуется изображение, при этом устройство включает в себя: цилиндрический вращающийся элемент, включающий в себя электропроводящий слой; катушку, выполненную с возможностью образования переменного магнитного поля, которое подвергает электропроводящий слой электромагнитному индукционному нагреву, которая имеет спиралеобразный участок, который располагается во вращающемся элементе так, чтобы ось спирали спиралеобразного участка размещалась практически параллельно направлению образующей вращающегося элемента; и сердечник, выполненный с возможностью наведения магнитных силовых линий переменного магнитного поля, который располагается в спиралеобразном участке; причем электропроводящий слой образуется из немагнитного материала, а сердечник имеет форму, при которой не образуется петля за пределами вращающегося элемента.
В соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения закрепляющее устройство выполнено с возможностью закрепления изображения на регистрирующем материале путем нагрева регистрирующего материала, на котором образуется изображение, при этом устройство включает в себя: цилиндрический вращающийся элемент, включающий в себя электропроводящий слой; катушку, выполненную с возможностью образования переменного магнитного поля, которое подвергает электропроводящий слой электромагнитному индукционному нагреву, которая имеет спиралеобразный участок, который располагается во вращающемся элементе так, чтобы ось спирали спиралеобразного участка размещалась практически параллельно направлению образующей вращающегося элемента; и сердечник, выполненный с возможностью наведения магнитных силовых линий переменного магнитного поля, который располагается в спиралеобразном участке; причем электропроводящий слой образован из немагнитного материала, и толщина электропроводящего слоя равна 75 мкм или тоньше.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид в перспективе пленки термоузла, магнитного сердечника и катушки.
Фиг. 2 - принципиальная схема устройства формирования изображений в соответствии с первым вариантом осуществления.
Фиг. 3 - схематичный вид поперечного сечения закрепляющего устройства в соответствии с первым вариантом осуществления.
Фиг. 4A - схематичный вид магнитного поля в окрестностях соленоида.
Фиг. 4B - схематическое представление распределения плотности магнитного потока на центральной оси соленоида.
Фиг. 5A - схематичный вид магнитного поля в окрестностях соленоида и магнитного сердечника.
Фиг. 5B - схематическое представление распределения плотности магнитного потока на центральной оси соленоида.
Фиг. 6A - схематичный вид окружения оконечного участка магнитного сердечника соленоида.
Фиг. 6B - схематическое представление распределения плотности магнитного потока на центральной оси соленоида.
Фиг. 7A - схематичный вид формы катушки и магнитного поля.
Фиг. 7B - схематическое представление области, где стабилизируется магнитный поток, пронизывающий контур.
Фиг. 8A - схематичный вид формы катушки и магнитного поля.
Фиг. 8B - схематическое представление области, где стабилизируется магнитный поток.
Фиг. 9A - диаграмма, иллюстрирующая пример магнитных силовых линий, препятствующих цели первого варианта осуществления.
Фиг. 9B - диаграмма, иллюстрирующая пример магнитных силовых линий, препятствующих цели первого варианта осуществления.
Фиг. 9C - диаграмма, иллюстрирующая пример магнитных силовых линий, препятствующих цели первого варианта осуществления.
Фиг. 10A - схематичный вид конструкции, где располагается соленоид конечной длины.
Фиг. 10B - вид в поперечном сечении и вид сбоку этой конструкции.
Фиг. 11A - диаграмма магнитной эквивалентной схемы пространства, включающей в себя сердечник, катушку и цилиндрическое тело на единицу длины.
Фиг. 11B - диаграмма магнитной эквивалентной схемы с конфигурацией в соответствии с первым вариантом осуществления.
Фиг. 12 - схематичный вид магнитного сердечника и зазора.
Фиг. 13A - схематичный вид поперечного сечения поля тока и магнитного поля в цилиндрическом вращающемся элементе.
Фиг. 13B - продольный вид в перспективе цилиндрического вращающегося элемента.
Фиг. 14A - диаграмма, иллюстрирующая преобразование из высокочастотного тока катушки возбуждения в ток по периферии цилиндра.
Фиг. 14B - эквивалентная схема катушки возбуждения и цилиндра.
Фиг. 15A - поясняющая диаграмма касательно эффективности схемы.
Фиг. 15B - поясняющая диаграмма касательно эффективности схемы.
Фиг. 15C - поясняющая диаграмма касательно эффективности схемы.
Фиг. 16 - диаграмма экспериментального устройства, которое будет использоваться для экспериментов по измерению эффективности преобразования энергии.
Фиг. 17 - диаграмма, иллюстрирующая зависимость между долей магнитных силовых линий за пределами цилиндрического вращающегося элемента и эффективностью преобразования.
Фиг. 18A - диаграмма, иллюстрирующая связь между эффективностью преобразования и частотой в конфигурации по первому варианту осуществления.
Фиг. 18B - диаграмма, иллюстрирующая связь между эффективностью преобразования и толщиной в конфигурации по первому варианту осуществления.
Фиг. 19 - схематическое представление закрепляющего устройства во время разделения магнитного сердечника.
Фиг. 20 - схематическое представление магнитных силовых линий во время разделения магнитного сердечника.
Фиг. 21 - диаграмма, иллюстрирующая измеренные результаты эффективности преобразования энергии с конфигурациями по первому варианту осуществления и сравнительному примеру 1.
Фиг. 22 - диаграмма, иллюстрирующая измеренные результаты эффективности преобразования энергии с конфигурациями по второму варианту осуществления и сравнительному примеру 2.
Фиг. 23 - диаграмма, иллюстрирующая конфигурацию закрепляющего устройства с системой индукционного нагрева, служащего в качестве сравнительного примера 2.
Фиг. 24 - схематичный вид магнитного поля в закрепляющем устройстве с системой индукционного нагрева, служащем в качестве сравнительного примера 2.
Фиг. 25A - схематичный вид в поперечном сечении магнитного поля в закрепляющем устройстве с системой индукционного нагрева, служащем в качестве сравнительного примера 3.
Фиг. 25B - увеличенный схематичный вид в поперечном сечении магнитного поля в закрепляющем устройстве с системой индукционного нагрева, служащем в качестве сравнительного примера 3.
Фиг. 26 - диаграмма, иллюстрирующая измеренные результаты эффективности преобразования энергии с конфигурациями по третьему варианту осуществления и сравнительному примеру 3.
Фиг. 27 - вид в поперечном сечении магнитного сердечника и катушки в продольном направлении из сравнительного примера 4.
Фиг. 28 - схематическое представление магнитного поля в закрепляющем устройстве с системой индукционного нагрева, служащем в качестве сравнительного примера 4.
Фиг. 29A - поясняющая диаграмма направления вихревого тока в закрепляющем устройстве с системой индукционного нагрева, служащем в качестве сравнительного примера 4.
Фиг. 29B - поясняющая диаграмма направления вихревого тока в закрепляющем устройстве с системой индукционного нагрева, служащем в качестве сравнительного примера 4.
Фиг. 29C - поясняющая диаграмма направления вихревого тока в закрепляющем устройстве с системой индукционного нагрева, служащем в качестве сравнительного примера 4.
Фиг. 30 - диаграмма, иллюстрирующая измеренные результаты эффективности преобразования энергии с конфигурациями по четвертому варианту осуществления и сравнительному примеру 4.
Фиг. 31 - поясняющая диаграмма вихревого тока E//.
Фиг. 32 - поясняющая диаграмма вихревого тока E⊥.
Фиг. 33A - диаграмма, иллюстрирующая форму магнитного сердечника в соответствии с другим вариантом осуществления.
Фиг. 33B - диаграмма, иллюстрирующая форму магнитного сердечника в соответствии с другим вариантом осуществления.
Фиг. 34 - диаграмма, иллюстрирующая закрепляющее устройство с воздушным сердечником.
Фиг. 35 - диаграмма, иллюстрирующая магнитный сердечник в случае образования замкнутой линии магнитной индукции.
Фиг. 36 - поперечное сечение диаграммы конфигурации закрепляющего устройства в соответствии с пятым вариантом осуществления.
Фиг. 37 - эквивалентная схема линии магнитной индукции закрепляющего устройства в соответствии с пятым вариантом осуществления.
Фиг. 38 - диаграмма для описания формы магнитных силовых линий и снижения количества тепла.
Фиг. 39 - схематичная диаграмма конфигурации закрепляющего устройства в соответствии с шестым вариантом осуществления.
Фиг. 40A - вид в поперечном сечении закрепляющего устройства в соответствии с шестым вариантом осуществления.
Фиг. 40B - вид в поперечном сечении закрепляющего устройства в соответствии с шестым вариантом осуществления.
Описание вариантов осуществления
Первый вариант осуществления
(1) Пример устройства формирования изображений
Далее в этом документе вариант осуществления настоящего изобретения будет описан на основе чертежей. Фиг. 2 - принципиальная схема устройства 100 формирования изображений в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Устройство 100 формирования изображений в соответствии с настоящим вариантом осуществления является лазерным принтером, использующим электрофотографический процесс. 101 обозначает вращающийся электрофотографический светочувствительный элемент барабанного типа (в дальнейшем называемый светочувствительным барабаном), служащий в качестве несущего изображение элемента, который приводится в движение путем вращения с заранее установленной окружной скоростью. Светочувствительный барабан 101 в процессе вращения равномерно заряжается с заранее установленной полярностью и заранее установленным потенциалом с помощью заряжающего ролика 102. 103 обозначает лазерное сканирующее устройство, служащее в качестве экспонирующего блока. Сканирующее устройство 103 выводит лазерный луч L, модулированный в соответствии с информацией изображения, которая будет введена из внешнего устройства, например, из не проиллюстрированного сканера изображений или компьютера, или т.п., и экспонирует заряженную лицевую сторону светочувствительного барабана 101 путем сканирования. В соответствии с этим сканирующим экспонированием убирается заряд на поверхности светочувствительного барабана 101, и в соответствии с информацией изображения образуется электростатическое скрытое изображение на поверхности светочувствительного барабана 101. 104 обозначает устройство проявления, при этом тонер подается от ролика 104a проявления на поверхность светочувствительного барабана 101 и электростатическое скрытое изображение образуется в виде порошкового изображения. 105 обозначает кассету подачи бумаги, в которую загружается регистрирующий материал P, и которая вставляется. Ролик 106 подачи бумаги приводится в движение на основе сигнала начала подачи бумаги, и регистрирующий материал P в кассете 105 подачи бумаги подается путем отделения одного листа за раз. Регистрирующий материал P вводится в участок 108T переноса, образованный из светочувствительного барабана 101 и вала 108 переноса, посредством ролика 107 регистрации по заранее установленному расписанию. В частности, в момент, когда ведущий оконечный участок порошкового изображения на светочувствительном барабане 101 достигает участка 108T переноса, перемещение регистрирующего материала P управляется роликом 107 регистрации так, чтобы ведущий оконечный участок регистрирующего материала P достиг участка 108T переноса. Пока регистрирующий материал P, введенный в участок 108T переноса, перемещается в этот участок 108T переноса, напряжение смещения переноса прикладывается к валу 108 переноса с помощью приложенной мощности смещения переноса, которая не проиллюстрирована. Напряжение смещения переноса, имеющее противоположную тонеру полярность, прикладывается к валу 108 переноса, и соответственно порошковое изображение на поверхности светочувствительного барабана 101 переносится на поверхность регистрирующего материала P на участке 108T переноса. Регистрирующий материал P, на который перенесено порошковое изображение на участке 108T переноса, отделяется от поверхности светочувствительного барабана 101 и подвергается закрепляющей обработке в закрепляющем устройстве A посредством направляющей 109 перемещения. Закрепляющее устройство A будет описываться позже. С другой стороны, поверхность светочувствительного барабана 101 после того, как регистрирующий материал отделяется от светочувствительного барабана 101, подвергается очистке в устройстве 110 очистки и повторно используется для операции формирования изображений. Регистрирующий материал P, проходящий через закрепляющее устройство A, выпускается в выходной лоток 112 для бумаги из отверстия 111 вывода бумаги.
(2) Закрепляющее устройство
2-1. Схематическая конфигурация
Фиг. 3 - схематичный вид в поперечном сечении закрепляющего устройства в соответствии с первым вариантом осуществления. Закрепляющее устройство A включает в себя пленку термоузла, служащую в качестве цилиндрического нагревательного вращающегося элемента, направляющую 9 пленки (направляющую ремня), служащую в качестве образующего участок зажима элемента, который контактирует с внутренней стороной пленки 1 термоузла, и прижимной ролик 7, служащий в качестве противостоящего элемента. Прижимной ролик 7 образует участок N зажима вместе с образующим участок зажима элементом через пленку 1 термоузла. Регистрирующий материал P, на котором поддерживается порошковое изображение T, нагревается наряду с перемещением с помощью участка N зажима для закрепления порошкового изображения T на регистрирующем материале P.
Образующий участок зажима элемент 9 прижимается к прижимному ролику 7, зажимая пленку 1 термоузла между ними, с помощью прижимающей силы с примерным полным давлением от 50 Н до 100 Н (примерно от 5 кгс до 10 кгс), за счет не проиллюстрированного опорного блока и прижимного блока. Прижимной ролик 7 приводится в движение путем вращения в направлении стрелки за счет не проиллюстрированного приводного источника, при этом вращающая сила действует на пленку 1 термоузла в соответствии с силой трения на участке N зажима, и пленка 1 термоузла приводится в движение прижимным роликом 7, чтобы вращаться. Образующий участок зажима элемент 9 также имеет функцию, служащую в качестве направляющей пленки, выполненную с возможностью направления внутренней стороны пленки 1 термоузла, и изготавливается из полифениленсульфида (PPS), который является теплостойкой смолой, или т.п.
Пленка 1 термоузла (ремень закрепления) включает в себя выполненный из металла электропроводящий слой 1a (базовый слой), диаметр которого (наружный диаметр) составляет от 10 до 100 мм, эластичный слой 1b, образованный на внешней стороне электропроводящего слоя 1a, и поверхностный слой 1c (разделительный слой), образованный на внешней стороне эластичного слоя 1b. В дальнейшем электропроводящий слой 1a будет называться "цилиндрическим вращающимся элементом" или "цилиндрическим элементом". Пленка 1 термоузла обладает гибкостью.
В первом варианте осуществления в качестве цилиндрического вращающегося элемента 1a применяется алюминий, относительная магнитная проницаемость которого равна 1,0, а толщина равна 20 мкм. В качестве материала цилиндрического вращающегося элемента 1a может применяться медь (Cu) или серебро (Ag), которое является немагнитным элементом, или может применяться аустенитная нержавеющая сталь (SUS). В качестве одного из признаков настоящего варианта осуществления приводится то, что имеется много вариантов материалов для применения в качестве цилиндрического вращающегося элемента 1a. Таким образом, существует преимущество, при котором может применяться материал, который выделяется удобством обработки, или недорогой материал.
Толщина цилиндрического вращающегося элемента 1a равна 75 мкм или тоньше, а предпочтительно равна 50 мкм или тоньше. Причина в том, что желательно обеспечить подходящую гибкость для цилиндрического вращающегося элемента 1a, а также уменьшить количество тепла вследствие этого. Небольшой диаметр выгоден для уменьшения количества тепла. Другим преимуществом уменьшения толщины до 75 мкм или, предпочтительно, до 50 мкм или тоньше, является улучшение характеристики гибкости. Пленка 1 термоузла приводится в движение путем вращения в состоянии, сжатом образующими участок зажима элементом 9 и прижимным роликом 7. Пленка 1 термоузла сжимается и деформируется на участке N зажима и принимает напряжение для каждого своего вращения. Даже если это повторяющееся изгибание непрерывно прикладывается к пленке 1 термоузла в течение срока службы до усталостного разрушения закрепляющего устройства, выполненный из металла электропроводящий слой 1a в пленке 1 термоузла должен быть выполнен с возможностью не вызывать усталостное разрушение. При уменьшении толщины электропроводящего слоя 1a значительно улучшается устойчивость к усталостному разрушению электропроводящего слоя 1a, выполненного из металла. Причина в том, что когда электропроводящий слой 1a сжимается и деформируется в соответствии с формой искривленной поверхности образующего участок зажима элемента 9, чем тоньше электропроводящий слой 1a, тем меньше внутреннее напряжение, которое воздействует на электропроводящий слой 1a. Обычно, когда толщина металлического слоя, который будет использоваться для пленки термоузла, достигает размера, равного 50 мкм или тоньше, этот эффект становится заметным и есть возможность получить достаточную устойчивость к усталостному разрушению. В соответствии с вышеупомянутыми причинами, чтобы осуществить минимизацию количества тепла и улучшение устойчивости к усталостному разрушению, важно в полной мере использовать электропроводящий слой 1a с тем, чтобы привести его толщину к 50 мкм или тоньше. Настоящий вариант осуществления обладает преимуществом в том, что толщину электропроводящего слоя 1a можно привести к 50 мкм или тоньше даже в закрепляющем устройстве с системой электромагнитного индукционного нагрева.
Эластичный слой 1b образуется из силиконового каучука, твердость которого равна 20 градусам (по стандарту JIS-A, с нагрузкой 1 кг), и имеет толщину от 0,1 до 0,3 мм. Более того, трубка из фторполимера, толщина которой составляет от 10 до 50 мкм, покрывает эластичный слой 1b в качестве поверхностного слоя 1c (разделительного слоя). Магнитный сердечник 2 вставляется в полость пленки 1 термоузла в направлении образующей у пленки 1 термоузла. Катушка 3 возбуждения наматывается вокруг наружной периферии магнитного сердечника 2.
2-2. Магнитный сердечник
Фиг. 1 - вид в перспективе цилиндрического вращающегося элемента 1a (электропроводящего слоя), магнитного сердечника 2 и катушки 3 возбуждения. Магнитный сердечник 2 имеет цилиндрическую форму и располагается практически в центре пленки 1 термоузла за счет не проиллюстрированного крепежного блока. Магнитный сердечник 2 выполнен с возможностью наведения магнитных силовых линий (магнитного потока) переменного магнитного поля, сформированного в катушке 3 возбуждения, в цилиндрическом вращающемся элементе 1a (области между цилиндрическим вращающимся элементом 1a и магнитным сердечником 2) и образования траектории (линии магнитной индукции) для линии магнитного поля. Желательно, чтобы материалом этого магнитного сердечника 2 был ферромагнетик, выполненный из оксида или сплава, имеющего низкие гистерезисные потери и высокую магнитную проницаемость, например, такой как обожженный феррит, смола с ферритом, аморфный сплав, пермаллой и так далее. В частности, в случае подачи к катушке возбуждения высокочастотного переменного тока диапазона от 21 кГц до 100 кГц желателен обожженный феррит, имеющий небольшие потери по высокочастотному переменному току. Желательно как можно больше увеличить площадь поперечного сечения магнитного сердечника 2 в диапазоне, подходящем по размеру к участку полости цилиндрического вращающегося элемента 1a. В настоящем варианте осуществления допустимо, что диаметр магнитного сердечника составляет от 5 до 40 мм, а длина в продольном направлении составляет от 230 до 300 мм. Отметим, что форма магнитного сердечника 2 не ограничивается цилиндрической формой и может быть призматической формой. Также можно выполнить конструкцию, в которой магнитный сердечник разделяется более чем на одну часть в продольном направлении, и между сердечниками обеспечивается зазор, но в таком случае желательно, чтобы зазор между разделенными магнитными сердечниками выполнялся как можно меньше в соответствии с описанной позже причиной.
2-3. Катушка возбуждения
Катушка 3 возбуждения образуется путем наматывания медной проволоки (одиночный проводник), диаметр которой составляет от 1 до 2 мм, покрытой теплостойким полиамидоимидом, вокруг магнитного сердечника 2 в форме спирали с примерным количеством витков от 10 до 100. В настоящем варианте осуществления допустимо, что число витков у катушки 3 возбуждения равно 18 виткам. Катушка 3 возбуждения наматывается вокруг магнитного сердечника 2 в направлении, ортогональном направлению образующей пленки 1 термоузла, и соответственно в случае подачи высокочастотного тока к этой катушке возбуждения может формироваться переменное магнитное поле в направлении, параллельном направлению образующей пленки 1 термоузла.
Отметим, что катушка 3 возбуждения не обязательно должна наматываться вокруг магнитного сердечника 2. Желательно, чтобы катушка 3 возбуждения имела спиралеобразный участок, и спиралеобразный участок располагался в цилиндрическом вращающемся элементе так, чтобы ось спирали у спиралеобразного участка была параллельна направлению образующей цилиндрического вращающегося элемента, и магнитный сердечник располагался в спиралеобразном участке. Например, можно выполнить конструкцию, в которой остов, на который наматывается катушка 3 возбуждения в форме спирали, обеспечивается в цилиндрическом вращающемся элементе, и магнитный сердечник 2 располагается в самом этом остове.
Также, с точки зрения тепловыделения, когда ось спирали и направление образующей у цилиндрического вращающегося элемента параллельны, тепловой КПД становится наибольшим. Однако, в случае, когда уходит параллельность оси спирали с направлением образующей цилиндрического вращающегося элемента, слегка снижается "величина магнитного потока, параллельно пронизывающего контур", и вследствие этого уменьшается тепловой КПД, но в случае, когда величина ухода является лишь отклонением в несколько градусов, реальная проблема вовсе отсутствует.
2-4. Блок терморегулирования
Термочувствительный элемент 4 на фиг. 1 предоставляется для обнаружения температуры поверхности пленки 1 термоузла. В настоящем варианте осуществления в качестве термочувствительного элемента 4 применяется термистор бесконтактного типа. Высокочастотный преобразователь 5 подводит высокочастотный ток к катушке 3 возбуждения посредством контактных участков 3a и 3b питания электричеством. Отметим, что используемая частота электромагнитного индукционного нагрева определена как диапазон от 20,05 кГц до 100 кГц законодательными нормами радиосвязи в Японии. Также частота предпочтительно снижается ради стоимости комплектующих источника питания, и соответственно в первом варианте осуществления управление частотной модуляцией выполняется в области от 21 кГц до 40 кГц около нижнего предела доступной полосы частот. Схема 6 управления управляет высокочастотным преобразователем 5 на основе температуры, обнаруженной термочувствительным элементом 4. Таким образом, управление выполняется так, что пленка 1 термоузла подвергается электромагнитному индукционному нагреву, и температура поверхности становится заранее установленной заданной температурой (примерно от 150 градусов по Цельсию до 200 градусов по Цельсию).
(3) Принцип тепловыделения
3-1. Форма магнитной силовой линии и наведенная электродвижущая сила
Сначала будет описываться форма магнитной силовой линии. Отметим, что сначала будет выполнено описание с использованием формы магнитного поля в общеизвестном соленоиде с воздушным сердечником. Фиг. 4A - схематичный вид служащего в качестве катушки возбуждения соленоида 3 с воздушным сердечником (чтобы улучшить наглядность, на фиг. 4A и 4B число витков уменьшено, форма упрощена), и магнитного поля. Соленоид 3 имеет форму с ограниченной длиной, а также зазором Δd, и высокочастотный ток подается к этой катушке. Направление настоящей магнитной силовой линии является моментом, когда ток увеличивается в направлении стрелки I. В этой магнитной силовой линии основные участки проходят через центр соленоида 3 и соединяются на наружной периферии, одновременно утекая из зазора Δd. Фиг. 4B иллюстрирует распределение плотности магнитного потока на центральной оси X соленоида. Как проиллюстрировано на кривой B1 графика, плотность магнитного потока наибольшая на участке центрального 0 и снижается на оконечных участках соленоида. Причина этого в том, что имеются утечки L1 и L2 магнитной силовой линии из зазора Δd катушки. Периферическое магнитное поле L2 возле катушки образуется так, чтобы обходить катушку 3 возбуждения. Считается, что это периферическое магнитное поле L2 возле катушки проходит по линии, неподходящей для эффективного нагрева цилиндрического вращающегося элемента.
Фиг. 5A - диаграмма соответствия между формой катушки и магнитным полем в случае, когда магнитные линии образуются путем вставки магнитного сердечника 2 в центр соленоида 3, имеющего такую же форму. Точно так же, как и в случае фиг. 4A и 4B, это момент, когда ток увеличивается в направлении стрелки I. Магнитный сердечник 2 служит в качестве элемента, выполненного с возможностью наведения изнутри магнитной силовой линии, сформированной в соленоиде 3 для образования линии магнитной индукции. Магнитный сердечник 2 в соответствии с первым вариантом осуществления не обладает замкнутостью, а имеет оконечный участок в каждом из продольных направлений. Поэтому большинство магнитных силовых линий становится по форме разомкнутой линией магнитной индукции, проходящей по линии магнитной индукции сконцентрировано в центре соленоида и рассеивающейся на оконечных участках в продольном направлении магнитного сердечника 2. По сравнению с фиг. 4A значительно уменьшаются утечки магнитных силовых линий в зазорах Δd катушки, магнитные силовые линии, выходящие из обеих полярностей, становятся разомкнутыми линиями магнитной индукции в форме, при которой они соединяются далеко на наружной периферии (разъединяются на оконечных участках на чертеже). Фиг. 5B иллюстрирует распределение плотности магнитного потока на центральной оси X соленоида. При плотности магнитного потока, которая проиллюстрирована на кривой B2 на графике, ослабление плотности магнитного потока уменьшается на оконечных участках соленоида 3 по сравнению с B1, и B2 имеет форму, приближенную к трапеции.
3-2. Наведенная электродвижущая сила
Принцип тепловыделения следует закону Фарадея. Закон Фарадея гласит: "При изменении магнитного поля в контуре возникает наведенная электродвижущая сила, которая пытается подать ток в контур, и наведенная электродвижущая сила пропорциональна временному изменению магнитного потока, вертикально пронизывающему контур". Давайте рассмотрим случай, когда контур S, диаметр которого больше катушки и магнитного сердечника, располагается возле оконечного участка магнитного сердечника 2 соленоида 3, проиллюстрированного на фиг. 6A, и высокочастотный переменный ток подается к катушке 3. В случае подачи на нее высокочастотного переменного тока вокруг соленоида образуется переменное магнитное поле (магнитное поле, где размер и направление неоднократно меняются со временем). В это время наведенная электродвижущая сила, сформированная в контуре S, в соответствии с нижеследующим выражением (1), пропорциональна временному изменению магнитного потока, вертикально пронизывающего внутреннюю часть контура S, в соответствии с законом Фарадея.
[Математическое выражение 1]
<mrow><mi>V</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext></mtext><mo>=</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>−</mo><mi>N</mi><mfrac><mrow><mtext>ΔΦ</mtext></mrow><mrow><mtext>Δ</mtext><mtext> </mtext><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow>
… (1)
V: наведенная электродвижущая сила
N: число витков катушки
ΔΦ/Δt: изменение в магнитном потоке, вертикально пронизывающем контур, за короткое время Δt
В частности, в состоянии, в котором постоянный ток подается к катушке возбуждения для образования статического магнитного поля, в случае, когда через контур S проходит гораздо больше вертикальных составляющих магнитных силовых линий, также увеличивается временное изменение в вертикальных составляющих магнитных силовых линий в момент подачи высокочастотного переменного тока для формирования переменного магнитного поля. В результате также увеличивается наведенная электродвижущая сила, которая будет сформирована, и ток течет в направлении, где уравновешивается изменение его магнитного потока. Другими словами, в результате формирования переменного магнитного поля при протекании тока уравновешивается изменение магнитного потока, и образуется форма магнитных силовых линий, отличная от таковой в момент образования статического магнитного поля. Также, чем выше частота переменного тока (то есть чем меньше Δt), тем больше склонна увеличиваться эта наведенная электродвижущая сила V. Соответственно, электродвижущая сила, которая может формироваться при заранее установленном количестве магнитных потоков, значительно отличается между случаем, где к катушке возбуждения подается переменный ток с низкой частотой от 50 до 60 Гц, и случаем, где к катушке возбуждения подается переменный ток с высокой частотой от 21 до 100 кГц. При изменении частоты переменного тока на высокую частоту может формироваться высокая электродвижущая сила даже с немногими магнитными потоками. Соответственно, при изменении частоты переменного тока на высокую частоту может выделяться большое количество тепла с магнитным сердечником, площадь поперечного сечения которого небольшая, и соответственно это выгодно в случае попытки выделения большого количества тепла в небольшом закрепляющем устройстве. Это аналогично случаю, где можно уменьшить размер трансформатора путем увеличения частоты переменного тока. Например, при трансформаторе, который будет использоваться для полосы низких частот (от 50 до 60 Гц), магнитный поток Φ приходится увеличивать на прирост, эквивалентный Δt, и приходится увеличивать площадь поперечного сечения магнитного сердечника. С другой стороны, при трансформаторе, который будет использоваться для полосы высоких частот (кГц), магнитный поток Φ можно уменьшить на уменьшение, эквивалентное Δt, и площадь поперечного сечения магнитного сердечника можно выполнить небольшой.
В качестве вывода из вышеприведенного описания в качестве частоты переменного тока используется полоса высоких частот от 21 до 100 кГц, и соответственно снижение размера устройства формирования изображений можно осуществить путем уменьшения площади поперечного сечения магнитного сердечника.
Чтобы с помощью переменного магнитного поля сформировать наведенную электродвижущую силу в контуре S с высокой эффективностью, должно быть получено состояние, в котором через контур S проходит гораздо больше вертикальных составляющих магнитных силовых линий. Однако при переменном магнитном поле приходится принимать во внимание влияние размагничивающего поля в момент, когда наведенная электродвижущая сила формируется на катушке, и так далее, и это явление становится сложным. Закрепляющее устройство в соответствии с настоящим вариантом осуществления будет описываться позже, но чтобы выполнить закрепляющее устройство в соответствии с настоящим вариантом осуществления, приводится довод с формой магнитных силовых линий в состоянии статического магнитного поля, где не сформирована никакая наведенная электродвижущая сила, и соответственно, выполнение можно продвинуть с помощью более простой модели физических явлений. Другими словами, оптимизируется форма магнитных силовых линий в статическом магнитном поле, при помощи чего можно выполнять закрепляющее устройство, в котором наведенная электродвижущая сила формируется с высокой эффективностью в переменном магнитном поле.
Фиг. 6B иллюстрирует распределение плотности магнитного потока на центральной оси X соленоида. При рассмотрении случая, где постоянный ток подан к катушке для образования статического магнитного поля (магнитное поле без временной флуктуации), по сравнению с магнитным потоком при расположении контура S в положении X1, когда контур S располагается в положении X2, увеличивается магнитный поток, который вертикально пронизывает контур S, как проиллюстрировано на B2. В положении X2 почти все магнитные силовые линии, ограниченные магнитным сердечником 2, размещаются в контуре S, и в области M устойчивости в более положительном направлении на оси X, чем положение X2, магнитный поток, который вертикально пронизывает контур, насыщается, чтобы стать постоянно максимальным. То же самое может применяться к оконечному участку на противоположной стороне, как проиллюстрировано на распределении магнитного потока на фиг. 7B, с областью M устойчивости от положения X2 до X3 на оконечном участке на противоположной стороне плотность магнитного потока, который вертикально пронизывает внутреннюю часть контура S, насыщается и стабилизируется. Как проиллюстрировано на фиг. 7A, эта область M устойчивости существует внутри области, включающей в себя магнитный сердечник 2.
Как проиллюстрировано на фиг. 8A, в отношении конфигурации магнитных силовых линий (магнитного потока) в настоящем варианте осуществления, в случае образования статического магнитного поля цилиндрический вращающийся элемент 1a накрывается областью от X2 до X3. Далее выполнена форма магнитных силовых линий, где магнитные силовые линии проходят над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента от одного конца (магнитная полярность NP) до другого конца (магнитная полярность SP) магнитного сердечника 2. Далее изображение на регистрирующем материале нагревается с использованием области M устойчивости. Соответственно, в первом варианте осуществления, по меньшей мере, длину в продольном направлении магнитного сердечника 2 для образования линии магнитной индукции необходимо выполнять так, чтобы она была длиннее максимальной области ZL нагрева изображения у регистрирующего материала P. В качестве дополнительной предпочтительной конфигурации желательно, чтобы длины в продольных направлениях и магнитного сердечника 2, и катушки 3 возбуждения выполнялись так, чтобы быть длиннее максимальной области ZL нагрева изображения. Таким образом, порошковое изображение на регистрирующем материале P может нагреваться равномерно вплоть до оконечных участков. Также длину в продольном направлении цилиндрического вращающегося элемента 1a необходимо выполнять так, чтобы она была длиннее максимальной области ZL нагрева изображения. В настоящем варианте осуществления в случае образования магнитного поля соленоида, проиллюстрированного на фиг. 8A, важно, чтобы две магнитные полярности NP и SP выступали на внешней стороне дальше максимальной области ZL нагрева изображения. Таким образом, равномерное тепло может выделяться в диапазоне ZL.
Отметим, что вместо максимальной области нагрева изображения может применяться максимальная область перемещения регистрирующего материала.
В настоящем варианте осуществления оба оконечных участка в продольном направлении магнитного сердечника 2 выступают каждый наружу из торца в направлении образующей пленки 1 термоузла. Таким образом, можно стабилизировать количество тепла во всей области в направлении образующей пленки 1 термоузла.
Закрепляющее устройство с системой электромагнитного индукционного нагрева в соответствии с предшествующим уровнем техники выполнено с такой технической идеей, что магнитная силовая линия вводится в материал цилиндрического вращающегося элемента. С другой стороны, система электромагнитного индукционного нагрева в соответствии с первым вариантом осуществления нагревает всю область цилиндрического вращающегося элемента в состоянии, в котором магнитный поток, который вертикально пронизывает контур S, становится максимальным, то есть она выполнена с такой технической идеей, что магнитные силовые линии проходят над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента.
В дальнейшем будет проиллюстрировано три примера формы магнитных силовых линий, неподходящих для цели настоящего варианта осуществления. Фиг. 9A иллюстрирует пример, в котором магнитные силовые линии проходят через внутреннюю часть цилиндрического вращающегося элемента (область между цилиндрическим вращающимся элементом и магнитным сердечником). В этом случае при магнитных силовых линиях, проходящих через внутреннюю сторону цилиндрического вращающегося элемента, магнитные силовые линии, которые идут влево, и магнитные силовые линии, которые идут вправо на чертеже, перемешиваются и соответственно уравновешиваются друг другом, и в соответствии с законом Фарадея интегральное значение Φ уменьшается, тепловой КПД уменьшается, что нежелательно. Такая форма магнитных силовых линий обусловлена случаем, когда площадь поперечного сечения у магнитного сердечника небольшая, случаем, когда относительная магнитная проницаемость магнитного сердечника небольшая, случаем, когда магнитный сердечник разделяется в продольном направлении для образования большого зазора и случаем, когда диаметр цилиндрического вращающегося элемента большой. Фиг. 9B иллюстрирует пример, в котором магнитные силовые линии проходят через внутреннюю часть материала цилиндрического вращающегося элемента. Такое состояние легко вызывается в случае, когда материалом цилиндрического вращающегося элемента является материал, имеющий высокую относительную магнитную проницаемость, такой как никель, железо или т.п.
В качестве вывода из вышеприведенного описания форма магнитных силовых линий, неподходящая для цели настоящего варианта осуществления, образуется в следующих случаях от (I) до (V), и это является закрепляющим устройством в соответствии с предшествующим уровнем техники, в котором тепло выделяется при джоулевом нагреве вследствие потери по вихревому току, которая происходит в материале цилиндрического вращающегося элемента.
(I) Относительная магнитная проницаемость материала цилиндрического вращающегося элемента является значительной
(II) Площадь поперечного сечения цилиндрического вращающегося элемента является значительной
(III) Площадь поперечного сечения магнитного сердечника является небольшой
(IV) Относительная магнитная проницаемость магнитного сердечника является небольшой
(V) Магнитный сердечник разделяется в продольном направлении для образования большого зазора
Фиг. 9C - случай, где магнитный сердечник разделяется на множество в продольном направлении, и магнитная полярность образуется в местоположении MP помимо обоих оконечных участков NP и SP магнитного сердечника. Чтобы достичь цели настоящего варианта осуществления, желательно образовать линию магнитной индукции так, чтобы выбрать только две из NP и SP в качестве магнитных полярностей, и нежелательно разделять магнитный сердечник на два или более в продольном направлении для образования магнитной полярности MP. В соответствии с причиной, описанной позже в 3-3, может иметь место случай, когда магнитное сопротивление всего магнитного сердечника увеличивается для предотвращения образования линии магнитной индукции, и случай, когда количество тепла в окрестности участка магнитной полярности MP уменьшается для предотвращения равномерного нагрева изображения. В случае разделения магнитного сердечника ограничивается диапазон (будет описан позже в 3-6), где магнитное сопротивление снижается, а магнитная проводимость остается большой, так что магнитный сердечник в достаточной мере служит в качестве линии магнитной индукции.
3-3. Магнитная схема и магнитная проводимость
Далее будет выполнено описание касательно определенного руководства по проектированию для достижения принципа тепловыделения, описанного в 3-2, который является существенным признаком настоящего варианта осуществления. В этой связи простота прохождения магнетизма в направлении образующей цилиндрического вращающегося элемента из компонентов закрепляющего устройства должна выражаться с помощью коэффициента формы. Коэффициент формы использует "магнитную проводимость" "модели магнитной схемы в статическом магнитном поле". Сначала будет выполнено описание касательно хода мыслей для общеизвестной магнитной схемы. Замкнутая схема линии магнитной индукции, где преимущественно проходят магнитные силовые линии, будет называться магнитной схемой в противоположность электрической схеме. Во время вычисления магнитного потока в магнитной схеме это может выполняться в соответствии с вычислением тока в электрической схеме. Основная формула магнитной схемы такая же, как и в случае закона Ома касательно электрических схем, и скажем, что всеми магнитными силовыми линиями являются Φ, электродвижущей силой является V, а магнитным сопротивлением является R, при этом эти три элемента связаны.
Все магнитные силовые линии Φ=электродвижущая сила V/магнитное сопротивление R … (2)
(соответственно, ток в электрической схеме соответствует всем магнитным силовым линиям Φ в магнитной схеме, электродвижущая сила в электрической схеме соответствует электродвижущей силе V в магнитной схеме, и электрическое сопротивление в электрической схеме соответствует магнитному сопротивлению в магнитной схеме). Однако чтобы всесторонне описать этот принцип, будет выполнено описание с использованием магнитной проводимости P, которая является обратной величиной магнитного сопротивления R. Соответственно, вышеприведенное выражение (2) заменяется
Все магнитные силовые линии Φ=электродвижущая сила V × магнитная проводимость P … (3)
При допущении, что длиной линии магнитной индукции является B, площадью поперечного сечения линии магнитной индукции является S, а магнитной проницаемостью линии магнитной индукции является µ, эта магнитная проводимость P представляется с помощью
магнитная проводимость P = магнитная проницаемость µ × площадь S поперечного сечения линии магнитной индукции/длина B линии магнитной индукции … (4)
Магнитная проводимость P указывает, что чем короче длина B линии магнитной индукции и чем больше площадь S поперечного сечения линии магнитной индукции и магнитная проницаемость µ, тем больше магнитная проводимость P, и гораздо больше магнитных силовых линий Φ образуется на участке, где магнитная проводимость P значительная.
Как проиллюстрировано на фиг. 8A, проектирование выполняется так, что большинство магнитных силовых линий, выходящих из одного конца в продольном направлении магнитного сердечника в статическом магнитном поле, проходит над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента, чтобы вернуться к другому концу магнитного сердечника. Во время проектирования желательно, чтобы закрепляющее устройство рассматривалось как магнитная схема, и магнитная проводимость магнитного сердечника 2 устанавливалась достаточно большой, а также магнитная проводимость цилиндрического вращающегося элемента и внутренней стороны цилиндрического вращающегося элемента устанавливалась достаточно небольшой.
0
На фиг. 10A и 10B цилиндрический вращающийся элемент (электропроводящий слой) будет называться цилиндрическим телом. Фиг. 10A является конструкцией, в которой в цилиндрическом теле 1a располагаются магнитный сердечник 2, радиус которого равен a1 м, длина равна B м, а относительная магнитная проницаемость равна µ1, и соленоид ограниченной длины с катушкой 3 возбуждения, число витков которой равно N. Здесь цилиндрическое тело является проводником, длина которого равна B м, внутренний радиус цилиндрического тела равен a2 м, внешний радиус цилиндрического тела равен a3 м, а относительная магнитная проницаемость равна µ2. Допустим, что магнитная проницаемость в вакууме на внутренней стороне и внешней стороне цилиндрического тела равна µ Гн/м. При подаче тока в I ампер к соленоиду, магнитный поток 8, который будет сформирован, на единицу длины произвольного положения магнитного сердечника составляет φc (x).
Фиг. 10B - увеличенный вид поперечного сечения, перпендикулярного продольному направлению магнитного сердечника 2. Стрелки на чертеже представляют воздух внутри магнитного сердечника, воздух внутри и за пределами цилиндрического тела и магнитные силовые линии, параллельные продольному направлению магнитного сердечника, проходящие через цилиндрическое тело при подаче тока I к соленоиду. Магнитным потоком, проходящим через магнитный сердечник, является φc (=φc (x)), магнитным потоком, проходящим через воздух на внутренней стороне цилиндрического тела, является φa_in, магнитным потоком, проходящим через цилиндрическое тело, является φcy, и магнитным потоком, проходящим через воздух на внешней стороне цилиндрического тела, является φa_out.
Фиг. 11A иллюстрирует магнитную эквивалентную схему в пространстве, включающем в себя сердечник, катушку и цилиндрическое тело на единицу длины, проиллюстрированном на фиг. 10B. Электродвижущая сила, которая будет сформирована магнитным потоком φc магнитного сердечника, равна Vm, магнитная проводимость магнитного сердечника равна Pc, магнитная проводимость в воздухе на внутренней стороне цилиндрического тела равна Pa_in, магнитная проводимость в цилиндрическом теле равна Pcy, и магнитная проводимость воздуха на внешней стороне цилиндрического тела равна Pa_out. Когда магнитная проводимость Pc магнитного сердечника достаточно значительная по сравнению с магнитной проводимостью Pa_in в цилиндрическом теле или магнитной проводимостью Pcy цилиндрического тела, верно следующее соотношение.
φc=φa_in+φcy+φa_out … (5)
Другими словами, это означает, что магнитный поток, проходящий внутри магнитного сердечника, обязательно проходит через один из φa_in, φcy и φa_out и возвращается в магнитный сердечник.
φc=Pc·Vm … (6)
φa_in=Pa_in·Vm … (7)
φcy=Pcy·Vm … (8)
φa_out=Pa_out·Vm … (9)
Соответственно, при замене (5) выражениями с (6) по (9) выражение (5) становится следующим.
Pc·Vm=Pa_in·Vm+Pcy·Vm+Pa_out·Vm
=(Pa_in+Pcy+Pa_out)·Vm
Pc-Pa_in-Pcy-Pa_out=0 … (10)
В соответствии с Фиг. 10B, если мы говорим, что площадь поперечного сечения магнитной катушки равна Sc, площадь поперечного сечения воздуха внутри того цилиндрического тела равна Sa_in, и площадь поперечного сечения цилиндрического тела равна Scy, то магнитную проводимость на единицу длины у каждой области можно представить с помощью "магнитная проницаемость × площадь поперечного сечения" следующим образом, и ее единицей является Гн·м.
2
Pc=µ1·Sc=µ1·π(a1) … (11)
2
2
Pa_in=µ0·Sa_in=µ0·π((a2)-(a1)) … (12)
2
2
Pcy=µ2·Scy=µ2·π·((a3)-(a2)) … (13)
Дополнительно, верно Pc-Pa_in-Pcy-Pa_out=0, и соответственно магнитную проводимость в воздухе за пределами цилиндрического тела можно представить следующим образом.
Pa_out=Pc-Pa_in-Pcy
=µ1·Sc-µ0·Sa_in-µ2·Scy
2
=π·µ1·(a1)
2
2
-π·µ0·((a2)-(a1))
2
2
-π·µ2·((a3)-(a2)) … (14)
Магнитный поток, проходящий через каждую область, как проиллюстрировано в выражениях с (5) по (10), пропорционален магнитной проводимости каждой области. При применении выражений с (5) по (10) долю магнитного потока, проходящего через каждую область, можно вычислить как в описанной позже Таблице 1. Отметим, что в случае, когда в полости цилиндрического тела также существует материал помимо воздуха, магнитную проводимость можно получить из площади его поперечного сечения и магнитной проницаемости по такому же способу, как и в случае воздуха в цилиндрическом теле. Позже будет выполнено описание касательно того, как вычислить магнитную проводимость в этом случае.
В настоящем варианте осуществления в качестве "коэффициента формы для выражения простоты прохождения магнетизма в продольном направлении цилиндрического вращающегося элемента" используется "магнитная проводимость на единицу длины". Таблица 1 с конфигурацией из настоящего варианта осуществления вычисляет магнитную проводимость на единицу длины из площади поперечного сечения и магнитной проницаемости для магнитного сердечника, направляющей пленки (образующего участок зажима элемента), воздуха в цилиндрическом теле и цилиндрического тела, используя выражения с (5) по (10). В конечном счете, магнитная проводимость воздуха за пределами цилиндрического тела вычисляется с использованием выражения (14). В настоящем вычислении принимаются во внимание все "элементы, которые можно включить в цилиндрическое тело и которые служат в качестве линии магнитной индукции". Настоящее вычисление указывает, что объединенная процентная доля магнитной проводимости каждого участка со значением магнитной проводимости магнитного сердечника составляет 100%. В соответствии с этим с использованием магнитной схемы можно выполнить преобразование в цифровую форму касательно того, в каком участке легко образуется линия магнитной индукции, и через какой участок проходит магнитный поток.
Магнитное сопротивление R (обратная величина магнитной проводимости P) может применяться вместо магнитной проводимости. Отметим, что в случае рассуждения с использованием магнитного сопротивления магнитное сопротивление является просто обратной величиной магнитной проводимости, и соответственно магнитное сопротивление R на единицу длины можно представить с помощью "1/(магнитная проницаемость × площадь поперечного сечения)", и ее единицей является "1/(Гн·м)".
Ниже будут перечислены подробности (материал и числовые значения) конфигурации первого варианта осуществления, которые будут использоваться для преобразования в цифровую форму.
-4
2
Магнитный сердечник 2: феррит (относительная магнитная проницаемость 1800), диаметр 14 мм (площадь поперечного сечения 1,5×10 м).
-4
2
Направляющая пленки: PPS (относительная магнитная проницаемость 1), площадь поперечного сечения 1,0×10 м.
-6
2
Цилиндрический вращающийся элемент 1a (электропроводящий слой): алюминий (относительная магнитная проницаемость 1), диаметр 24 мм, толщина 20 мкм (площадь поперечного сечения 1,5×10 м).
Эластичный слой 1b пленки термоузла и поверхностный слой 1c пленки термоузла находятся на внешней стороне, нежели цилиндрический вращающийся элемент 1a (электропроводящий слой), который является экзотермическим слоем, и также не вносят вклад в выделение тепла. Соответственно, не нужно вычислять магнитную проводимость (или магнитное сопротивление), и при настоящей модели магнитной схемы с эластичным слоем 1b пленки термоузла и поверхностным слоем 1c пленки термоузла можно обращаться путем включения их в "воздух за пределами цилиндрического тела".
"Магнитная проводимость и магнитное сопротивление на единицу длины" компонентов закрепляющего устройства, вычисленные из вышеприведенных размеров, и относительная магнитная проницаемость будут обобщены в следующей Таблице 1.
Таблица 1Магнитная проводимость в первом варианте осуществления
Свойство
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИКC
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО Cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
1,5E-04
1,0E-04
2,0E-04
1,5E-08
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
1
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-3
1,3E-6
1,3E-6
1,3E-6
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
3,5E-07
1,3E-10
2,5E-10
1,9E-12
3,5E-07
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
2,9E+06
8,0E+09
4,0E+09
5,3E+11
2,9E+06
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
100,0%
0,0%
0,1%
0,0%
99,9%
В отношении "магнитной проводимости на единицу длины" будет выполнено описание касательно отношений соответствия между диаграммой магнитной эквивалентной схемы на фиг. 11A и фактическими числовыми значениями. Магнитная проводимость Pc на единицу длины у магнитного сердечника представляется следующим образом (Таблица 1).
-7
Pc=3,5×10 Гн·м
Магнитная проводимость Pa_in на единицу длины области между электропроводящим слоем и магнитным сердечником слагается из магнитной проводимости на единицу длины у направляющей пленки и магнитной проводимости на единицу длины у воздуха в цилиндрическом теле, и соответственно представляется следующим образом (Таблица 1).
-10
-10
Pa_in=1,3×10+2,5×10 Гн·м
Магнитная проводимость Pcy на единицу длины у электропроводящего слоя является цилиндрическим телом, описанным в Таблице 1, и представляется следующим образом.
-12
Pcy=1,9×10 Гн·м
Pa_out является воздухом за пределами цилиндрического тела, описанного в Таблице 1, и представляется следующим образом.
-7
Pa_out=Pc-Pa_in-Pcy=3,5×10 Гн·м
Далее будет выполнено описание касательно магнитного сопротивления, которое является обратной величиной магнитной проводимости. Магнитное сопротивление на единицу длины у магнитного сердечника выглядит следующим образом.
6
Rc=2,9×10 1/(Гн·м)
Магнитное сопротивление области между электропроводящим слоем и магнитным сердечником выглядит следующим образом.
9
Ra_in=1/Pa_in=2,7×10 1/(Гн·м)
9
9
Отметим, что в случае непосредственного вычисления магнитного сопротивления из удельного магнитного сопротивления Rf направляющей пленки=8,0×10 1/(Гн·м) и удельного магнитного сопротивления Ra воздуха внутри цилиндрического тела=4,0×10 1/(Гн·м) приходится использовать выражения объединенного удельного магнитного сопротивления для параллельных схем.
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mfrac><mtext>1</mtext><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><msub><mtext>a</mtext><mrow><mtext>in</mtext></mrow></msub></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext></mtext><mo>=</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mtext>1</mtext><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mfrac><mtext>1</mtext><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext></mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mtext>1</mtext><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><msub><mtext>a</mtext><mrow><mtext>in</mtext></mrow></msub></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext></mtext><mo>=</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext> </mtext><mo>×</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mtd></mtr></mtable>
11
Это цилиндрическое тело, описанное в Таблице 1, которое соответствует Rcy, и верно Rcy=5,3×10 Гн·м. Также площадь поперечного сечения воздуха в области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником вычисляется путем вычитания площади поперечного сечения магнитного сердечника и площади поперечного сечения направляющей пленки из площади поперечного сечения полости, диаметр которой равен 24 мм. Вообще, стандарт значения магнитной проводимости на момент использования настоящего варианта осуществления в качестве закрепляющего устройства выглядит практически следующим образом.
-8
-6
Что касается магнитного сердечника, то в случае использования спеченного феррита относительная магнитная проницаемость практически равна 500-10000, а поперечное сечение становится около 5 мм - 20 мм. Соответственно, магнитная проводимость на единицу длины у магнитного сердечника становится равной от 1,2×10 до 3,9×10 Гн·м. В случае применения другого ферромагнетика в качестве относительной магнитной проницаемости может выбираться значение примерно от 100 до 10000.
2
2
-11
-10
В случае применения смолы в качестве материала направляющей пленки относительная магнитная проницаемость равна практически 1,0, а площадь поперечного сечения становится равной около 10 мм - 200 мм. Соответственно магнитная проводимость на единицу длины становится равной от 1,3×10 до 2,5×10 Гн·м.
-11
-10
Что касается воздуха внутри цилиндрического тела, то относительная магнитная проницаемость воздуха равна практически 1, а приблизительная площадь поперечного сечения становится разностью между площадью поперечного сечения у цилиндрического вращающегося элемента и площадью поперечного сечения у сердечника, и соответственно становится площадью поперечного сечения, эквивалентной от 10 мм до 50 мм. Соответственно магнитная проводимость на единицу длины становится равной от 1,0×10 до 1,0×10 Гн·м. Упомянутый здесь воздух внутри цилиндрического тела является областью между цилиндрическим вращающимся элементом (электропроводящим слоем) и магнитным сердечником.
-12
-9
-15
-12
Что касается цилиндрического вращающегося элемента (электропроводящего слоя), то чтобы уменьшить время разогрева, желательно, чтобы теплоемкость была меньше. Соответственно, желательно, чтобы толщина составляла от 1 до 50 мкм, и диаметр был около 10-100 мм. Магнитная проводимость на единицу длины в случае применения никеля в качестве материала (относительная магнитная проницаемость 600), который является магнитным материалом, становится равной от 4,7×10 до 1,2×10 Гн·м. Магнитная проводимость на единицу длины в случае применения немагнитного материала в качестве материала становится равной от 8,0×10 до 2,0×10 Гн·м. Вышеприведенное является диапазоном приблизительной "магнитной проводимости на единицу длины" у закрепляющего устройства в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
5
7
9
10
8
10
Здесь в случае замены вышеприведенных значений магнитной проводимости значением магнитного сопротивления результат становится следующим. Диапазоном магнитного сопротивления каждого из магнитного сердечника, направляющей пленки и воздуха внутри цилиндрического тела является 2,5×10-8,1×10 1/(Гн·м), 4,0×10-8,0×10 1/(Гн·м) и 1,0×10-1,0×10 1/(Гн·м).
8
11
11
14
Что касается цилиндрического вращающегося элемента, то магнитное сопротивление на единицу длины в случае применения никеля (относительная магнитная проницаемость 600), который является магнитным материалом, в качестве материала, становится равным 8,3×10-2,1×10 1/(Гн·м), а магнитное сопротивление на единицу длины в случае применения немагнитного материала в качестве материала становится равным 5,0×10-1,3×10 1/(Гн·м).
Вышеприведенное является диапазоном приблизительного "магнитного сопротивления на единицу длины" закрепляющего устройства в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
Далее магнитная эквивалентная схема будет описана со ссылкой на "долю магнитного потока" в Таблице 1 и фиг. 11B. В настоящем варианте осуществления на модели магнитной схемы в статическом магнитном поле траектория, где 100% магнитных силовых линий, выходящих из одного конца магнитного сердечника, проходят внутри магнитного сердечника, имеет следующее содержание. Из 100% магнитных силовых линий, выходящих из одного конца магнитного сердечника и проходящих через магнитный сердечник, 0,0% проходит через направляющую пленки, 0,1% проходит через воздух внутри цилиндрического тела, 0,0% проходит через цилиндрическое тело, и 99,9% проходит через воздух за пределами цилиндрического тела. В дальнейшем в этом документе это состояние будет представлено как "доля магнитного потока за пределами цилиндрического тела: 99,9%". Отметим, что хотя причина будет описана позже, желательно, чтобы значение "доли магнитных силовых линий, проходящих над наружной частью цилиндрического элемента на модели магнитной схемы в статическом магнитном поле", как можно больше приближалось к 100%, чтобы достичь цели настоящего варианта осуществления.
"Доля магнитных силовых линий, проходящих над наружной частью цилиндрического элемента", в момент подачи постоянного тока к катушке возбуждения для образования статического магнитного поля, из магнитных силовых линий, которые проходят внутри магнитного сердечника в направлении образующей пленки и выходят из одного конца в продольном направлении магнитного сердечника, является долей магнитных силовых линий, которые проходят над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента и возвращаются к другому концу магнитного сердечника.
При представлении с параметрами, описанными в выражениях с (5) по (10), "доля магнитных силовых линий, проходящих над наружной частью цилиндрического элемента", является долей Pa_out по отношению к Pc (=Pa_out/Pc).
Чтобы создать конфигурацию, имеющую высокую "долю магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела", желательны, в частности, следующие методики проектирования.
Методика 1: Увеличить магнитную проводимость магнитного сердечника (увеличить площадь поперечного сечения магнитного сердечника, увеличить относительную магнитную проницаемость материала)
Методика 2: Уменьшить магнитную проводимость в цилиндрическом теле (уменьшить площадь поперечного сечения воздушного участка)
Методика 3: Не допускать расположения элемента, имеющего значительную магнитную проводимость, такого как железо или т.п., в цилиндрическом теле
Методика 4: Уменьшить магнитную проводимость цилиндрического тела (уменьшить площадь поперечного сечения цилиндрического тела, уменьшить относительную магнитную проницаемость материала, который будет использоваться для цилиндрического тела)
В соответствии с методикой 4 желательно, чтобы материал цилиндрического тела имел низкую относительную магнитную проницаемость µ. Во время применения в качестве цилиндрического тела материала, имеющего высокую относительную магнитную проницаемость µ, площадь поперечного сечения цилиндрического тела должна быть уменьшена до минимума. Это противоположно по свойствам закрепляющему устройству в соответствии с предшествующим уровнем техники, в котором чем больше площадь поперечного сечения цилиндрического тела, тем больше возрастает число магнитных силовых линий, которые пронизывают цилиндрическое тело, и тем выше становится тепловой КПД. Также, хотя желательно не допускать расположения в цилиндрическом теле элемента, имеющего большую магнитную проводимость, в случае, когда не остается ничего другого, кроме железа или т.п., "долей магнитных силовых линий, проходящих над наружной частью цилиндрического элемента", приходится управлять путем уменьшения площади поперечного сечения или т.п.
Отметим, что также может иметь место случай, где магнитный сердечник разделяется на два или более в продольном направлении, и предусматривается зазор между разделенными магнитными сердечниками. В таком случае, когда этот зазор заполняется воздухом или средой, имеющей относительную магнитную проницаемость меньше, чем относительная магнитная проницаемость магнитного сердечника, такого как среда, относительная магнитная проницаемость которой считается равной 1,0, магнитное сопротивление всего магнитного сердечника увеличивается, чтобы уменьшить возможность образования линии магнитной индукции. Соответственно, чтобы получить настоящий вариант осуществления, приходится тщательно управлять зазорами магнитного сердечника. Способ для вычисления магнитной проводимости магнитного сердечника становится усложненным. Далее в этом документе будет выполнено описание касательно способа для вычисления магнитной проводимости всего магнитного сердечника в случае разделения магнитного сердечника на два или более и упорядочения их с равным интервалом, с помещением между ними зазор или листовой немагнитный материал. В этом случае необходимо вывести магнитное сопротивление всего имеющегося в продольном направлении, чтобы получить магнитное сопротивление на единицу длины путем деления выведенного магнитного сопротивления на всю длину, и получить магнитную проводимость на единицу длины путем взятия обратной величины.
Сначала на фиг. 12 иллюстрируется продольная диаграмма конфигурации магнитного сердечника. В магнитных сердечниках от c1 до c10 площадью поперечного сечения является Sc, магнитной проницаемостью является µc и продольным размером на разделенный магнитный сердечник является Lc, а в зазорах от g1 до g9 площадью поперечного сечения является Sg, магнитной проницаемостью является µg, и продольным размером на один зазор является Lg. В то же время магнитное сопротивление Rm_all всего имеющегося в продольном направлении задается следующими выражениями.
Rm_all=(Rm_c1+Rm_c2+…+Rm_c10)+(Rm_g1+Rm_g2+…+Rm_g9) … (15)
В случае настоящей конфигурации форма и материал магнитного сердечника и ширина зазора однородны, и соответственно, если мы говорим, что итогом сложения Rm_c является ΣRm_c, а итогом сложения Rm_g является ΣRm_g, то выражение (15) представляется следующим образом.
Rm_all=(ΣRm_c)+(ΣRm_g) … (16)
Если мы говорим, что продольным размером магнитного сердечника является Lc, магнитной проницаемостью является µc, площадью поперечного сечения является Sc, продольным размером зазора является Lg, магнитной проницаемостью является µg, и площадью поперечного сечения является Sg, то
Rm_c=Lc/(µc·Sc) … (17)
Rm_g=Lg/ (µg·Sg) … (18)
Они подставляются в выражение (16), и соответственно магнитное сопротивление Rm_all всего продольного размера становится равным
Rm_all=(ΣRm_c)+( ΣRm_g)
=(Lg/(µc·Sc))×10+(Lg/(µg·Sg))×9 … (19)
Если мы говорим, что итогом сложения Lc является ΣLc, а итогом сложения Lg является ΣLg, то магнитное сопротивление Rm на единицу длины становится равным
Rm=Rm_all/(ΣLc+ΣLg)
=Rm_all/(L×10+Lg×9) … (20)
Магнитная проводимость Pm на единицу длины получается следующим образом.
Pm=1/Rm=(ΣLc+ΣLg)/Rm_all
=(ΣLc+ΣLg)/[{ΣLc/(µc+Sc)}+{ΣLg/(µg+Sg)}] … (21)
ΣLc: сумма длин разделенных магнитных сердечников
µc: магнитная проницаемость магнитного сердечника
Sc: площадь поперечного сечения магнитного сердечника
ΣLg: сумма длин зазоров
µg: магнитная проницаемость зазора
Sg: площадь поперечного сечения зазора
В соответствии с выражением (21) увеличение зазора Lg приводит к увеличению магнитного сопротивления магнитного сердечника (ухудшение магнитной проводимости). Чтобы выполнить закрепляющее устройство в соответствии с настоящим вариантом осуществления, проектирование желательно такое, чтобы уменьшить магнитное сопротивление магнитного сердечника (так чтобы увеличить магнитную проводимость) с точки зрения тепловыделения, и соответственно не настолько желательно предусматривать зазоры. Однако может иметь место случай, где для того, чтобы предотвратить легкое разрушение магнитного сердечника, магнитный сердечник разделяется на два или более для обеспечения зазоров. В этом случае проектирование выполняется так, чтобы свести к минимуму зазоры Lg (предпочтительно около 50 мкм или меньше) и чтобы не отклоняться от расчетных условий для магнитной проводимости и магнитного сопротивления, описанных позже, тем самым можно достичь цели настоящего изобретения.
3-4. Ток кругового направления в цилиндрическом вращающемся элементе
На фиг. 8A магнитный сердечник 2, катушка 3 возбуждения и цилиндрический вращающийся элемент 1a (электропроводящий слой) расположены концентрически от центра, и когда ток увеличивается в направлении стрелки I в катушке 3 возбуждения, на концептуальной диаграмме восемь магнитных силовых линий проходят через магнитный сердечник 2.
Фиг. 13A иллюстрирует концептуальную диаграмму конфигурации поперечного сечения в положении O на фиг. 8A. Магнитные силовые линии Bin, которые проходят по линии магнитной индукции, иллюстрируются стрелками (восемь крестовых отметок) в направлении глубины на чертеже. Стрелки Bout (восемь точечных отметок) к передней стороне на чертеже представляют магнитные силовые линии, возвращающиеся вне линии магнитной индукции в момент образования статического магнитного поля. В соответствии с этим число магнитных силовых линий Bin, направляющихся в направлении глубины на чертеже в цилиндрическом вращающемся элементе 1a, равно восьми, и число магнитных силовых линий Bout, возвращающихся к передней стороне на чертеже за пределами цилиндрического вращающегося элемента 1a, также равно восьми. В момент, когда ток увеличивается в направлении стрелки I в катушке 3 возбуждения, магнитные силовые линии образуются в виде стрелки (крестовая отметка в окружности) в направлении глубины на чертеже на линии магнитной индукции. В случае фактического образования переменного магнитного поля, наведенная электродвижущая сила прикладывается ко всей области в круговом направлении цилиндрического вращающегося элемента 1a так, чтобы уравновесить магнитную силовую линию, которая будет образована таким образом, и ток течет в направлении стрелки J. Когда ток течет в цилиндрический вращающийся элемент 1a, цилиндрический вращающийся элемент 1a является металлом, и соответственно вызывается джоулев нагрев вследствие электрического сопротивления.
Это важный признак настоящего варианта осуществления, что этот ток J течет в направлении обращения цилиндрического вращающегося элемента 1a. При конфигурации из настоящего варианта осуществления магнитные силовые линии Bin, проходящие внутри магнитного сердечника в статическом магнитном поле, проходят через участок полости цилиндрического вращающегося элемента 1a, а магнитные силовые линии Bout, выходящие из одного конца магнитного сердечника и возвращающиеся к другому концу магнитного сердечника, проходят над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента 1a. Причина в том, что в переменном магнитном поле ток кругового направления становится преобладающим в цилиндрическом вращающемся элементе 1a, предотвращается формирование вихревого тока E//, где формируются магнитные силовые линии, которые проиллюстрированы на фиг. 31, пронизывающие внутреннюю часть материала электропроводящего слоя. Отметим, что в дальнейшем в этом документе, чтобы отличать от "вихревого тока" (описанного позже в сравнительных примерах 3 и 4), используемого главным образом для описания индукционного нагрева, ток, равномерно текущий в цилиндрический вращающийся элемент в направлении стрелки J (или в обратном направлении) в конфигурации из настоящего варианта осуществления, будет называться "током кругового направления". Наведенная электродвижущая сила в соответствии с законом Фарадея сформирована в направлении обращения цилиндрического вращающегося элемента 1a, и соответственно этот ток J кругового направления равномерно течет в цилиндрический вращающийся элемент 1a. Линии магнитного поля повторяют формирование/устранение и изменение направления в соответствии с высокочастотным током, при этом ток J кругового направления повторяет формирование/устранение и изменение направления синхронно с высокочастотным током, а джоулев нагрев вызывается в соответствии со значением удельного магнитного сопротивления всей области в направлении толщины материала цилиндрического вращающегося элемента. Фиг. 13B - продольный вид в перспективе, иллюстрирующий магнитные силовые линии Bin, проходящие по линии магнитной индукции в магнитном сердечнике, линии Bout магнитного поля, возвращающиеся вне линии магнитной индукции, и направление тока J кругового направления, текущего в цилиндрический вращающийся элемент 1a.
Другое преимущество состоит в том, что имеется мало ограничений касательно интервала в радиальном направлении цилиндрического вращающегося элемента между цилиндрическим вращающимся элементом и катушкой 3 возбуждения. Здесь фиг. 34 иллюстрирует продольное поперечное сечение закрепляющего устройства, в котором не предусматривается магнитная катушка, а в полости цилиндрического тела 1a предусматривается катушка 3 возбуждения, имеющая спиральный участок, ось спирали которого параллельна направлению образующей у цилиндрического тела 1d. С помощью этого закрепляющего устройства, когда магнитный поток L2, сформированный в окрестностях катушки 3 возбуждения, пронизывает цилиндрический вращающийся элемент 1a и формируется вихревой ток в цилиндрическом вращающемся элементе 1a, и выделяется тепло. Соответственно, чтобы заставить L2 внести вклад в нагрев, нужно выполнить проектирование так, чтобы уменьшить интервал Δdc между катушкой 3 возбуждения и цилиндрическим вращающимся элементом 1d.
Однако в случае, когда цилиндрическому вращающемуся элементу придана гибкость путем уменьшения толщины цилиндрического вращающегося элемента 1d, деформируется пленка 1 термоузла, и соответственно сложно поддерживать с высокой точностью интервал Δdc между катушкой 3 возбуждения и цилиндрическим вращающимся элементом 1d по всей периферии.
С другой стороны, при закрепляющем устройстве в соответствии с настоящим вариантом осуществления ток кругового направления пропорционален временному изменению магнитных силовых линий, пронизывающих участок полости цилиндрического вращающегося элемента 1a в направлении образующей цилиндрического вращающегося элемента 1a. В этом случае, даже когда взаимные расположения катушки возбуждения, магнитного сердечника и цилиндрического вращающегося элемента 1a смещаются от нескольких миллиметров до десятков миллиметров, электродвижущая сила для воздействия на цилиндрический вращающийся элемент 1a нелегко колеблется. Поэтому закрепляющее устройство в соответствии с настоящим вариантом осуществления выделяется применением для нагрева цилиндрического вращающегося элемента, обладающего гибкостью, такого как пленка. Соответственно, как проиллюстрировано на фиг. 3, даже когда цилиндрический вращающийся элемент 1a эллиптически деформируется, в цилиндрическом вращающемся элементе 1a может эффективно создаваться ток кругового направления. Дополнительно, формы поперечного сечения магнитного сердечника 2 и катушки 3 возбуждения могут быть любой формы (квадрат, пятиугольник и т.п.), и соответственно, гибкость проектирования также высока.
3-5. Эффективность преобразования энергии
Во время нагрева цилиндрического вращающегося элемента (электропроводящего слоя) пленки термоузла высокочастотный переменный ток подается к катушке возбуждения для образования переменного магнитного поля. Это переменное магнитное поле наводит ток в цилиндрическом вращающемся элементе. В качестве физической модели это очень похоже на магнитную связь в трансформаторе. Поэтому во время рассмотрения эффективности преобразования энергии может применяться эквивалентная схема магнитной связи в трансформаторе. В соответствии с переменным магнитным полем катушка возбуждения, и цилиндрический вращающийся элемент связываются магнитным образом, энергия, подведенная в катушку возбуждения, распространяется к цилиндрическому вращающемуся элементу. Упомянутая здесь "эффективность преобразования энергии" является соотношением между энергией, которая будет подведена в катушку возбуждения, служащую в качестве генератора магнитного поля, и энергией, которая будет потреблена цилиндрическим вращающимся элементом, и в случае настоящего варианта осуществления является соотношением между энергией, которая будет подведена в высокочастотный преобразователь 5 для катушки 3 возбуждения, проиллюстрированной на фиг. 1, и энергией, которая будет потреблена в виде тепла, выделенного в цилиндрическом вращающемся элементе 1a. Эту эффективность преобразования энергии можно представить с помощью следующего выражения.
Эффективность преобразования энергии=энергия, которая будет потреблена в виде тепла в цилиндрическом вращающемся элементе/энергия, которая будет подведена в катушку возбуждения.
Примеры энергии, которая будет потреблена элементом помимо цилиндрического вращающегося элемента после подвода в катушку возбуждения, включают в себя потерю вследствие удельного магнитного сопротивления катушки возбуждения и потерю вследствие магнитных свойств материала магнитного сердечника.
Фиг. 14A и 14B иллюстрируют поясняющие диаграммы касательно эффективности схемы. На фиг. 14A 1a обозначает цилиндрический вращающийся элемент, 2 обозначает магнитный сердечник, 3 обозначает катушку возбуждения, и ток J кругового направления течет в цилиндрический вращающийся элемент 1a. Фиг. 14B - эквивалентная схема закрепляющего устройства, проиллюстрированного на фиг. 14A.
1
1
2
2
1
1
A
R обозначает величину потери катушки возбуждения и магнитного сердечника, L обозначает индуктивность катушки возбуждения, обращающейся вокруг магнитного сердечника, M обозначает взаимную индуктивность между проводом намотки и цилиндрическим вращающимся элементом, L обозначает индуктивность цилиндрического вращающегося элемента и R обозначает сопротивление цилиндрического вращающегося элемента. Эквивалентная схема при удалении цилиндрического вращающегося элемента иллюстрируется на фиг. 15A. При измерении сопротивления R с обоих концов катушки возбуждения и эквивалентной индуктивности L с использованием устройства, такого как анализатор полного сопротивления или измерителя LCR, полное сопротивление Z, если смотреть с обоих концов катушки возбуждения, представляется в виде
A
1
1
Z=R+jωL … (23)
1
1
Ток, текущий в эту схему, теряется на R. Другими словами, R представляет потерю из-за катушки и магнитного сердечника.
Эквивалентная схема при нагрузке цилиндрического вращающегося элемента иллюстрируется на фиг. 15B. В случае измерения в это время сопротивления Rx и Lx можно получить следующее выражение отношения путем выполнения эквивалентного преобразования, как проиллюстрировано на фиг. 15C.
[Математическое выражение 2]
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext>Z</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>R1</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext>jω</mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext>(L1</mtext><mo>−</mo><mtext>M)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><mtext>j</mtext><mi>ω</mi><mtext>M(j</mtext><mi>ω</mi><mtext>(L2</mtext><mo>−</mo><mtext>M)</mtext><mo>+</mo><mtext>R2)</mtext></mrow><mrow><mtext>j</mtext><mi>ω</mi><mtext>M</mtext><mo>+</mo><mtext>j</mtext><mi>ω</mi><mtext>(L2</mtext><mo>−</mo><mtext>M)</mtext><mo>+</mo><mtext>R2)</mtext></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>R1</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msup><mtext>M</mtext><mtext>2</mtext></msup><msub><mtext>R</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>2</mtext></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mtext>2</mtext></msup><msub><mtext>L</mtext><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>j(ω</mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>(L</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>−</mo><mtext>M)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><mtext>M</mtext><mo>•</mo><msub><mtext>R</mtext><mtext>2</mtext></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msub><mrow><mtext>ML</mtext></mrow><mn>2</mn></msub><mtext>(L</mtext><mmultiscripts><mo>−</mo><mprescripts /><mtext>2</mtext><none /></mmultiscripts><mtext>M)</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>2</mtext></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mtext>2</mtext></msup><msub><mtext>L</mtext><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mtd></mtr></mtable>
[Математическое выражение 3]
<mrow><mtext>Rx</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext></mtext><mo>=</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ω</mi><mtext>2</mtext></msup><msup><mtext>M</mtext><mtext>2</mtext></msup><msub><mtext>R</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>2</mtext></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mtext>2</mtext></msup><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup></mrow></mfrac><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow>
… (23)
[Математическое выражение 4]
<mrow><mtext>Lx</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext></mtext><mo>=</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>ω</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mtext>L</mtext><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mtext>M</mtext><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mfrac><mrow><mtext>M</mtext><mo>•</mo><msub><mtext>R</mtext><mtext>2</mtext></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msub><mrow><mtext>ML</mtext></mrow><mn>2</mn></msub><mtext>(L</mtext><mmultiscripts><mo>−</mo><mprescripts /><mtext>2</mtext><none /></mmultiscripts><mtext>M)</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>2</mtext></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mtext>2</mtext></msup><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub><msup><mrow /><mtext>2</mtext></msup></mrow></mfrac><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
… (24)
где M представляет взаимную индуктивность между катушкой возбуждения и цилиндрическим вращающимся элементом.
1
1
2
2
Как проиллюстрировано на фиг. 15C, когда током, текущим в R, является I, а током, текущим в R, является I, верно
[Математическое выражение 5]
<mrow><mtext>j</mtext><mi>ω</mi><msub><mrow><mtext>M(I</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><msub><mrow><mtext>-l</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mtext>)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext></mtext><mo>=</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><msub><mtext>R</mtext><mrow><mn>2</mn><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext></mrow></msub><mo>+</mo><mtext>j</mtext><mi>ω</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>−</mo><mtext>M</mtext><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><msub><mtext>l</mtext><mn>2</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow>
… (25)
и, следовательно, верно
[Математическое выражение 6]
<mrow><msub><mtext>I</mtext><mtext>1</mtext></msub><mtext> </mtext><mtext></mtext><mo>=</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>R</mtext><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mtext>j</mtext><mi>ω</mi><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mrow><mtext>j</mtext><mi>ω</mi><mtext>M</mtext></mrow></mfrac><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>l</mtext><mn>2</mn></msub></mrow>
… (26)
2
1
2
Эффективность представляется с помощью: энергопотребление сопротивления R/(энергопотребление сопротивления R+энергопотребление сопротивления R), и соответственно, верно
[Математическое выражение 7]
… (27)
1
1
x
1
в случае измерения сопротивления R перед нагрузкой цилиндрического вращающегося элемента и сопротивления Rx после нагрузки цилиндрического вращающегося элемента, при этом можно получить эффективность преобразования энергии, которая указывает, сколько энергии из энергии, поданной в катушку возбуждения, потребляется в виде тепла, которое будет выделено в цилиндрическом вращающемся элементе. Отметим, что при конфигурации из первого варианта осуществления применен анализатор полного сопротивления 4294A, произведенный Agilent Technologies Inc., для измерения эффективности преобразования энергии. Сначала в состоянии, в котором отсутствует цилиндрический вращающийся элемент, измерено сопротивление R с обоих концов провода намотки, далее в состоянии, в котором магнитный сердечник вставлен в цилиндрический вращающийся элемент, измерено сопротивление R с обоих концов провода намотки. Следовательно, верно R=103 мОм и Rx=2,2 Ом, и эффективность преобразования энергии в это время можно получить как 95,3% с помощью выражения (27). Далее в этом документе производительность закрепляющего устройства с системой электромагнитного индукционного нагрева будет оцениваться с использованием этой эффективности преобразования энергии.
3-6. Условия для "доли магнитного потока за пределами цилиндрического тела"
При закрепляющем устройстве в соответствии с настоящим вариантом осуществления существует корреляция между долей магнитных силовых линий, проходящих за пределами цилиндрического вращающегося элемента в статическом магнитном поле, и эффективностью преобразования энергии, подведенной в катушку возбуждения, которая будет распространена в цилиндрический вращающийся элемент в переменном магнитном поле (эффективность преобразования энергии). Чем больше доля магнитных силовых линий, проходящих над наружной частью цилиндрического тела, тем выше эффективность преобразования энергии. Причина этого зависит от того же принципа, что и в случае с трансформатором, в котором эффективность преобразования энергии становится высокой, когда число магнитных силовых линий утечек достаточно небольшое, а число магнитных силовых линий, проходящих через первичные витки, и число магнитных силовых линий, проходящих через вторичные витки, равно. Другими словами, чем ближе число магнитных силовых линий, проходящих внутри магнитного сердечника, и число магнитных силовых линий, проходящих над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента, тем выше становится эффективность преобразования энергии в ток кругового направления. Это означает, что доля для магнитных силовых линий, выходящих из одного конца в продольном направлении магнитного сердечника и возвращающихся в другой конец (магнитных силовых линий, имеющих обратное направление к магнитным силовым линиям, проходящим внутри магнитного сердечника), уравновешивающих магнитные силовые линии, проходящие через участок полости цилиндрического вращающегося элемента и проходящие внутри магнитного сердечника, является небольшой. Другими словами, как проиллюстрировано на магнитной эквивалентной схеме на фиг. 11B, магнитные силовые линии, выходящие из одного конца в продольном направлении магнитного сердечника и возвращающиеся в другой конец, проходят над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента (воздух за пределами цилиндрического тела). Соответственно существенным признаком настоящего варианта осуществления является эффективное наведение высокочастотного тока, созданного в катушке возбуждения, в качестве тока кругового направления в цилиндрическом вращающемся элементе путем увеличения доли магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела. Характерные примеры включают в себя уменьшение магнитных силовых линий, проходящих через направляющую пленки, воздух в цилиндрическом теле и цилиндрическое тело.
2
Фиг. 16 - диаграмма экспериментального устройства, которое будет использоваться для экспериментов по измерению эффективности преобразования энергии. Металлический лист 1S является алюминиевым листом, в котором площадь равна 230 мм × 600 мм, а толщина равна 20 мкм, который образует такую же электропроводящую траекторию, как и в случае цилиндрического вращающегося элемента, являясь закругленным в цилиндрическую форму так, чтобы окружить магнитный сердечник 2 и катушку 3 возбуждения, и являясь электрически проводящим на участке толстой линии 1ST. Магнитный сердечник 2 является ферритом, в котором относительная магнитная проницаемость равна 1800, а плотность магнитного потока насыщения равна 500 мТ, и имеет форму цилиндра, в котором площадь поперечного сечения равна 26 мм, а длина B равна 230 мм. Магнитный сердечник 2 располагается практически в центре цилиндра из алюминиевого листа 1S с использованием крепежного блока, который не проиллюстрирован, при этом линия магнитной индукции образуется в цилиндре посредством пронизывания участка полости цилиндра с длиной B=230 мм. Катушка 3 возбуждения образуется путем наматывания 250 витков в форме спирали на магнитный сердечник 2 в участке полости цилиндра.
Здесь, когда оконечный участок металлического листа 1S вытягивается в направлении стрелки 1SZ, диаметр 1SD цилиндра можно уменьшить. Эффективность преобразования энергии измерена с использованием этого экспериментального устройства при изменении диаметра 1SD цилиндра от 191 мм до 18 мм. Отметим, что результаты вычисления доли магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела в момент 1SD=191 мм иллюстрируются в следующей Таблице 2, а результаты вычисления доли магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела в момент 1SD=18 мм иллюстрируются в следующей Таблице 3.
Таблица 2Доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела, когда диаметр 1SD цилиндра равен 191 мм
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК C
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
2,6E-05
2,9E-02
1,2E-05
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-03
1,3E-6
1,3E-6
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
5,9E-08
3,6E-08
1,5E-11
2,2E-08
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
1,7E+07
2,7E+07
6,6E+10
4,5E+07
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
100,0%
62,0%
0,0%
38,0%
Таблица 3Доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела, когда диаметр 1SD цилиндра равен 18 мм
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК C
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО Cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
2,6E-05
2,2E-02
1,1E-05
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-3
1,3E-6
1,3E-6
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
5,9E-08
2,8E-10
1,4E-12
5,9E-08
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
1,7E+07
3,6E+09
7,2E+11
1,7E+07
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
1
0,5%
0,0%
99,5%
1
X
При измерении эффективности преобразования энергии сначала сопротивление R с обоих концов провода намотки измеряется в состоянии, в котором отсутствует цилиндрический вращающийся элемент. Далее сопротивление R с обоих концов провода намотки измеряется в состоянии, в котором магнитный сердечник вставляется в участок полости цилиндрического вращающегося элемента, и эффективность преобразования энергии измеряется в соответствии с выражением (27). На фиг. 17 доля (%) магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела, соответствующего диаметру цилиндра, принимается в качестве поперечной оси, а эффективность преобразования энергии на частоте 21 кГц принимается в качестве вертикальной оси. На графике эффективность преобразования энергии резко возрастает в точке P1 и после нее и превышает 70%, и эффективность преобразования энергии поддерживается на 70% или более в диапазоне области R1, проиллюстрированном стрелкой. Эффективность преобразования энергии снова резко возрастает около точки P3 и достигает 80% или более в области R2. Эффективность преобразования энергии поддерживает высокое значение 94% или более в области R3 в точке P4 и после нее. От тока кругового направления, начинающего эффективно течь в цилиндрическое тело, зависит то, что эта эффективность преобразования энергии начинает резко расти.
Эта эффективность преобразования энергии является очень важным параметром для проектирования закрепляющего устройства с системой электромагнитного индукционного нагрева. Например, в случае, когда эффективность преобразования энергии равна 80%, оставшиеся 20% энергии выделяется в виде тепловой энергии в местоположении помимо цилиндрического вращающегося элемента. Что касается местоположения для формирования энергии, то в случае, когда элемент, такой как магнитный материал или т.п., располагается внутри цилиндрического вращающегося элемента, энергия формируется на этом элементе. Другими словами, когда эффективность преобразования энергии низкая, приходится принимать меры, чтобы тепло выделялось в катушке возбуждения и магнитном сердечнике. Масштаб этих мер значительно изменяется при 70% и 80% эффективности преобразования энергии в качестве границ в соответствии с исследованием автором изобретения и другими. Соответственно, в конфигурации областей R1, R2 и R3 значительно отличается конфигурация, служащая в качестве закрепляющего устройства. Будет выполнено описание касательно трех типов проектных условий R1, R2 и R3 и конфигурации закрепляющего устройства, не принадлежащей ни к какому из них. Далее в этом документе эффективность преобразования энергии, подходящая для проектирования закрепляющего устройства, будет описана подробно.
Следующая Таблица 4 является результатами, в которых фактически проектировались в качестве закрепляющих устройств и оценивались конфигурации, соответствующие P1-P4 на фиг. 17.
Таблица 4Результаты оценки закрепляющих устройств от P1 до P4
№
ОБЛАСТЬ
ДИАМЕТР ЦИЛИНДРА, мм
ДОЛЯ МАГНИТНЫХ СИЛОВЫХ ЛИНИЙ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА, %
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, %
РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ (КОГДА ЗАКРЕПЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ИМЕЕТ ВЫСОКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ)
P1
-
143,2
64,0
54,4
ЭНЕРГИИ МОЖЕТ БЫТЬ НЕДОСТАТОЧНО
P2
R1
127,3
71,2
70,8
ЖЕЛАТЕЛЬНО ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОХЛАЖДАЮЩЕГО БЛОКА
P3
R2
63,7
91,7
83,9
ЖЕЛАТЕЛЬНА ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОСТОЙКОГО ИСПОЛНЕНИЯ
P4
R3
47,7
94,7
94,7
ОПТИМАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЛЯ ГИБКОЙ ПЛЕНКИ
Закрепляющее устройство P1
Настоящая конфигурация является случаем, где площадь поперечного сечения магнитного сердечника равна 5,75 мм × 4,5 мм, а диаметр цилиндрического тела (электропроводящего слоя) равен 143,2 мм. Эффективность преобразования энергии, полученная анализатором полного сопротивления, в это время была равна 54,4%. Эффективность преобразования энергии, которая будет подведена в закрепляющее устройство, является параметром, указывающим вклад в нагрев цилиндра (электропроводящего слоя). Соответственно, даже в случае проектирования закрепляющего устройства, которое может выдавать максимально 1000 Вт, около 450 Вт становится потерей, и самой потерей становится нагрев в катушке и магнитном сердечнике. В случае настоящей конфигурации даже при подводе 1000 Вт в течение нескольких секунд в момент пуска, температура катушки может превышать 200 градусов по Цельсию. С учетом того, что температура теплостойкости в изоляторе катушки выше 200 градусов по Цельсию, и точка Кюри у магнитного сердечника из феррита обычно составляет около 200-250 градусов по Цельсию, сложно с потерей в 45% поддерживать элементы, такие как катушка возбуждения и так далее, при температуре равной или меньше температуры теплостойкости. Также, когда температура магнитного сердечника превышает точку Кюри, индуктивность катушки внезапно ухудшается и приводит к колебанию нагрузки.
Около 45% энергии, поданной в закрепляющее устройство, тратится впустую, и соответственно, чтобы подать энергию в 900 Вт в цилиндрическое тело (оценивая 90% от 1000 Вт), приходится подавать в него энергию около 1636 Вт. Это означает, что источник питания потребляет 16,36 ампер в момент ввода 100 В. В случае, когда имеется ограничение, что допустимый ток, который может быть подан из патронного ответвительного штепселя для промышленного переменного тока, равен 15 ампер, подаваемый ток может превышать допустимый ток. Соответственно, при закрепляющем устройстве P1, в котором доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 64%, а эффективность преобразования энергии равна 54,4%, энергия, которая будет подана в закрепляющее устройство, может быть недостаточной.
Закрепляющее устройство P2
Настоящая конфигурация является случаем, где площадь поперечного сечения магнитного сердечника равна 5,75 мм × 4,5 мм, а диаметр цилиндрического тела равен 127,3 мм. Эффективность преобразования энергии, полученная анализатором полного сопротивления, в это время была равна 70,8%. В то же время в зависимости от операции печати закрепляющего устройства, постоянно значительное количество тепла выделяется в катушке возбуждения и так далее, и рост температуры блока катушки возбуждения, в частности магнитного сердечника, может вызывать проблему. При применении устройства высокого технического уровня, при помощи которого может выполняться операция печати 60 страниц в минуту, в качестве закрепляющего устройства в соответствии с настоящим вариантом осуществления скорость вращения цилиндрического вращающегося элемента становится равной 330 мм/с. Соответственно, может иметь место случай, где температура поверхности цилиндрического вращающегося элемента сохраняется на уровне 180 градусов по Цельсию. В таком случае можно представить, что температура магнитного сердечника может превышать 240 градусов по Цельсию в течение 20 секунд и превышать температуру цилиндрического тела (электропроводящего слоя). Температура Кюри феррита, который будет использоваться в качестве магнитного сердечника, обычно составляет от 200 до 250 градусов по Цельсию, и в случае, когда феррит превышает температуру Кюри, магнитная проницаемость внезапно уменьшается. Когда магнитная проницаемость внезапно уменьшается, это препятствует образованию линии магнитной индукции в магнитном сердечнике. Когда препятствуют образованию линии магнитной индукции, в настоящем варианте осуществления может иметь место случай, где наводится ток кругового направления, затрудняющий выделение тепла.
Соответственно, при применении вышеупомянутого устройства высокого технического уровня в качестве закрепляющего устройства в соответствии с проектным условием R1, чтобы уменьшить температуру ферритового сердечника, желательно предусмотреть охлаждающий блок. В качестве охлаждающего блока может применяться воздушный охлаждающий вентилятор, водяное охлаждение, теплоотвод, ребро излучения, тепловая труба, элемент Bell Choi или т.п. Совершенно очевидно, что охлаждающий блок не нужно предусматривать в случае, когда в настоящей конфигурации не требуется высокий технический уровень.
Закрепляющее устройство P3
Настоящая конфигурация является случаем, где площадь поперечного сечения магнитного сердечника равна 5,75 мм × 4,5 мм, а диаметр цилиндрического тела равен 63,7 мм. Эффективность преобразования энергии, полученная анализатором полного сопротивления, в это время была равна 83,9%. В то же время постоянное количество тепла выделялось в катушке возбуждения и так далее, но не превышало количества тепла, которое может излучаться путем теплопередачи и естественного охлаждения. При применении устройства высокого технического уровня, при помощи которого может выполняться операция печати 60 страниц в минуту, в качестве закрепляющего устройства в соответствии с настоящей конфигурацией скорость вращения цилиндрического тела становится равной 330 мм/с. Соответственно, даже в случае, где температура поверхности цилиндрического тела поддерживается на уровне 180 градусов по Цельсию, температура магнитного сердечника из феррита не поднималась до 220 градусов по Цельсию или выше. Поэтому в настоящей конфигурации в случае применения закрепляющего устройства высокого технического уровня желательно применять феррит, температура Кюри которого больше либо равна 220 градусам по Цельсию. В случае применения закрепляющего устройства в соответствии с проектным условием R2 в качестве закрепляющего устройства высокого технического уровня желательно оптимизировать теплостойкое исполнение, такое как феррит и так далее. В настоящей конфигурации в случае, когда не требуется вышеупомянутый высокий технический уровень, теплостойкое исполнение на таком уровне осуществлять не нужно.
Закрепляющее устройство P4
Настоящая конфигурация является случаем, где площадь поперечного сечения у магнитного сердечника равна 5,75 мм × 4,5 мм, а диаметр цилиндрического тела равен 47,7 мм. Эффективность преобразования энергии, полученная анализатором полного сопротивления, в это время была равна 94,7%. При применении устройства высокого технического уровня, при помощи которого может выполняться операция печати 60 страниц в минуту, в качестве закрепляющего устройства в соответствии с настоящей конфигурацией скорость вращения цилиндрического тела становится равной 330 мм/с, и в случае, где температура поверхности цилиндрического тела поддерживается на уровне 180 градусов по Цельсию, температура катушки возбуждения и так далее не поднимается до 180 градусов по Цельсию или выше. Это указывает на то, что катушка возбуждения почти не выделяет тепло. В случае, когда доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 94,7%, а эффективность преобразования энергии равна 94,7% (проектное условие R3), эффективность преобразования энергии достаточно высокая, и соответственно даже при применении закрепляющего устройства P4 в качестве дополнительного закрепляющего устройства более высокого технического уровня не нужно предусматривать охлаждающий блок.
Также в этой области, где эффективность преобразования энергии стабилизируется в высоком значении, даже когда меняется взаимное расположение между цилиндрическим вращающимся элементом и магнитным сердечником, эффективность преобразования энергии не меняется. В случае, когда эффективность преобразования энергии не меняется, от цилиндрического вращающегося элемента может подаваться устойчивое количество тепла. Соответственно, в закрепляющем устройстве, использующем обладающую гибкостью пленку термоузла, применение этой области R3, где эффективность преобразования энергии не меняется, обеспечивает большое преимущество.
Как описано выше, в закрепляющем устройстве, выполненном с возможностью побуждения цилиндрического вращающегося элемента формировать магнитное поле в своем осевом направлении и для побуждения цилиндрического вращающегося элемента выполнять электромагнитный индукционный нагрев, проектные условия, полученные с помощью доли магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела, можно классифицировать на области со стрелками R1, R2 и R3 на фиг. 17.
R1: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 70%, но меньше 90%
R2: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 90%, но меньше 94%
R3: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 94%
3-7. Особенности нагрева в соответствии с "током кругового направления"
"Ток кругового направления", описанный в 3-4, вызывается вследствие наведенной электродвижущей силы, сформированной в контуре S на фиг. 6. Поэтому ток кругового направления зависит от магнитных силовых линий, размещенных в контуре S, и значения сопротивления контура S. В отличие от описанного позже "вихревого тока E//", ток кругового направления не обладает связью с плотностью магнитного потока в материале. Поэтому даже цилиндрический вращающийся элемент, выполненный из тонкого магнитного металла, не служащий в качестве тонкой линии магнитной индукции, или даже цилиндрический вращающийся элемент, выполненный из немагнитного металла, может выделять тепло с высокой эффективностью. Также в диапазоне, где значение сопротивления не изменяется значительно, ток кругового направления также не зависит от толщины материала. Фиг. 18A иллюстрирует частотную зависимость эффективности преобразования энергии в цилиндрическом вращающемся элементе из алюминия с толщиной 20 мкм. В полосе частот от 20 до 100 кГц эффективность преобразования энергии поддерживается равной 90% или выше. Как и в случае первого варианта осуществления, в случае использования полосы частот от 21 до 40 кГц для нагрева сохраняется высокая эффективность преобразования энергии. Далее фиг. 18B иллюстрирует зависимость толщины от эффективности преобразования энергии на частоте 21 кГц при цилиндрическом вращающемся элементе, имеющем такую же форму. Черный круг со сплошной линией указывает экспериментальные результаты никеля, белый круг с пунктирной линией указывает экспериментальные результаты алюминия. Оба поддерживают при области толщины от 20 до 300 мкм равную или большую 90% эффективность преобразования энергии, и оба не зависят от толщины и могут применяться в качестве нагревательного материала для закрепляющего устройства.
Соответственно, при "нагреве с помощью тока кругового направления" по сравнению с нагревом с помощью потери по вихревому току в соответствии с предшествующим уровнем техники, можно расширить гибкость исполнения для материала, толщину цилиндрического вращающегося элемента и частоту переменного тока.
Отметим, что признаком закрепляющего устройства по R1 в соответствии с настоящим вариантом осуществления является то, что из магнитных силовых линий, выходящих из одного конца в продольном направлении магнитного сердечника, доля магнитных силовых линий, которые проходят над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента и возвращаются в другой конец магнитного сердечника, равна 70% или выше. То, что из магнитных силовых линий, выходящих из одного конца в продольном направлении магнитного сердечника, доля магнитных силовых линий, которые проходят над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента и возвращаются в другой конец магнитного сердечника, эквивалентна 70% или выше, эквивалентно тому, что сумма магнитной проводимости цилиндрического тела и магнитной проводимости внутренней части цилиндрического тела меньше либо равна 30% от магнитной проводимости цилиндрического тела. Соответственно, одной из характерных конфигураций настоящего варианта осуществления является конфигурация, в которой, если мы говорим, что магнитной проводимостью магнитного сердечника является Pc, магнитной проводимостью внутренней части цилиндрического тела является Pa, а магнитной проводимостью цилиндрического тела является Ps, выполняется соотношение 0,30×Pc≥Ps+Pa.
Также, в случае представления выражения отношения магнитной проводимости с помощью замены ее магнитным сопротивлением, выражение отношения магнитной проводимости выглядит следующим образом.
0,30×Pc≥Ps+Pa
<mrow><mtext>0</mtext><mtext>.30</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>×</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><mtext>Rc</mtext></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>≥</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mtext>0</mtext><mtext>.30</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>×</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><mtext>Rc</mtext></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>≥</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
0,30×Rsa≥Rc
при этом объединенное магнитное сопротивление Rsa из Rs и Ra вычисляется следующим образом.
<mrow><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext> </mtext><mo>×</mo><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow></mfrac></mrow>
Rc: магнитное сопротивление магнитного сердечника
Rs: магнитное сопротивление электропроводящего слоя
Ra: магнитное сопротивление области между электропроводящим слоем и магнитным сердечником
Rsa: объединенное магнитное сопротивление из Rs и Ra
Желательно, чтобы вышеприведенное выражение отношения выполнялось на поперечном сечении в направлении, ортогональном направлению образующей цилиндрического вращающегося элемента на всей максимальной области перемещения регистрирующего материала в закрепляющем устройстве.
Аналогичным образом закрепляющее устройство по R2 из настоящего варианта осуществления удовлетворяет следующим выражениям.
0,10×Pc≥Ps+Pa
0,10×Rsa≥Rc
Закрепляющее устройство по R3 из настоящего варианта осуществления удовлетворяет следующим выражениям.
0,06×Pc≥Ps+Pa
0,06×Rsa≥Rc
3-8. Преимущество над замкнутой линией магнитной индукции
В данном случае, чтобы спроектировать так, чтобы магнитные силовые линии проходили над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента, также имеется способ для образования замкнутой линии магнитной индукции. Упомянутая здесь замкнутая линия магнитной индукции представляет собой, как проиллюстрировано на фиг. 35, магнитный сердечник 2, который образует петлю за пределами цилиндрического вращающегося элемента, и имеет такую форму, что пленка 1 термоузла накладывается на участок петли. Однако при образовании петли с использованием магнитного сердечника 2c это вызывает проблему, приводящую к увеличению размера устройства. С другой стороны, в настоящем варианте осуществления проектирование может выполняться в конфигурации разомкнутой линии магнитной индукции, в которой магнитный сердечник не образует петлю за пределами цилиндрического вращающегося элемента, и соответственно можно реализовать уменьшение размера устройства.
Дополнительно в случае применения полосы от 21 до 100 кГц в качестве частоты переменного тока конфигурация разомкнутой линии магнитной индукции, в которой магнитный сердечник не образует петлю за пределами цилиндрического вращающегося элемента, как в настоящем варианте осуществления, обладает преимуществом помимо уменьшения размера устройства. Далее в этом документе будет описано это преимущество.
При конфигурации замкнутой линии магнитной индукции, в которой магнитный сердечник образует петлю за пределами цилиндрического вращающегося элемента, полоса низких частот 50-60 Гц применяется в качестве частоты переменного тока. Причина в том, что при увеличении частоты магнитного поля проектирование закрепляющего устройства становится трудным в соответствии со следующими причинами. Чтобы заставить цилиндрический вращающийся элемент выделять тепло с высокой эффективностью, в случае применения полосы высоких частот 21-100 кГц в качестве частоты переменного тока увеличивается потеря в сердечнике при применении магнитного сердечника, выполненного из металла, такого как пластина кремнистой стали в качестве магнитного сердечника. Соответственно, обожженный феррит, который обладает низкой потерей на высокой частоте, подходит в качестве материала магнитного сердечника. Однако обожженный феррит является спеченным материалом, и соответственно, это хрупкий материал. При образовании магнитного сердечника (замкнутая линия магнитной индукции), имеющего по меньшей мере четыре Г-образные конфигурации, выполненного из этого хрупкого обожженного феррита, размер устройства увеличивается, что ухудшает монтажные характеристики, а также увеличивает риск повреждения устройства в случае внешнего воздействия, приложенного к устройству вследствие падения устройства или т.п. В случае, когда магнитный сердечник поврежден, и даже часть его разорвана, способность проводить магнитные силовые линии значительно ухудшается, и утрачивается функция выделения тепла цилиндрическим вращающимся элементом 1. Физически это эквивалентно трансформатору с замкнутой линией магнитной индукции, когда часть линии магнитной индукции разрывается, при этом исходная производительность не сохраняется. Дополнительно в случае замкнутой линии магнитной индукции, где магнитный сердечник скрепляется петлей за пределами цилиндрического вращающегося элемента, может иметь место случай, где для того, чтобы улучшить монтажные характеристики и трансформируемость, магнитный сердечник приходится разделять на множественные участки. Хотя выполнено описание, в котором желательно сдержать зазор между разделенными магнитными сердечниками до величины 50 мкм или меньше, если магнитный сердечник разделяется, возникает проблема проектирования, такая как управление зазорами или т.п. Также учитывается риск того, что посторонний предмет, такой как пыль или т.п., попадает в участок соединения между разделенными магнитными сердечниками, и производительность ухудшается.
С другой стороны, в случае применения полосы высоких частот 21-100 кГц в качестве частоты переменного тока то, что закрепляющее устройство выполняется с разомкнутой линией магнитной индукции, где магнитный сердечник не образует петлю за пределами цилиндрического вращающегося элемента, обеспечивает следующие преимущества.
1. Форма магнитного сердечника может быть выполнена в форме стержня, и соответственно, без труда улучшается характеристика ударной прочности. В частности, это выгодно во время использования обожженного феррита.
2. Магнитный сердечник не обязательно должен включать в себя Г-образную конфигурацию или разделенную конфигурацию, и соответственно, облегчается управление зазорами.
3. Площадь поперечного сечения сердечника можно уменьшить путем изменения магнитного поля на высокую частоту, и соответственно, можно уменьшить размер всего устройства.
(4) Результаты сравнительных экспериментов
Ниже будет выполнено описание касательно результатов сравнительных экспериментов между устройством формирования изображений, имеющим конфигурацию из настоящего варианта осуществления, и устройством формирования изображений в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Сравнительный пример 1
Настоящий сравнительный пример имеет конфигурацию, в которой, по сравнению с первым вариантом осуществления, уменьшается магнитная проводимость магнитного сердечника (увеличивается магнитное сопротивление) путем разделения магнитного сердечника на два или более магнитных сердечников в продольном направлении и обеспечения зазора между разделенными магнитными сердечниками.
2
Фиг. 19 - вид в перспективе магнитного сердечника и катушки в сравнительном примере 1. Магнитный сердечник 2 является ферритом, в котором относительная магнитная проницаемость равна 1800, а плотность насыщенного магнитного потока равна 500 мТ, и имеет цилиндрическую форму, в которой диаметр равен 5,75 мм, площадь поперечного сечения равна 26 мм, а длина равна 22 мм. Десять магнитных сердечников 3 располагаются с равными интервалами, причем между ними зажимается майларовая полоска, имеющая толщину G=0,7 мм, в пунктирных участках на фиг. 19, и вся их длина B равна 226,3 мм. Что касается цилиндрического вращающегося элемента (электропроводящего слоя), то применялся алюминий, имеющий относительную магнитную проницаемость 1,0, как и в случае первого варианта осуществления. У этого цилиндрического вращающегося элемента толщина была равна 20 мкм, а диаметр был равен 24 мм. Магнитная проводимость на единицу длины у магнитного сердечника вычислялась путем подстановки параметров, указанных в Таблице 5, в выражения от (15) до (21).
-9
Также при вычислении доли магнитных силовых линий, проходящих через каждую область, если магнитная проводимость на единицу длины у магнитного сердечника равна 1,1×10 Гн·м в соответствии с вышеприведенным вычислением, то результаты представлены в виде следующей Таблицы 6.
Таблица 5Магнитная проводимость в сравнительном примере 1
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 1
СИМВОЛ
ЧИСЛОВОЕ ЗНАЧЕНИЕ
ЕДИНИЦА
ДЛИНА РАЗДЕЛЕННОГО МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Lc
0,022
м
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
µc
2,3E-03
Гн/м
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Sc
2,6E-05
м^2
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Rm_c
374082
1/Гн
ДЛИНА ЗАЗОРА
Lg
0,0007
м
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ЗАЗОРА
µg
1,3E-06
Гн/м
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ЗАЗОРА
Sg
2,6E-05
м^2
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАЗОРА
Rm_g
2,1E+07
1/Гн
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВСЕГО МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Rm_all
2,2E+08
1/Гн
Rm_all НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Rm
8,8E+08
1/(Гн·м)
Pm НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Pm
1,1E-09
Гн·м
Таблица 6Магнитная проводимость в сравнительном примере 1
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК C
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛАa_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
1,5E-04
1,0E-04
3,2E-04
1,5E-06
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
1
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-3
1,3E-6
1,3E-6
1,3E-6
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
1,1E-09
1,3E-10
4,0E-10
1,9E-12
7,0E-10
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
9,1E+08
8,0E+09
2,5E+09
5,3E+11
1,4E+09
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
100,0%
11,4%
36,0%
0,2%
63,8%
Между разделенными сердечниками обеспечивается много зазоров, и соответственно, магнитная проводимость магнитного сердечника меньше по сравнению с первым вариантом осуществления. Поэтому доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 63,8%, и это конфигурация, не удовлетворяющая проектному требованию "R1: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 70%". С этими формами магнитных силовых линий магнитные полюса образуются для каждого из магнитных сердечников от 3a до 3j, как проиллюстрировано пунктирной линией на фиг. 20, при этом часть их возвращается в воздух внутри цилиндрического тела, как и в случае магнитной силовой линии L, и также вместе с их частью магнитный поток вертикально пронизывает материал закрепляющего валика на участке черного кружка, как и в случае L1.
Также магнитная проводимость каждого компонента закрепляющего устройства в соответствии со сравнительным примером 1 выглядит следующим образом.
-9
Магнитная проводимость Pc магнитного сердечника=1,1×10 Гн·м
-10
-10
Магнитная проводимость Pa в цилиндрическом теле=1,3×10+4,0×10 Гн·м
-12
Магнитная проводимость Ps цилиндрического тела=1,9×10 Гн·м
Соответственно, сравнительный пример 1 не удовлетворяет следующему выражению отношения магнитной проводимости.
Ps+Pa≤0,30×Pc
При замене этого магнитным сопротивлением верно
8
магнитное сопротивление Rc магнитного сердечника=9,1×10 1/(Гн·м).
Магнитное сопротивление в цилиндрическом теле является объединенным удельным магнитным сопротивлением Rf направляющей пленки и Rair воздуха в цилиндрическом теле, и соответственно, при вычислении его с использованием следующего выражения верно
9
Ra=1,9×10 1/(Гн·м)
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub><mo>×</mo><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr></mtable>
11
Магнитное сопротивление Rs цилиндрического тела=5,3×10 1/(Гн·м), и соответственно, объединенное магнитное сопротивление Rsa из Rs и Ra получается следующим образом
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext> </mtext><mo>×</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr></mtable>
9
и верно Rsa=1,9×10 1/(Гн·м).
Соответственно, закрепляющее устройство в соответствии со сравнительным примером 1 не удовлетворяет следующему выражению магнитного сопротивления.
0,30×Rsa≥Rc
В этом случае можно представить, что ток кругового направления и вихревой ток E⊥ в направлении, проиллюстрированном на фиг. 32, частично текут в цилиндрический вращающийся элемент, выполненный из алюминия, и оба вносят вклад в нагрев. Будет описываться этот вихревой ток E⊥. Вихревой ток E⊥ обладает признаком, при котором чем ближе к поверхности материала, тем больше E⊥, а чем ближе к внутренней части материала, тем меньше по экспоненте становится E⊥. Глубина будет называться глубиной δ проникновения, и она представляется следующим выражением.
δ=503×(ρ/fµ)^1/2 … (28)
δ: глубина проникновения, м
f: частота цепи возбуждения, Гц
µ: магнитная проницаемость, Гн/м
ρ: удельное магнитное сопротивление, Ом·м
Глубина δ проникновения указывает глубину поглощения электромагнитных волн, и интенсивность электромагнитных волн становится меньше либо равной 1/e в месте глубже этого. Глубина зависит от частоты, магнитной проницаемости и удельного магнитного сопротивления.
Результаты сравнительного эксперимента
Фиг. 21 иллюстрирует частотную зависимость эффективности преобразования энергии в алюминиевом цилиндрическом вращающемся элементе с толщиной 20 мкм. Черные кружки указывают частоту и результат эффективности преобразования энергии в первом варианте осуществления, а белые кружки указывают частоту и результат эффективности преобразования энергии в сравнительном примере 1. Первый вариант осуществления при полосе частот от 20 до 100 кГц поддерживает эффективность преобразования энергии, равную 90% или выше. Сравнительный пример 1 является таким же, как и в случае первого варианта осуществления при 90 кГц или выше, 85% при 50 кГц, 75% при 30 кГц, 60% при 20 кГц, таким образом, чем ниже частота, тем ниже эффективность преобразования энергии.
Причина этого будет описана ниже. При конфигурации из сравнительного примера 1 можно представить, что ток кругового направления и вихревой ток E⊥ в направлении, проиллюстрированном на фиг. 32, частично текут туда, и оба вносят вклад в нагрев.
Этот вихревой ток E⊥ имеет частотную зависимость, которая проиллюстрирована в выражении (28). Другими словами, чем выше частота, тем больше электромагнитных волн поглощается в алюминии, и, следовательно, увеличивается эффективность преобразования энергии.
В первом варианте осуществления также в случае применения частоты от 21 кГц до 40 кГц количество тепла, выделенного в катушке возбуждения, достаточно небольшое по сравнению с количеством тепла, которое может излучаться путем теплопередачи и естественного охлаждения. В этом случае температура катушки возбуждения ниже температуры цилиндрического вращающегося элемента, и соответственно не нужно выполнять теплостойкое исполнение касательно катушки и магнитного сердечника.
С другой стороны, в сравнительном примере 1 недоступна полоса частот от 25 кГц или ниже, при которой эффективность преобразования энергии равна 70% или ниже. В этом случае должны быть приняты меры на случай роста температуры катушки, или приходится применять местоположение, где эффективность преобразования энергии составляет около 90%, путем модернизации источника питания для увеличения полосы частот до 90 кГц или выше.
Как описано выше, в соответствии с конфигурацией из первого варианта осуществления даже при применении алюминия, который является немагнитным металлом, в качестве материала электропроводящего слоя электропроводящий слой может нагреваться с высокой эффективностью без увеличения толщины электропроводящего слоя. Также, даже в случае применения полосы частот от 21 до 100 кГц, тепло может выделяться с низкой потерей, магнитный сердечник не нужно создавать в виде замкнутой линии магнитной индукции и соответственно исполнение магнитного сердечника облегчается. Соответственно, даже когда выходная мощность высокая, целое устройство можно спроектировать компактным способом.
Теперь давайте рассмотрим закрепляющее устройство, которое удовлетворяет двум следующим условиям.
Условие 1. Все из материала цилиндрического вращающегося элемента и материала элемента в области между магнитным сердечником и цилиндрическим вращающимся элементом являются немагнитными материалами, имеющими такую же относительную магнитную проницаемость, как в случае воздуха.
Условие 2. Выполняется конфигурация, в которой 94% или больше магнитных силовых линий выходят из одного конца магнитного сердечника, возвращаются в другой конец магнитного сердечника, проходя над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента (закрепляющее устройство по R3).
Если мы говорим, что магнитным сопротивлением магнитного сердечника является Rc, и объединенным магнитным сопротивлением из магнитного сопротивления цилиндрического вращающегося элемента и магнитного сопротивления области между цилиндрическим вращающимся элементом и магнитным сердечником является Rsa, то можно представить условие следующим образом, в котором 94,7% или больше магнитных силовых линий выходят из одного конца магнитного сердечника, возвращаются в другой конец магнитного сердечника, проходя над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента.
0,06×Rsa≥Rc
Магнитное сопротивление Rc магнитного сердечника представляется следующим образом.
<mrow><mtext> </mtext><mtext>Rc</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>μ</mtext><mtext>c</mtext></msub><msub><mtext>S</mtext><mtext>c</mtext></msub></mrow></mfrac></mrow>
µc: магнитная проницаемость сердечника
Sc: площадь поперечного сечения сердечника
Объединенное магнитное сопротивление Rsa из магнитного сопротивления цилиндрического вращающегося элемента и магнитного сопротивления области между магнитным сердечником и цилиндрическим вращающимся элементом представляется следующим образом.
<mrow><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>μ</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub><msub><mtext>S</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
µsa: магнитная проницаемость цилиндрического вращающегося элемента и области между магнитным сердечником и цилиндрическим вращающимся элементом
Ssa: площадь поперечного сечения цилиндрического вращающегося элемента и области между магнитным сердечником и цилиндрическим вращающимся элементом
В соответствии с вышеизложенным, выражение, удовлетворяющее условию, что 94% или больше магнитных силовых линий выходят из одного конца магнитного сердечника, возвращаются в другой конец магнитного сердечника, проходя над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента, представляется следующим образом.
<mrow><mtext> </mtext><mtext>0</mtext><mn>.06</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>×</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>μ</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub><msub><mtext>S</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>≥</mo><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>μ</mtext><mtext>c</mtext></msub><msub><mtext>S</mtext><mtext>c</mtext></msub></mrow></mfrac></mrow>
0,06×µcSc≥µsaSsa
0
0
0
0
0
Теперь допустим, что магнитной постоянной является µµ, а относительной магнитной проницаемостью магнитного сердечника является µc, магнитная проницаемость воздуха равна 1,0, и соответственно из Условия 1 µsa=1,0×µ, а µc=µc×µ, и соответственно выражение, удовлетворяющее Условию 2, выглядит следующим образом.
0
0,06×100×µcSc≥Ssa
0
0,06×µc×Sc≥Ssa
0
В соответствии с вышеизложенным обнаружено, что в отношении закрепляющего устройства, которое удовлетворяет Условию 1 и Условию 2, сумма площади поперечного сечения цилиндрического вращающегося элемента и площади поперечного сечения области между магнитным сердечником и цилиндрическим вращающимся элементом равна или меньше чем в (0,06×µc) раз площади поперечного сечения сердечника. Отметим, что Условие 1 не должно быть таким же, как относительная магнитная проницаемость 1,0 воздуха. В случае, когда магнитная проницаемость меньше 1,1, могут применяться вышеупомянутые выражения отношения.
Отметим, что даже в конфигурации с замкнутой линией магнитной индукции, имеющей форму, при которой магнитный сердечник образует петлю за пределами цилиндрического вращающегося элемента (электропроводящего слоя), как проиллюстрировано на фиг. 35, когда магнитная проницаемость магнитного сердечника небольшая, настоящий вариант осуществления имеет эффект. Другими словами, может иметь место случай, где магнитная проницаемость магнитного сердечника слишком низкая для наведения магнитных силовых линий за пределами цилиндрического вращающегося элемента. В таком случае, когда магнитное сопротивление магнитного сердечника удовлетворяет условию, что оно равно 30% или меньше объединенного магнитного сопротивления из магнитного сопротивления цилиндрического вращающегося элемента и магнитного сопротивления области между цилиндрическим вращающимся элементом и сердечником, 70% или больше магнитных силовых линий выходят из одного конца магнитного сердечника, возвращаются в другой конец магнитного сердечника, проходя над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента.
Аналогичным образом, когда магнитное сопротивление магнитного сердечника удовлетворяет условию, что оно равно 10% или меньше объединенного магнитного сопротивления из магнитного сопротивления цилиндрического вращающегося элемента и магнитного сопротивления области между цилиндрическим вращающимся элементом и сердечником, 90% или больше магнитных силовых линий выходят из одного конца магнитного сердечника и возвращаются в другой конец магнитного сердечника, проходя над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента. Аналогичным образом, когда магнитное сопротивление магнитного сердечника удовлетворяет условию, что оно равно 6% или меньше объединенного магнитного сопротивления из магнитного сопротивления цилиндрического вращающегося элемента и магнитного сопротивления области между цилиндрическим вращающимся элементом и сердечником, 94% или больше магнитных силовых линий выходят из одного конца магнитного сердечника и возвращаются в другой конец магнитного сердечника, проходя над наружной частью цилиндрического вращающегося элемента.
Второй вариант осуществления
Настоящий вариант осуществления является другим примером относительно первого варианта осуществления, описанного выше, и отличается от первого варианта осуществления в том, что в качестве цилиндрического вращающегося элемента (электропроводящего слоя) применяется аустенитная нержавеющая сталь (SUS304). Следующее для справки является результатами обобщения удельного сопротивления и относительной магнитной проницаемости в различных типах металла и вычисления глубины δ проникновения при 21 кГц, 40 кГц и 100 кГц в соответствии с выражением (28).
Таблица 7Глубина проникновения в цилиндрический вращающийся элемент
ρ: УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, Ом·м
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, µ
δ (21 кГц), мкм
δ (40 кГц), мкм
δ (100 кГц), мкм
Ag (СЕРЕБРО)
1,59E-08
1
438
317
201
Cu (МЕДЬ)
1,67E-08
1
449
325
206
Al (АЛЮМИНИЙ)
2,75E-08
1
576
417
264
Ni (НИКЕЛЬ)
6,84E-08
600
37
27
17
Fe (ЖЕЛЕЗО)
9,71E-08
500
48
35
22
SUS304
7,20E-07
1,02
2916
2113
1336
В соответствии с Таблицей 7, SUS304 имеет высокое удельное сопротивление и низкую относительную магнитную проницаемость, и соответственно глубина δ проникновения значительная. Другими словами, электромагнитные волны легко пронизывают SUS304, и соответственно, SUS304 почти не применяется в качестве нагревательного элемента в индукционном нагреве. Соответственно, в закрепляющем устройстве с системой электромагнитного индукционного нагрева в соответствии с описанием предшествующего уровня техники сложно реализовать высокую эффективность преобразования энергии. Однако Таблица 7 указывает, что в настоящем варианте осуществления возможна реализация высокой эффективности преобразования энергии.
Отметим, что конфигурация второго варианта осуществления является такой же, как и конфигурация первого варианта осуществления, за исключением того, что SUS304 применяется в качестве материала цилиндрического вращающегося элемента. Форма поперечного сечения закрепляющего устройства является такой же, как и в случае первого варианта осуществления. Что касается нагревательного слоя, то применяется SUS304, относительная магнитная проницаемость которой равна 1,0, и толщина пленки равна 30 мкм, а диаметр равен 24 мм. Эластичный слой и поверхностный слой такие же, как и в первом варианте осуществления. Магнитный сердечник, катушка возбуждения, термочувствительный элемент и терморегулирование такие же, как и в первом варианте осуществления.
Магнитная проводимость и магнитное сопротивление каждого компонента закрепляющего устройства в соответствии с настоящим вариантом осуществления будут проиллюстрированы в следующей Таблице 8.
Таблица 8Магнитная проводимость во втором варианте осуществления
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИКC
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
2,6E-05
1,0E-04
3,2E-04
2,3E-06
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
1
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-3
1,3E-06
1,3E-06
1,3E-06
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
5,9E-08
1,3E-10
4,0E-10
2,9E-12
5,8E-08
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
1,7E+07
8,0E+09
2,5E+09
3,5E+11
1,7E+07
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
100,0%
0,2%
0,7%
0,0%
99,3%
При настоящей конфигурации доля магнитного потока за пределами цилиндрического тела равна 99,3% и удовлетворяет условию "R3: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 94%".
Также магнитная проводимость каждого компонента во втором варианте осуществления выглядит следующим образом (из Таблицы 8).
-8
Магнитная проводимость Pc сердечника=5,9×10 Гн·м
-10
-10
Магнитная проводимость Pa в цилиндрическом теле=1,3×10+4,0×10 Гн·м
-12
Магнитная проводимость Ps цилиндрического тела=2,9×10 Гн·м
Соответственно, второй вариант осуществления удовлетворяет следующему выражению отношения магнитной проводимости.
Ps+Pa≤0,30×Pc
При замене этого магнитным сопротивлением верно
7
магнитное сопротивление Rc магнитного сердечника=1,7×10 1/(Гн·м)
Магнитное сопротивление в цилиндрическом теле является объединенным удельным магнитным сопротивлением из магнитного сопротивления Rf направляющей пленки и Rair воздуха в цилиндрическом теле, и соответственно при вычислении его с использованием следующего выражения верно
9
Ra=1,9×10 1/(Гн·м)
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr></mtable>
11
Магнитное сопротивление Rs цилиндрического тела=3,5×10 1/(Гн·м), и соответственно, объединенное магнитное сопротивление Rsa из Rs и Ra получается следующим образом
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mo>×</mo><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mo>+</mo><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr></mtable>
9
и верно Rsa=1,9×10 1/(Гн·м).
Соответственно закрепляющее устройство в соответствии со вторым вариантом осуществления удовлетворяет следующему выражению отношения магнитного сопротивления.
0,30×Rsa≥Rc
В соответствии с вышеизложенным закрепляющее устройство в соответствии со вторым вариантом осуществления удовлетворяет выражению отношения магнитной проводимости (магнитного сопротивления), и соответственно может применяться в качестве закрепляющего устройства.
Сравнительный пример 2
2
-9
Сравнительный пример 2 имеет конфигурацию, в которой, в отличие от второго варианта осуществления, уменьшается магнитная проводимость магнитного сердечника путем разделения магнитного сердечника на два или более магнитных сердечников в продольном направлении и обеспечения многих зазоров между разделенными магнитными сердечниками. Магнитный сердечник точно так же, как в сравнительном примере 1, является ферритом, имеющим цилиндрическую форму, в которой диаметр равен 5,4 мм, площадь поперечного сечения равна 23 мм, а длина B равна 22 мм, и при этом десять магнитных сердечников располагаются с равным интервалом, зажимая между собой майларовую полоску, имеющую толщину G=0,7 мм. Что касается цилиндрического вращающегося элемента (электропроводящего слоя) пленки термоузла, то точно так же, как и в случае второго варианта осуществления, применялась SUS304, относительная магнитная проницаемость которой равна 1,02, и толщина пленки была 30 мкм, а диаметр был 24 мм. Магнитная проводимость на единицу длины у магнитного сердечника может вычисляться точно так же, как в сравнительном примере 1, при этом магнитная проводимость на единицу длины равна 1,1×10 Гн·м. Доля магнитных силовых линий, проходящих через каждую область, показана в следующей таблице.
Таблица 9Магнитная проводимость в сравнительном примере 2
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИКC
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
2,6E-05
1,0E-04
3,2E-04
2,3E-06
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
1,3E-06
1,3E-06
1,3E-06
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
1,1E-09
1,3E-10
4,0E-10
2,9E-12
6,9E-10
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
9,1E+08
8,0E+09
2,5E+09
3,5E+11
1,4E+09
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
100,0%
11,4%
36,6%
0,3%
63,2%
Магнитная проводимость магнитного сердечника меньше по сравнению со вторым вариантом осуществления и соответственно доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 64,1%, и это не удовлетворяет условию "R1: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 70%".
Также магнитная проводимость каждого компонента из сравнительного примера выглядит следующим образом.
-9
Магнитная проводимость Pc магнитного сердечника=1,1×10 Гн·м
-10
-10
Магнитная проводимость Pa в цилиндрическом теле=1,3×10+4,0×10 Гн·м
-12
Магнитная проводимость Ps цилиндрического тела=2,9×10 Гн·м
Соответственно закрепляющее устройство в соответствии со сравнительным примером 2 не удовлетворяет следующему выражению отношения магнитной проводимости.
Ps+Pa≤0,30×Pc
При замене этого магнитным сопротивлением верно
8
магнитное сопротивление Rc магнитного сердечника=9,1×10 1/(Гн·м)
Магнитное сопротивление в цилиндрическом теле (области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником):
9
Ra=1,9×10 1/(Гн·м)
Магнитное сопротивление цилиндрического тела:
11
Rs=3,5×10 1/(Гн·м)
Объединенное магнитное сопротивление Rsa из Rs и Ra:
9
Rsa=1,9×10 1/(Гн·м)
Соответственно сравнительный пример 2 не удовлетворяет следующему выражению отношения магнитного сопротивления.
0,30×Rsa≥Rc
В этом случае можно представить, что ток кругового направления и вихревой ток E⊥ в направлении, проиллюстрированном на фиг. 32, частично текут в цилиндрический вращающийся элемент, выполненный из SUS304, и оба вносят вклад в нагрев.
Результаты сравнительного эксперимента
Фиг. 22 иллюстрирует частотную зависимость эффективности преобразования энергии в цилиндрическом вращающемся элементе из SUS304 с толщиной 30 мкм. Черные кружки указывают частоту и результат эффективности преобразования энергии во втором варианте осуществления, а белые кружки указывают частоту и результат эффективности преобразования энергии в сравнительном примере 2. Второй вариант осуществления при полосе частот от 20 до 100 кГц поддерживает эффективность преобразования энергии, равную 90% или выше. Сравнительный пример 2 является таким же, как и второй вариант осуществления при 100 кГц или выше, 80% при 50 кГц, 70% при 30 кГц, 50% при 20 кГц, таким образом, чем ниже частота, тем ниже эффективность преобразования энергии.
Во втором варианте осуществления в случае применения частоты от 21 кГц до 40 кГц эффективность преобразования энергии составляет до 94%, и соответственно количество тепла, выделенного в катушке возбуждения, в достаточной степени меньше по сравнению с количеством тепла, которое может излучаться путем теплопередачи и естественного охлаждения. В этом случае температура катушки возбуждения была постоянно ниже температуры цилиндрического вращающегося элемента, и соответственно не было необходимости осуществлять теплостойкое исполнение касательно катушки и магнитного сердечника.
С другой стороны, в сравнительном примере 2 недоступна полоса частот от 35 кГц или ниже, эффективность преобразования энергии которой равна 70% или ниже. В этом случае приходилось принимать меры по росту температуры катушки, или приходилось применять местоположение, где эффективность преобразования энергии составляет около 90%, путем модернизации источника питания для увеличения полосы частот до 90 кГц или выше.
Как описано выше, в соответствии с конфигурацией второго варианта осуществления можно предусмотреть закрепляющее устройство, в котором даже при применении SUS304, относительная магнитная проницаемость которой низкая, в качестве материала электропроводящего слоя, электропроводящий слой может нагреваться с высокой эффективностью без увеличения толщины электропроводящего слоя.
Третий вариант осуществления
В настоящем варианте осуществления будет выполнено описание касательно конфигурации, где в качестве цилиндрического вращающегося элемента применяется металл, имеющий высокую относительную магнитную проницаемость.
Как и в случае настоящего варианта осуществления, в конфигурации, в которой цилиндрический вращающийся элемент побуждают выделять тепло преимущественно с помощью тока кругового направления, металл, имеющий низкую относительную магнитную проницаемость, не обязательно применять в качестве цилиндрического вращающегося элемента, и может применяться даже металл, имеющий высокую относительную магнитную проницаемость.
В закрепляющем устройстве с системой электромагнитного индукционного нагрева в соответствии с предшествующим уровнем техники была проблема в том, что даже при применении никеля, имеющего высокую относительную магнитную проницаемость, или т.п. в качестве цилиндрического вращающегося элемента в случае уменьшения толщины цилиндрического вращающегося элемента уменьшается эффективность преобразования энергии. Поэтому настоящий вариант осуществления иллюстрирует, что даже в случае, когда толщина никеля небольшая, цилиндрический вращающийся элемент можно заставить выделять тепло с высокой эффективностью. Уменьшение толщины цилиндрического вращающегося элемента обеспечивает такие преимущества, как улучшение стойкости к повторяющемуся изгибанию и улучшение свойств быстрого пуска благодаря уменьшению теплоемкости и так далее.
Конфигурация устройства формирования изображений такая же, как и в случае первого варианта осуществления, за исключением того, что в качестве цилиндрического вращающегося элемента применяется никель. В третьем варианте осуществления никель, относительная магнитная проницаемость которого равна 600, применяется в качестве цилиндрического вращающегося элемента. У этого цилиндрического вращающегося элемента толщина была равна 75 мкм, а диаметр был равен 24 мм. Эластичный слой и поверхностный слой такие же, как и в случае первого варианта осуществления, и соответственно их описание будет опущено. Также катушка возбуждения, термочувствительный элемент и терморегулирование такие же, как и в первом варианте осуществления. Этот магнитный сердечник 2 является ферритом, относительная магнитная проницаемость которого равна 1800, плотность насыщенного магнитного потока равна 500 мТ, диаметр равен 14 мм, а длина B равна 230 мм.
Соотношение магнитной проводимости каждого компонента закрепляющего устройства в соответствии с настоящим вариантом осуществления будет проиллюстрировано в следующей Таблице 10.
Таблица 10Магнитная проводимость в третьем варианте осуществления
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИКC
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
1,5E-04
1,0E-04
1,9E-04
5,6E-06
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
1
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-9
1,3E-6
1,3E-6
754,0E-6
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
3,5E-07
1,3E-10
2,4E-10
4,2E-09
3,4E-07
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
2,9E+06
8,0E+09
4,2E+09
2,4E+08
2,9E+06
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
100,0%
0,0%
0,1%
1,2%
98,7%
В настоящем варианте осуществления доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 98,7% и удовлетворяет условию "R3: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 90%". Никель частично служит в качестве линии магнитной индукции и соответственно доля магнитного потока за пределами цилиндрического тела уменьшается примерно на 1%, но получается достаточно высокий тепловой КПД. Также магнитная проводимость каждого компонента в третьем варианте осуществления выглядит следующим образом (из Таблицы 10).
-7
Магнитная проводимость магнитного сердечника: Pc=3,5×10 Гн·м
-10
-10
Магнитная проводимость в цилиндрическом теле: Pa=1,3×10+2,4×10 Гн·м
-9
Магнитная проводимость цилиндрического тела: Ps=4,2×10 Гн·м
Соответственно, закрепляющее устройство в соответствии с третьим вариантом осуществления удовлетворяет следующему выражению отношения магнитной проводимости.
Ps+Pa≤0,30×Pc
Теперь при замене вышеупомянутых выражений отношения магнитной проводимости выражениями отношения магнитного сопротивления получаются следующие выражения.
6
Магнитное сопротивление магнитного сердечника: Rc=2,9×10 1/(Гн·м)
9
Магнитное сопротивление области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником: Ra=2,7×10 1/(Гн·м)
8
Магнитное сопротивление цилиндрического тела: Rs=2,4×10 1/(Гн·м)
8
Объединенное магнитное сопротивление из Rs и Ra: Rsa=2,2×10 1/(Гн·м)
Соответственно, третий вариант осуществления удовлетворяет следующему выражению отношения магнитного сопротивления.
0,30×Rsa≥Rc
В соответствии с вышеизложенным, закрепляющее устройство в соответствии с третьим вариантом осуществления удовлетворяет выражениям отношения магнитной проводимости (выражениям отношения магнитного сопротивления), и соответственно может применяться в качестве закрепляющего устройства.
Сравнительный пример 3
В качестве сравнительного примера 3 будет описана конфигурация, в которой площади поперечного сечения магнитного сердечника 2 и цилиндрического вращающегося элемента отличаются от таковых в закрепляющем устройстве в соответствии с третьим вариантом осуществления, который не удовлетворяет условию "установить долю магнитного потока за пределами цилиндрического тела равной 90% или выше". В частности, будет выполнено описание касательно конфигурации, в которой цилиндрический вращающийся элемент служит в качестве главной линии магнитной индукции. Фиг. 23 - вид в поперечном сечении закрепляющего устройства в соответствии со сравнительным примером 3, при этом закрепляющий валик 11 применяется в качестве вращающегося элемента электромагнитного индукционного нагрева вместо пленки термоузла. Это конфигурация, в которой зажим N образуется с помощью прижимающей силы закрепляющего валика 11 и прижимного ролика 7, носитель P изображения и порошковое изображение T зажимаются для вращения в направлении стрелки.
В качестве цилиндрического тела 11a (цилиндрического вращающегося элемента) закрепляющего валика 11 применяется никель (Ni), относительная магнитная проницаемость которого равна 600, толщина равна 0,5 мм, а диаметр равен 60 мм. Отметим, что материал цилиндрического тела не ограничивается никелем и может быть магнитным металлом, имеющим высокую относительную магнитную проницаемость, таким как железо (Fe), кобальт (Co) или т.п.
Магнитный сердечник 2 имеет цилиндрическую форму, выполненную из единого компонента, который не разделяется. Магнитный сердечник 2 располагается в закрепляющем валике 11 за счет не проиллюстрированного крепежного блока и служит в качестве элемента, выполненного с возможностью наведения магнитных силовых линий (магнитных силовых линий) в соответствии с переменным магнитным полем, сформированным катушкой 3 возбуждения, в закрепляющем валике 11, чтобы образовать траекторию (линию магнитной индукции) для магнитных силовых линий. Этот магнитный сердечник 2 является ферритом, относительная магнитная проницаемость которого равна 1800, плотность насыщенного магнитного потока равна 500 мТ, диаметр равен 6 мм, а длина B равна 230 мм. Результаты вычисления магнитной проводимости каждого компонента закрепляющего устройства в соответствии со сравнительным примером 3 будут обобщены в Таблице 11.
Таблица 11Магнитная проводимость в сравнительном примере 3
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК C
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА A_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
2,0E-05
1,0E-04
2,6E-03
9,3E-05
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
1
1
600
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-3
1,3E-6
1,3E-6
754,0E-6
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
4,4E-08
1,3E-10
3,3E-09
7,0E-08
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
2,3E+07
8,0E+09
3,0E+08
1,4E+07
Магнитная проводимость каждого компонента в сравнительном примере 3 выглядит следующим образом из Таблицы 11.
-8
Магнитная проводимость магнитного сердечника: Pc=4,4×10 Гн·м
-10
-9
Магнитная проводимость в цилиндрическом теле (области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником): Pa=1,3×10+3,3×10 Гн·м
-8
Магнитная проводимость цилиндрического тела: Ps=7,0×10 Гн·м
Соответственно, следующее выражение отношения магнитной проводимости не выполняется.
Ps+Pa≤0,30×Pc
При замене вышеупомянутых выражений магнитным сопротивлением получаются следующие выражения.
7
Магнитное сопротивление магнитного сердечника: Rc=2,3×10 1/(Гн·м)
Магнитное сопротивление в цилиндрическом теле (области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником):
8
Ra=2,9×10 1/(Гн·м)
Магнитное сопротивление цилиндрического тела:
7
Rs=1,4×10 1/(Гн·м)
Объединенное магнитное сопротивление из Rs и Ra:
7
Rsa=1,4×10 1/(Гн·м)
Соответственно, сравнительный пример 3 не удовлетворяет следующему выражению отношения магнитного сопротивления.
0,30×Rsa≥Rc
Закрепляющее устройство в соответствии со сравнительным примером 3 имеет конфигурацию, в которой магнитная проводимость цилиндрического тела больше магнитной проводимости магнитного сердечника в 1,5 раза. Соответственно наружная часть цилиндрического тела не служит в качестве линии магнитной индукции и доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 0%. Соответственно, при формировании линий магнитного поля с использованием конфигурации из сравнительного примера 3 главной линией магнитной индукции является цилиндрическое тело 11a (цилиндрический вращающийся элемент), и линия магнитной индукции не образуется за пределами цилиндрического тела. В отношении форм магнитных силовых линий в этом случае, которые проиллюстрированы пунктирными линиями на фиг. 24, магнитные силовые линии, сформированные магнитным сердечником 2, входят в сам цилиндрический вращающийся элемент 11a и возвращаются в магнитный сердечник 2. Также магнитные поля LB утечек формируются в некоторых зазорах катушки 3 и входят в сам цилиндрический вращающийся элемент 11a. Вид поперечного сечения в центральном положении D будет проиллюстрирован на фиг. 25A. Это схематичный чертеж магнитных силовых линий в момент, когда ток катушки 3 увеличивается в направлении стрелки I.
Магнитные силовые линии Bin, проходящие через линии магнитной индукции, будут проиллюстрированы на чертеже стрелками (восемь крестовых отметок, обведенных окружностью) в направлении глубины в пространстве. Стрелки (восемь черных кружков) к передней стороне в пространстве представляют на чертеже магнитные силовые линии Bout, возвращающиеся внутрь цилиндрического вращающегося элемента 11a. В цилиндрическом вращающемся элементе 11a и в частности на участке, указанном XXVB, который проиллюстрирован на фиг. 25B, возникает большое число вихревых токов E// таким образом, чтобы образовать магнитное поле для предотвращения изменения магнитного поля, указанного черным кружком. В вихревом токе E// в определенном смысле имеются участки, которые взаимно уравновешиваются, и участки, которые взаимно усиливаются, и, в конечном счете, сумма E1 и E2 вихревых токов, указанных пунктирной стрелкой, становится преобладающей. Здесь и далее в этом документе E1 и E2 будут называться поверхностными токами. Когда поверхностные токи E1 и E2 возникают в круговом направлении, джоулево тепло выделяется пропорционально поверхностному сопротивлению нагревательного слоя 11a закрепляющего валика. Такой ток также повторяет формирование/устранение и изменение направления синхронно с высокочастотным током. Также в тепловыделение вносит вклад гистерезисная потеря во время формирования/устранения магнитного поля.
Тепловыделение в соответствии с вихревым током E// или тепловыделение в соответствии с поверхностными токами E1 и E2 физически эквивалентно тому, что проиллюстрировано на фиг. 31, и тепловыделение в соответствии с вихревым током E// в этом направлении практически будет называться потерей на возбуждение и является физическим явлением, эквивалентным явлению, представленному следующим выражением.
Теперь будет описана "потеря на возбуждение". "Потеря на возбуждение" является случаем, где направление магнитного поля B// в материале 200a проиллюстрированного на фиг. 31 вращающегося элемента 200 с электромагнитным индукционным тепловыделением параллельно оси X вращающегося элемента, и при этом, хотя магнитные силовые линии в направлении стрелки B// увеличиваются, вихревой ток формируется в направлении, уравновешивающем их увеличение. Этот вихревой ток будет называться E//. С другой стороны, в случае, где направление магнитного поля B// в материале 200a проиллюстрированного на фиг. 32 вращающегося элемента 200 с электромагнитным индукционным тепловыделением перпендикулярно оси X вращающегося элемента, хотя магнитный поток в направлении стрелки B// увеличивается, вихревой ток формируется в направлении, уравновешивающем его увеличение. Этот вихревой ток будет называться E⊥.
Как в сравнительном примере 3, в конфигурации, в которой большинство магнитных силовых линий, выходящих из одного конца магнитного сердечника 2, проходит внутри материала цилиндрического вращающегося элемента и возвращается в другой конец магнитного сердечника, в цилиндрическом вращающемся элементе тепло выделяется преимущественно из-за джоулева тепла в соответствии с вихревым током E//. Тепловыделение в соответствии с этим вихревым током E// практически называется "потерей на возбуждение", и количество выделенного тепла Pe, выделенного с помощью вихревого тока, представляется следующим выражением.
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>e</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>k</mi><mi>e</mi></msub><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mi>f</mi><msub><mi>B</mi><mi>m</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mi>ρ</mi></mfrac></mrow>
Pe: количество выделенного тепла вследствие потери по вихревому току
t: толщина закрепляющего валика
f: частота
Bm: максимальная плотность магнитного потока
ρ: удельное сопротивление
Ke: пропорциональная константа
Как проиллюстрировано в вышеприведенном выражении, величина выделенного тепла Pe пропорциональна квадрату "Bm: максимальная плотность магнитного потока в материале", и соответственно желательно в качестве составляющей выбирать ферромагнитный материал, такой как железо, кобальт, никель или их сплав. Наоборот, при применении слабого магнитного материала или немагнитного материала тепловой КПД ухудшается. Количество выделенного тепла Pe пропорционально квадрату толщины t и соответственно при уменьшении толщины до 200 мкм или меньше это вызывает проблему в том, что тепловой КПД ухудшается, а также невыгоден материал, имеющий высокое удельное сопротивление. Другими словами, закрепляющее устройство в соответствии со сравнительным примером 3 сильно зависит от толщины цилиндрического вращающегося элемента.
Сравнительный эксперимент
Будет выполнено описание результатов сравнительного эксперимента, выполняемого относительно зависимости толщины цилиндрического вращающегося элемента из сравнительного примера 3 и третьего варианта осуществления. В качестве цилиндрического вращающегося элемента, выполненного из никеля, для сравнительного эксперимента применялся элемент, диаметр которого равен 60 мм, а длина равна 230 мм, и было подготовлено четыре типа толщины (75 мкм, 100 мкм, 150 мкм и 200 мкм). В качестве магнитного сердечника применялись материал с диаметром 14 мм в третьем варианте осуществления и материал с диаметром 6 мм в сравнительном примере 3. Причина того, почему диаметры магнитных сердечников отличаются между третьим вариантом осуществления и сравнительным примером 3, состоит в разграничении, в котором сравнительный пример 3 имеет конфигурацию, не удовлетворяющую "R1: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 70%", а третий вариант осуществления имеет конфигурацию, удовлетворяющую "R2: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 90%". Следующая Таблица 12 иллюстрирует "долю магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела" для каждой толщины цилиндрических вращающихся элементов в соответствии с третьим вариантом осуществления и сравнительным примером 3. Из Таблицы 12 обнаружено, что доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела цилиндрического вращающегося элемента из сравнительного примера 3 весьма чувствительна к толщине цилиндрического вращающегося элемента и сильно зависит от толщины, а третий вариант осуществления нечувствителен к толщине цилиндрического вращающегося элемента и слабо зависит от толщины.
Таблица 12Зависимость от толщины цилиндрического вращающегося элемента
ТРЕТИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 3
ДИАМЕТР СЕРДЕЧНИКА
14
6
Ni 75 мкм
98,7%
50,6%
Ni 100 мкм
98,3%
38,2%
Ni 150 мкм
97,5%
13,3%
Ni 200 мкм
96,7%
0,0%
1
1
Далее будет выполнено описание касательно результатов, в котором магнитный сердечник располагался в цилиндрическом теле, и измерялась эффективность преобразования энергии на частоте 21 кГц. Сначала измеряются сопротивление R и эквивалентная индуктивность L с обоих концов провода намотки в состоянии, в котором отсутствует цилиндрическое тело. Далее измеряются сопротивление Rx и Lx с обоих концов провода намотки в состоянии, в котором магнитный сердечник вставлен в цилиндрическое тело. Далее измеряется эффективность преобразования энергии в соответствии с выражением (27), и измеренные результаты иллюстрируются на фиг. 26.
x
1
x
Эффективность=(R-R)/R … (27)
В соответствии с этим в сравнительном примере 3 уменьшение эффективности преобразования энергии началось, когда толщина цилиндрического вращающегося элемента достигла величины, равной 150 мкм или тоньше, и эффективность преобразования энергии достигла 81% при 75 мкм. По сравнению со случаем, когда в качестве цилиндрического вращающегося элемента применен немагнитный металл, эффективность преобразования энергии имеет тенденцию особенно увеличиваться, когда толщина цилиндрического вращающегося элемента больше. Это приписывается тому, что эффективно вызывается "потеря на возбуждение", которая является явлением тепловыделения, проиллюстрированным вышеупомянутым выражением величины выделенного тепла Pe. Однако "потеря на возбуждение" имеет тенденцию уменьшаться пропорционально квадрату толщины, и соответственно эффективность преобразования энергии уменьшилась до 81% при 75 мкм. Вообще, чтобы обеспечить гибкость цилиндрическому телу в закрепляющем устройстве, толщина цилиндрического вращающегося элемента (электропроводящего слоя) предпочтительно равна 50 мкм или тоньше. При превышении этой толщины цилиндрический вращающийся элемент может иметь плохую стойкость к повторяющемуся изгибанию или может ухудшить свойства быстрого пуска из-за увеличения теплоемкости.
В конфигурации из сравнительного примера 3 при уменьшении толщины цилиндрического вращающегося элемента до 50 мкм или тоньше эффективность преобразования энергии в электромагнитном индукционном нагреве становится равной 80% или ниже. Соответственно, как описано в 3-6, катушка возбуждения и так далее выделяют тепло и сильно превышают количество тепла, которое может излучаться путем теплопередачи и естественного охлаждения. В этом случае температура катушки возбуждения становится чрезвычайно высокой по сравнению с температурой цилиндрического вращающегося элемента и соответственно необходимо теплостойкое исполнение катушки возбуждения и меры по охлаждению, такие как воздушное охлаждение, водяное охлаждение или т.п. Также в случае применения обожженного феррита в качестве магнитного сердечника достижение точки Кюри примерно при 240 градусах по Цельсию может препятствовать образованию линии магнитной индукции и соответственно дополнительно приходится выбирать материал, имеющий более высокую теплостойкость. Это приводит к увеличению затрат и увеличению размера компонентов. Когда блок катушки возбуждения увеличивается в размере, вращающийся элемент, в который вставляется этот блок, также увеличивается в размере, увеличивается теплоемкость, и свойства быстрого пуска могут ухудшиться.
С другой стороны, при конфигурации из третьего варианта осуществления эффективность преобразования энергии превышает 95%, и соответственно тепловыделение будет осуществляться с высокой эффективностью. Дополнительно, цилиндрический вращающийся элемент можно сконфигурировать тоньше или равным 50 мкм и соответственно он может применяться в качестве пленки термоузла, обладающей гибкостью. При цилиндрическом вращающемся элементе в соответствии с третьим вариантом осуществления теплоемкость можно уменьшить, не нужно осуществлять теплостойкое исполнение и излучающее исполнение для катушки возбуждения и соответственно может быть уменьшен размер всего закрепляющего устройства, а также улучшаются свойства быстрого пуска.
Как описано выше, в соответствии с конфигурацией из третьего варианта осуществления даже при образовании электропроводящего слоя из материала, имеющего высокую относительную магнитную проницаемость, такого как никель, тепловыделение в электропроводящем слое может осуществляться с высокой эффективностью без увеличения толщины электропроводящего слоя.
Четвертый вариант осуществления
Настоящий вариант осуществления является модификацией третьего варианта осуществления и отличается от конфигурации по третьему варианту осуществления только в том, что магнитный сердечник разделяется в продольном направлении на два или более сердечника, и между разделенными сердечниками предусматривается зазор. Разделение магнитного сердечника обладает преимуществом в том, что разделенные магнитные сердечники менее легко повреждаются из-за внешнего воздействия по сравнению с магнитным сердечником, изготавливаемым из интегрального компонента без разделения магнитного сердечника.
Например, когда на магнитный сердечник оказывается воздействие в направлении, ортогональном продольному направлению магнитного сердечника, магнитный сердечник, изготовленный из единого компонента, легко разрушается, а разделенные магнитные сердечники не являются легко разрушаемыми. Другие конфигурации являются такими же, как в третьем варианте осуществления и соответственно описание будет опущено.
Из конфигурации закрепляющего устройства в соответствии с четвертым вариантом осуществления конфигурация, в которой обеспечиваются цилиндрический вращающийся элемент 1a, магнитный сердечник 3 и катушка 2, и магнитный сердечник 3 разделен на 10 сердечников, является такой же конфигурацией, как конфигурация из сравнительного примера 1, проиллюстрированная на фиг. 19. Большим отличием между магнитным сердечником 3 в соответствии с четвертым вариантом осуществления и магнитным сердечником в соответствии со сравнительным примером 1 является длина зазора между разделенными сердечниками. Тогда как длина зазора в сравнительном примере 1 равна 700 мкм, в четвертом варианте осуществления длина зазора равна 20 мкм. В четвертом варианте осуществления в зазорах зажимается изолирующий лист, относительная магнитная проницаемость которого равна 1, а толщина G равна 20 мкм, такой как полиимид или т.п. Таким образом, тонкий изолирующий лист зажимается между самими магнитными сердечниками, тем самым можно гарантировать зазоры у разделенных магнитных сердечников. В четвертом варианте осуществления, чтобы как можно сильнее подавить увеличение магнитного сопротивления всего магнитного сердечника, зазор между разделенными сердечниками проектировался как можно меньше. В конфигурации из четвертого варианта осуществления при получении магнитной проводимости на единицу длины магнитного сердечника 3 по такому же способу, как в сравнительном примере 1, результаты показаны в следующей Таблице 13.
Дополнительно, вычисленные значения магнитной проводимости на единицу длины и магнитного сопротивления каждого компонента будут проиллюстрированы в Таблице 14.
Таблица 13Магнитная проводимость в четвертом варианте осуществления
ЧЕТВЕРТЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СИМВОЛ
ЧИСЛОВОЕ ЗНАЧЕНИЕ
ЕДИНИЦА
ДЛИНА РАЗДЕЛЕННОГО МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Lc
0,020
м
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
µc
2,3E-03
Гн/м
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Sc
2,0E-04
м^2
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Rm_c
4,4E+04
1/Гн
ДЛИНА ЗАЗОРА
Lg
0,00002
м
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ЗАЗОРА
µg
1,3E-06
Гн/м
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ЗАЗОРА
Sg
2,0E-04
м^2
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАЗОРА
Rm_g
7,9E+04
1/Гн
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВСЕГО МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Rm_all
1,2E+06
1/Гн
Rm_all НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Rm
5232410
1/(Гн·м)
Pm НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Pm
1,9E-07
Гн·м
Таблица 14Магнитная проводимость в четвертом варианте осуществления
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИКC
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
2,0E-04
1,0E-04
1,5E-04
5,6E-06
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1
1
600
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
1,3E-6
1,3E-6
754,0E-6
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
1,9E-07
1,3E-10
1,8E-10
4,3E-09
1,9E-07
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
5,2E+06
8,0E+09
5,5E+09
2,4E+08
5,4E+06
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
100,0%
0,1%
0,1%
2,2%
97,7%
При конфигурации по четвертому варианту осуществления доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 97,7% и удовлетворяет условию "R2: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 90%".
Также магнитная проводимость каждого компонента в четвертом варианте осуществления выглядит следующим образом (из Таблицы 14).
-7
Магнитная проводимость магнитного сердечника: Pc=1,9×10 Гн·м
-10
-10
Магнитная проводимость в цилиндрическом теле: Pa=1,3×10+1,8×10 Гн·м
-9
Магнитная проводимость цилиндрического тела: Ps=4,3×10 Гн·м
Соответственно, четвертый вариант осуществления удовлетворяет следующему выражению отношения магнитной проводимости.
Ps+Pa≤0,30×Pc
При замене вышеупомянутых выражений магнитным сопротивлением получаются следующие выражения.
6
Магнитное сопротивление магнитного сердечника: Rc=5,2×10 1/(Гн·м)
9
Магнитное сопротивление в цилиндрическом теле: Ra=3,2×10 1/(Гн·м)
8
Магнитное сопротивление цилиндрического тела: Rs=2,4×10 1/(Гн·м)
8
Объединенное магнитное сопротивление из Rs и Ra: Rsa=2,2×10 1/(Гн·м)
Соответственно, четвертый вариант осуществления удовлетворяет следующему выражению отношения магнитного сопротивления.
0,30×Rsa≥Rc
В соответствии с вышеизложенным закрепляющее устройство в соответствии с четвертым вариантом осуществления удовлетворяет выражениям отношения магнитной проводимости (выражениям отношения магнитного сопротивления), и соответственно может применяться в качестве закрепляющего устройства.
Сравнительный пример 4
Настоящий сравнительный пример отличается от четвертого варианта осуществления длиной зазора между разделенными сердечниками и цилиндрическим телом. В сравнительном примере 4 применяется закрепляющий валик, служащий в качестве цилиндрического тела (фиг. 27). Разделенные магнитные сердечники 22a-22k являются ферритом, относительная магнитная проницаемость которого равна 1800, а плотность насыщенного магнитного потока равна 500 мТ, и имеют цилиндрическую форму, диаметр которой равен 11 мм, длины разделенных сердечников равны 22 мм, и эти одиннадцать сердечников располагаются с равным интервалом G=0,5 мм. В закрепляющем валике, служащем в качестве цилиндрического тела, в качестве тепловыделяющего слоя 21a применяется слой, образованный из никеля (относительная магнитная проницаемость равна 600), диаметр которого равен 40 мм, а толщина равна 0,5 мм. Магнитная проводимость и магнитное сопротивление на единицу длины у магнитного сердечника 33 могут вычисляться точно так же, как и в случае четвертого варианта осуществления, и результаты вычисления представлены в виде следующей Таблицы 15.
Также магнитное сопротивление каждого зазора имеет значение, до нескольких раз больше магнитного сопротивления магнитного сердечника. Также Таблица 16 иллюстрирует результаты вычисленной магнитной проводимости и магнитного сопротивления на единицу длины у каждого компонента закрепляющего устройства.
Таблица 15Магнитная проводимость в сравнительном примере 4
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 4
СИМВОЛ
ЧИСЛОВОЕ ЗНАЧЕНИЕ
ЕДИНИЦА
ДЛИНА РАЗДЕЛЕННОГО МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Lc
0,022
м
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
µc
2,3E-03
Гн/м
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Sc
9,5E-05
м^2
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Rm_c
1,0E+05
1/Гн
ДЛИНА ЗАЗОРА
Lg
0,0005
м
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ЗАЗОРА
µg
1,3E-06
Гн/м
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ЗАЗОРА
Sg
9,5E-05
м^2
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАЗОРА
Rm_g
4,2E+06
1/Гн
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВСЕГО МАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА
Rm_all
4,3E+07
1/Гн
Rm_all НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Rm
1,7E+08
1/(Гн·м)
Pm НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Pm
5,8E-09
Гн·м
При долях магнитной проводимости в закрепляющем устройстве в соответствии с четвертым вариантом осуществления магнитная проводимость цилиндрического тела в восемь раз больше магнитной проводимости магнитного сердечника. Соответственно наружная часть цилиндрического тела не служит в качестве линии магнитной индукции, и доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 0%. Соответственно, магнитные силовые линии не проходят над наружной частью цилиндрического тела и наводятся в самом цилиндрическом теле. Также магнитное сопротивление на участке зазора значительное и соответственно, как в случае формы магнитных силовых линий, проиллюстрированной на фиг. 28, магнитный полюс возникает в каждом участке зазора.
Магнитная проводимость каждого компонента в сравнительном примере 4 выглядит следующим образом из Таблицы 16.
-9
Магнитная проводимость на единицу длины магнитного сердечника: Pc=5,8×10 Гн·м
-10
-9
Магнитная проводимость на единицу длины в цилиндрическом теле (области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником): Pa=1,3×10+1,3×10 Гн·м
-8
Магнитная проводимость на единицу длины цилиндрического тела: Ps=4,7×10 Гн·м
Соответственно, сравнительный пример 4 не удовлетворяет следующему выражению отношения магнитной проводимости.
Ps+Pa≤0,30×Pc
При замене вышеупомянутых выражений магнитным сопротивлением получаются следующие выражения.
8
Магнитное сопротивление на единицу длины у магнитного сердечника: Rc=1,7×10 1/(Гн·м)
8
Магнитное сопротивление на единицу длины в цилиндрическом теле (области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником): Ra=7,2×10 1/(Гн·м)
7
Магнитное сопротивление на единицу длины цилиндрического тела: Rs=2,1×10 1/(Гн·м)
7
Объединенное магнитное сопротивление из Rs и Ra: Rsa=2,1×10 1/(Гн·м)
Соответственно, сравнительный пример 4 не удовлетворяет следующему выражению отношения магнитного сопротивления.
0,30×Rsa≥Rc
Будет описан принцип тепловыделения по конфигурации из сравнительного примера 4. Сначала в участке D1 зазора магнитного сердечника 22, проиллюстрированном на фиг. 28, вихревой ток E⊥ формируется точно так же, как и в случае сравнительного примера 1, с помощью магнитного поля, которое оказывает влияние на цилиндрическое тело. Фиг. 29A иллюстрирует вид в поперечном сечении около D1. Это схематичный вид линий магнитного поля в момент, когда ток катушки 23 увеличивается в направлении стрелки I. Магнитные силовые линии Bin, проходящие по линии магнитной индукции магнитного сердечника, будут проиллюстрированы стрелками (восемь черных кружков) в направлении вперед на чертеже. Стрелки (восемь крестовых отметок) в направлении глубины на чертеже представляют магнитные силовые линии Bni, возвращающиеся внутрь цилиндрического вращающегося элемента 21a. В материале цилиндрического вращающегося элемента 21a и, особенно на участке, указанном с помощью XXIXB, который проиллюстрирован на фиг. 29B, возникает большое число вихревых токов E// так, чтобы образовать магнитное поле для предотвращения изменения магнитного поля Bni, указанного крестовой отметкой в белом кружке. В вихревом токе E// в определенном смысле имеются участки, которые взаимно уравновешиваются, и участки, которые взаимно усиливаются, и, в конечном счете, сумма E1 (сплошная линия) и E2 (пунктирная линия) вихревых токов становится преобладающей. При указании этого с использованием вида в перспективе получается фиг. 29C, возникает вихревой ток (поверхностный ток) для уравновешивания магнитной силовой линии в направлении стрелки магнитной силовой линии Bni, воздействовавшей на внутреннюю часть материала цилиндрического вращающегося элемента, при этом ток E1 течет в наружную поверхность, а ток E2 течет во внутреннюю сторону. Когда поверхностные токи E1 и E2 возникают в круговом направлении, в тепловыделяющем слое 21a закрепляющего валика ток сконцентрированно течет в поверхностный участок и соответственно джоулево тепло выделяется пропорционально поверхностному сопротивлению. Такой ток также повторяет формирование/устранение и изменение направления синхронно с высокочастотным током. Также в тепловыделение вносит вклад гистерезисная потеря во время формирования/устранения магнитного поля. Тепловыделение в соответствии с вихревым током E// или тепловыделение в соответствии с поверхностными токами E1 и E2 представляются выражением (1) точно так же, как и в случае сравнительного примера 3, и оно уменьшается вместе с квадратом толщины t.
Далее в D2 на фиг. 28 магнитный поток вертикально пронизывает материал закрепляющего валика. Вихревой ток в этом случае возникает в направлении E⊥, проиллюстрированном на фиг. 32. В сравнительном примере 4 можно представить, что возникновение вихревого тока в этом направлении также вносит вклад в тепловыделение.
Вихревой ток E⊥ обладает признаком, при котором чем ближе к поверхности материала, тем больше E⊥, а чем ближе к внутренней части материала, тем меньше по экспоненте становится E⊥. Глубина такового будет называться глубиной δ проникновения, и она представляется следующим выражением.
δ=503×(ρ/fµ)^1/2 … (28)
глубина проникновения, δ, м
частота цепи возбуждения, f, Гц
магнитная проницаемость, µ, Гн/м
удельное магнитное сопротивление, ρ, Ом·м
Глубина δ проникновения указывает глубину поглощения электромагнитных волн, и интенсивность электромагнитных волн становится меньше либо равной 1/e в месте глубже этого. Наоборот, большая часть энергии поглощается до этой глубины. Глубина зависит от частоты, магнитной проницаемости и удельного магнитного сопротивления. Удельное магнитное сопротивление ρ (Ом·м) и относительная магнитная проницаемость µ, и глубина δ проникновения (м) на каждой частоте никеля иллюстрируются в виде следующей Таблицы.
Таблица 17Глубина проникновения у никеля
ρ: УДЕЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, Ом·м
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, µ
δ(21 кГц), мкм
δ(40 кГц), мкм
δ(100 кГц), мкм
Ni (НИКЕЛЬ)
6,84E-08
600
37
27
17
У никеля глубина проникновения равна 37 мкм на частоте 21 кГц, а когда толщина никеля меньше этой толщины, электромагнитные волны пронизывают никель, и количество выделенного тепла в соответствии с вихревым током сильно уменьшается. Другими словами, даже когда возникает вихревой ток E⊥, на эффективность тепловыделения влияет толщина материала около 40 мкм. Соответственно в случае применения магнитного металла в качестве тепловыделяющего слоя желательно, чтобы его толщина была больше глубины проникновения.
Сравнительный эксперимент
Будет выполнено описание касательно результатов эксперимента по сравнению зависимости толщины цилиндрического вращающегося элемента между четвертым вариантом осуществления и сравнительным примером 4. В качестве цилиндрического вращающегося элемента, выполненного из никеля в соответствии со сравнительным примером 4, применяли элемент, диаметр которого равен 60 мм, а длина равна 230 мм, и было подготовлено четыре типа толщины (75 мкм, 100 мкм, 150 мкм и 200 мкм). Четвертый вариант осуществления имеет конфигурацию, в которой магнитный сердечник разделяется в продольном направлении, чтобы гарантировать зазор между разделенными магнитными сердечниками, и полиимидный лист, толщина которого G=20 мкм, зажимается в зазоре между разделенными магнитными сердечниками. Следующая Таблица 18 иллюстрирует зависимость между толщиной цилиндрического вращающегося элемента и долей магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела в закрепляющих устройствах в соответствии с четвертым вариантом осуществления и сравнительным примером 4. Четвертый вариант осуществления удовлетворяет условию "R2: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 90%" независимо от толщины цилиндрического вращающегося элемента. Сравнительный пример 4 является "долей магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела" в случае применения такого же цилиндрического вращающегося элемента на сердечнике с зазором 0,5 мм в соответствии с четвертым вариантом осуществления, и не удовлетворяет "R1: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 70%" во всех ситуациях.
Таблица 18Доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела
ЧЕТВЕРТЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 4
ДИАМЕТР СЕРДЕЧНИКА
16
4
Ni 75 мкм
97,7%
0,0%
Ni 100 мкм
96,9%
0,0%
Ni 150 мкм
95,5%
0,0%
Ni 200 мкм
94,0%
0,0%
"Доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела" в сравнительном примере 4 равна 0% во всех ситуациях. Соответственно магнитные силовые линии не проходят легко над наружной частью цилиндрического тела, а преимущественно проходят через ролик. Фиг. 30 является результатами, в которых магнитный сердечник располагался в участке полости цилиндрического вращающегося элемента, и измерялась эффективность преобразования энергии на частоте 21 кГц.
Согласно этому в закрепляющем устройстве в соответствии со сравнительным примером 4 уменьшение эффективности преобразования энергии началось с 150-микрометровой толщины никеля и достигло 80% при 75 мкм, и проявляло такую же тенденцию, как и в случае сравнительного примера 3. При конфигурации из сравнительного примера 4 в случае, когда толщина цилиндрического вращающегося элемента устанавливалась на 75 мкм или тоньше, эффективность преобразования энергии в электромагнитном индукционном нагреве уменьшилась до 80% или меньше, и является конфигурацией, невыгодной для свойств быстрого пуска, как и в случае сравнительного примера 3. С другой стороны, при конфигурации из четвертого варианта осуществления эффективность преобразования энергии превышала 95% и соответственно четвертый вариант осуществления выгоден для свойств быстрого пуска в соответствии с такой же причиной, как и в случае третьего варианта осуществления.
Как описано выше, в соответствии с конфигурацией из четвертого варианта осуществления в цилиндрическом теле, образованном из никеля, имеющего высокую относительную магнитную проницаемость, даже при уменьшении его толщины тепловыделение может эффективно осуществляться в цилиндрическом теле, и можно обеспечить закрепляющее устройство, которое выделяется свойствами быстрого пуска.
Отметим, как проиллюстрировано на фиг. 33A и 33B, что в случае, когда участок, выступающий из торца цилиндрического вращающегося элемента магнитного сердечника 2, выполняется так, чтобы не выступать в область наружной части от мнимой поверхности, протянутой от внутренней круговой поверхности цилиндрического вращающегося элемента в радиальном направлении цилиндрического вращающегося элемента, это вносит вклад в улучшение монтажных характеристик.
Пятый вариант осуществления
С помощью раздела "3-3. Магнитная схема и магнитная проводимость" в первом варианте осуществления описание выполнено так, что когда в цилиндрическом теле должно быть обеспечено железо или т.п., необходимо управлять долей магнитных силовых линий, проходящих над наружной частью цилиндрического тела. Теперь будет выполнено описание касательно характерного примера для управления долей магнитных силовых линий, проходящих над наружной частью цилиндрического тела.
Настоящий вариант осуществления является модификацией второго варианта осуществления и отличается от конфигурации по второму варианту осуществления только в том, что железная усиливающая распорка располагалась в качестве усиливающего элемента. Располагается железная распорка, выполненная с минимальной площадью поперечного сечения, и соответственно пленку термоузла и прижимной ролик можно удерживать с большим давлением, и это обладает преимуществом, при этом можно улучшить закрепляющую способность. Упомянутая здесь площадь поперечного сечения является поперечным сечением в направлении, перпендикулярном направлению образующей цилиндрического вращающегося элемента.
2
Фиг. 36 - схематичный вид в поперечном сечении закрепляющего устройства в соответствии с пятым вариантом осуществления. Закрепляющее устройство A включает в себя пленку 1 термоузла, служащую цилиндрическим нагревательным вращающимся элементом, направляющую 9 пленки, служащую в качестве образующего участок зажима элемента, который контактирует с внутренней поверхностью пленки 1 термоузла, металлическую распорку 23, выполненную с возможностью удержания образующего участок зажима элемента, и прижимной ролик 7, служащий в качестве элемента давления. Металлическая распорка 23 является железом с относительной магнитной проницаемостью 500, а площадь ее поперечного сечения равна 1 мм×30 мм=30 мм. Прижимной ролик 7 образует участок N зажима вместе с направляющей 9 пленки через пленку 1 термоузла. При перемещении регистрирующего материала P, который несет порошковое изображение T, с использованием участка N зажима регистрирующий материал P нагревается, чтобы закрепить порошковое изображение T на регистрирующем материале P. Прижимной ролик 7 прижимается к направляющей 9 пленки с помощью прижимающей силы общим давлением от около 10 Н до 300 Н (от около 10 до 30 кгс) за счет не проиллюстрированного опорного блока и прижимного блока. Прижимной ролик 7 приводится в движение путем вращения в направлении стрелки за счет не проиллюстрированного приводного источника, при этом крутящий момент действует на пленку 1 термоузла с помощью силы трения на участке N зажима, и пленка 1 термоузла приводится в движение и вращается. Направляющая 9 пленки также имеет функцию, служащую в качестве направляющей пленки, выполненную с возможностью направления внутренней поверхности пленки 1 термоузла, и изготавливается из полифениленсульфида (PPS), который является теплостойкой смолой или т.п. Материалы и площади поперечного сечения магнитного сердечника и цилиндрического тела такие же, как во втором варианте осуществления и соответственно при вычислении доли магнитных силовых линий, проходящих через каждую область, получаются результаты как в следующей Таблице 19.
Таблица 19Доля магнитных силовых линий в пятом варианте осуществления
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИКC
ЖЕЛЕЗНАЯ РАСПОРКА a_in
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
2,0E-04
6,0E-05
1,0E-04
2,5E-04
1,1E-06
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
500
1
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-3
628,3E-6
1,3E-6
1,3E-6
1,3E-6
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
4,5E-07
3,8E-08
1,3E-10
3,1E-10
1,4E-12
4,2E-07
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
2,2E+06
2,7E+07
8,0E+09
3,2E+09
7,0E+11
2,4E+06
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
100,0%
8,3%
0,0%
0,1%
0,0%
91,6%
В конфигурации из пятого варианта осуществления доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 91,6% и удовлетворяет условию "R1: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 70%".
Магнитная проводимость каждого компонента в пятом варианте осуществления выглядит следующим образом из Таблицы 19.
-7
Магнитная проводимость магнитного сердечника: Pc=4,5×10 Гн·м
-8
-10
-10
Магнитная проводимость в цилиндрическом теле (области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником): Pa=3,8×10+1,3×10+3,1×10 Гн·м
-12
Магнитная проводимость цилиндрического тела: Ps=1,4×10 Гн·м
Соответственно пятый вариант осуществления удовлетворяет следующему выражению отношения магнитной проводимости.
Ps+Pa≤0,30×Pc
При замене вышеупомянутых выражений магнитным сопротивлением получаются следующие выражения.
6
Магнитное сопротивление магнитного сердечника: Rc=2,2×10 1/(Гн·м)
Магнитное сопротивление в цилиндрическом теле является объединенным удельным магнитным сопротивлением Ra из магнитного сопротивления Rt железной распорки, Rf направляющей пленки и Rair воздуха в цилиндрическом теле и при использовании следующего выражения верно
<mrow><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>t</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
9
Ra=2,3×10 1/(Гн·м).
9
9
Магнитное сопротивление Rs цилиндрического тела равно Rs=3,2×10 1/(Гн·м) и соответственно объединенное магнитное сопротивление Rsa из Rs и Ra равно Rsa=2,3×10 1/(Гн·м).
Соответственно конфигурация по пятому варианту осуществления удовлетворяет следующему выражению отношения магнитного сопротивления.
0,30×Rsa≥Rc
В соответствии с вышеизложенным, закрепляющее устройство в соответствии с пятым вариантом осуществления удовлетворяет выражениям отношения магнитной проводимости (магнитного сопротивления) и соответственно может применяться в качестве закрепляющего устройства.
Фиг. 37 иллюстрирует магнитную эквивалентную схему пространства, включающего в себя магнитный сердечник, катушку, цилиндрическое тело и металлическую распорку, на единицу длины. Подход тут такой же, как и в случае по фиг. 11B и соответственно подробное описание магнитной эквивалентной схемы будет опущено. Когда магнитные силовые линии, выходящие из одного конца в продольном направлении магнитного сердечника, принимаются за 100%, 8,3% их проходит через внутреннюю часть металлической распорки и возвращается в другой конец магнитного сердечника, и соответственно магнитные силовые линии, проходящие над наружной частью цилиндрического тела, уменьшаются как раз на то количество. Эта причина будет описана с использованием направлений магнитных силовых линий и закона Фарадея со ссылкой на фиг. 38.
Закон Фарадея гласит: "При изменении магнитного поля в контуре возникает наведенная электродвижущая сила, которая пытается подать ток в контур, и наведенная электродвижущая сила пропорциональна временному изменению магнитного потока, вертикально пронизывающему контур". В случае, когда контур S располагается возле оконечного участка магнитного сердечника 2 соленоида 3, проиллюстрированного на фиг. 38, и высокочастотный переменный ток подается в катушку 3, наведенная электродвижущая сила, сформированная в контуре S, в соответствии с выражением (2) пропорциональна временному изменению магнитных силовых линий, которые вертикально пронизывают внутреннюю часть контура S, в соответствии с законом Фарадея. Другими словами, когда гораздо больше вертикальных составляющих Bfor магнитных силовых линий проходит через контур S, также увеличивается наведенная электродвижущая сила, которая будет сформирована. Однако магнитные силовые линии, проходящие через внутреннюю часть металлической распорки, становятся составляющими Bopp магнитных силовых линий, которые противоположны направлению вертикальных составляющих Bfor магнитных силовых линий в магнитном сердечнике. Когда существуют составляющие Bopp магнитных силовых линий в этом противоположном направлении, "магнитные силовые линии, вертикально пронизывающие контур", становятся разностью между Bfor и Bopp и соответственно уменьшаются. В результате этого может иметь место случай, когда электродвижущая сила уменьшается, а эффективность преобразования падает.
Соответственно, в случае расположения металлического элемента, такого как металлическая распорка, в области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником магнитная проводимость в цилиндрическом теле уменьшается путем выбора материала, имеющего небольшую относительную магнитную проницаемость, такого как аустенитная нержавеющая сталь или т.п. таким образом, чтобы удовлетворять следующим выражениям отношения магнитной проводимости. В случае необходимости расположения элемента, имеющего высокую относительную магнитную проницаемость, в области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником, магнитная проводимость в цилиндрическом теле уменьшается (магнитное сопротивление в цилиндрическом теле увеличивается) посредством как можно большего уменьшения площади поперечного сечения этого элемента так, чтобы удовлетворять следующим выражениям отношения магнитной проводимости.
Сравнительный пример 5
-4
2
Настоящий сравнительный пример отличается от описанного выше пятого варианта осуществления площадью поперечного сечения металлической распорки. В случае, когда площадь поперечного сечения больше, чем в пятом варианте осуществления, и равна 2,4×10 м, что в четыре раза больше, чем в пятом варианте осуществления, при вычислении доли магнитных силовых линий, проходящих через каждую область, результаты вычисления представлены в виде следующей Таблицы 20.
Таблица 20Доля магнитных силовых линий в сравнительном примере 5
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИКC
ЖЕЛЕЗНАЯ РАСПОРКА a_in
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ВОЗДУХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_out
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
2,0E-04
2,4E-04
1,0E-04
2,5E-04
1,1E-06
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
500
1
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-3
628,3E-6
1,3E-6
1,3E-6
1,3E-6
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
4,5E-07
1,5E-07
1,3E-10
3,1E-10
1,4E-12
3,0E-07
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
2,2E+06
6,6E+06
8,0E+09
3,2E+09
7,0E+11
3,3E+06
ДОЛЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА
%
100,0%
33,2%
0,0%
0,1%
0,0%
66,8%
В конфигурации из сравнительного примера 5 доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела равна 66,8% и не удовлетворяет условию "R1: доля магнитных силовых линий за пределами цилиндрического тела больше либо равна 70%". В это время эффективность преобразования энергии, полученная анализатором полного сопротивления, была равна 60%.
Также магнитная проводимость на единицу длины у каждого компонента в сравнительном примере 5 выглядит следующим образом из Таблицы 20.
-7
Магнитная проводимость на единицу длины магнитного сердечника: Pc=4,5×10 Гн·м
Магнитная проводимость на единицу длины в цилиндрическом теле (области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником):
-7
-10
-10
Pa=1,5×10+1,3×10+3,1×10 Гн·м
-12
Магнитная проводимость на единицу длины цилиндрического тела: Ps=1,4×10 Гн·м
Соответственно сравнительный пример 5 не удовлетворяет следующему выражению отношения магнитной проводимости.
Ps+Pa≤0,30×Pc
При замене вышеупомянутых выражений магнитным сопротивлением получаются следующие выражения.
6
Магнитное сопротивление магнитного сердечника: Rc=2,2×10 1/(Гн·м)
6
Магнитное сопротивление Ra в цилиндрическом теле (объединенное магнитное сопротивление из магнитного сопротивления Rt железной распорки, Rf направляющей пленки и Rair воздуха в цилиндрическом теле) равно Ra=6,6×10 1/(Гн·м) при вычислении из следующего выражения.
<mrow><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>t</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
11
6
Магнитное сопротивление Rs цилиндрического тела равно Rs=7,0×10 1/(Гн·м) и соответственно объединенное магнитное сопротивление Rsa из Rs и Ra равно Rsa=6,6×10 1/(Гн·м).
Соответственно, сравнительный пример 5 не удовлетворяет следующему выражению отношения магнитного сопротивления.
0,30×Rsa≥Rc
Шестой вариант осуществления
В случаях из вариантов осуществления с первого по пятый разобрано закрепляющее устройство, в котором элементы и так далее в максимальной области изображения имеют однородную конфигурацию поперечного сечения в направлении образующей цилиндрического вращающегося элемента. В шестом варианте осуществления будет выполнено описание касательно закрепляющего устройства, имеющего неоднородную конфигурацию поперечного сечения в направлении образующей цилиндрического вращающегося элемента. Фиг. 39 представляет собой закрепляющее устройство, описанное в шестом варианте осуществления. В качестве момента, отличного от конфигураций из вариантов осуществления от первого до пятого, предусматривается термочувствительный элемент 24 в (области между магнитным сердечником и цилиндрическим вращающимся элементом) цилиндрическом вращающемся элементе. Другие конфигурации являются такими же, как во втором варианте осуществления, при этом закрепляющее устройство включает в себя пленку 1 термоузла, имеющую электропроводящий слой (цилиндрический вращающийся элемент), магнитный сердечник 2 и образующий участок зажима элемент (направляющая пленки) 9.
Если мы говорим, что продольное направление магнитного сердечника 2 принимается в качестве направления оси X, то максимальная область формирования изображений является диапазоном от 0 до Lp на оси X. Например, в случае устройства формирования изображений, в котором максимальная область перемещения регистрирующего материала принимается в качестве размера LTR в 215,9 мм, Lp необходимо установить как Lp=215,9 мм. Термочувствительный элемент 24 выполняют из немагнитного материала с относительной магнитной проницаемостью 1, площадью поперечного сечения в направлении, перпендикулярном оси X, равной 5 мм × 5 мм, длиной в направлении, параллельном оси X, равной 10 мм. Термочувствительный элемент 24 располагается в положении от L1 (102,95 мм) до L2 (112,95 мм) на оси X. Теперь от 0 до L1 по X-координате будет называться областью 1, от L1 до L2, где находится термочувствительный элемент 24, будет называться областью 2, и от L2 до LP будет называться областью 3. Конфигурация поперечного сечения в области 1 иллюстрируется на фиг. 40A, а конфигурация поперечного сечения в области 2 иллюстрируется на фиг. 40B. Как проиллюстрировано на фиг. 40B, термочувствительный элемент 24 размещается в пленке 1 термоузла и соответственно становится объектом для вычисления магнитного сопротивления. Чтобы точно выполнить вычисление магнитного сопротивления, "магнитное сопротивление на единицу длины" получается отдельно для области 1, области 2 и области 3, выполняется комбинированное вычисление в соответствии с длиной каждой области, и объединенное магнитное сопротивление получается путем их сложения. Сначала магнитное сопротивление на единицу длины у каждого компонента в области 1 или области 3 иллюстрируется в следующей Таблице 21.
Таблица 21Конфигурация поперечного сечения области 1 или 3
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК C
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
1,5E-04
1,0E-04
2,0E-04
1,5E-06
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
1
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-03
1,3E-06
1,3E-06
1,3E-06
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
3,5E-07
1,3E-10
2,5E-10
1,9E-12
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
2,9E+06
8,0E+09
4,0E+09
5,3E+11
c
Магнитное сопротивление r1 на единицу длины магнитного сердечника в области 1 выглядит следующим образом.
c
6
r1=2,9×10 1/(Гн·м)
a
f
air
Теперь магнитное сопротивление r на единицу длины области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником является объединенным магнитным сопротивлением из магнитного сопротивления r на единицу длины у направляющей пленки и магнитного сопротивления r на единицу длины у воздуха в цилиндре. Соответственно это можно вычислить с использованием следующего выражения.
<mrow><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>r</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
a
s
В качестве результатов вычисления магнитное сопротивление r1 в области 1 и магнитное сопротивление r1 в области 1 выглядят следующим образом.
a
9
r1=2,7×10 1/(Гн·м)
s
11
r1=5,3×10 1/(Гн·м)
Также область 3 является такой же, как и область 1, и соответственно три типа магнитного сопротивления касательно области 3 выглядят следующим образом.
c
6
r3=2,9×10 1/(Гн·м)
a
9
r3=2,7×10 1/(Гн·м)
s
11
r3=5,3×10 1/(Гн·м)
Далее магнитное сопротивление на единицу длины у каждого компонента в области 2 иллюстрируется в следующей Таблице 22.
Таблица 22Конфигурация поперечного сечения области 2
СВОЙСТВО
ЕДИНИЦА
МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК C
НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПЛЕНКИ
ТЕРМИСТОР
ВОЗДУХ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА a_in
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ТЕЛО cy
ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
м^2
1,5E-04
1,0E-04
2,5E-05
1,72E-04
1,5E-06
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
1800
1
1
1
1
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Гн/м
2,3E-03
1,3E-06
1,3E-06
1,3E-06
1,3R-06
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
Гн·м
3,5E-07
1,3E-10
3,1E-11
2,2E-10
1,9E-12
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ
1/(Гн·м)
2,9E+06
8,0E+09
3,2E+10
4,6E+09
5,3E+11
c
Магнитное сопротивление r2 на единицу длины у каждого компонента в области 2 выглядит следующим образом.
c
6
r2=2,9×10 1/(Гн·м)
a
f
t
air
Магнитное сопротивление r на единицу длины области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником является объединенным магнитным сопротивлением из магнитного сопротивления r на единицу длины у направляющей пленки, магнитного сопротивления r на единицу длины у термистора и магнитного сопротивления r на единицу длины у воздуха в цилиндре. Соответственно, это можно вычислить с использованием следующего выражения.
<mrow><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>t</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>f</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>r</mtext><mrow><mtext>air</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
a
c
В качестве результатов вычисления магнитное сопротивление r2 на единицу длины в области 2 и магнитное сопротивление r2 на единицу длины в области 2 выглядят следующим образом.
a
9
r2=2,7×10 1/(Гн·м)
s
11
r2=5,3×10 1/(Гн·м)
a
a
a
a
Область 3 полностью идентична области 1. Отметим, что с помощью магнитного сопротивления r на единицу длины у области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником будет описана причина того, что r1=r2=r3. При вычислении магнитного сопротивления в области 2 площадь поперечного сечения термистора 24 увеличивается, а площадь поперечного сечения воздуха в цилиндрическом теле уменьшается. Однако в обоих случаях относительная магнитная проницаемость равна 1 и соответственно магнитное сопротивление является одинаковым независимо от наличия или отсутствия термистора 24. Другими словами, в случае, когда только немагнитный материал располагается в области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником, даже когда вычисление магнитного сопротивления считается так же, как и воздуха, этого достаточно для точности вычисления. Причина в том, что в случае немагнитного материала относительная магнитная проницаемость становится значением, почти приближенным к 1. Наоборот, в случае магнитного материала (никеля, железа, кремнистой стали или т.п.) желательно отдельно высчитывать область, где имеется магнитный материал, и другие области.
Интегрирование магнитного сопротивления R [А/Вб/(1/Гн)], служащего в качестве объединенного магнитного сопротивления в направлении образующей цилиндрического тела, может проводиться для магнитного сопротивления r1, r2 и r3 1/(Гн·м) каждой области следующим образом.
<mrow><mtext>R</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mtext>o</mtext><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><mtext>r1dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><mtext>r2dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>p</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><mtext>r3dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>r1(L1-0)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>r2(L2-L1)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>r3(LP</mtext><mtext> </mtext><mtext>-L2)</mtext></mrow>
Соответственно, магнитное сопротивление Rc [Гн] сердечника в сечении от одного конца максимальной области перемещения регистрирующего материала до другого конца может вычисляться следующим образом.
<mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>c</mtext></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mtext>o</mtext><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>c</mtext></msub><mtext>1dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>c</mtext></msub><mtext>2dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>p</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>c</mtext></msub><mtext>3dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>r</mtext><mtext>c</mtext></msub><mtext>1(L1-0)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>r</mtext><mtext>c</mtext></msub><mtext>2(L2-L1)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>r</mtext><mtext>c</mtext></msub><mtext>3(LP</mtext><mtext> </mtext><mtext>-L2)</mtext></mrow>
Также объединенное магнитное сопротивление Ra [Гн] области между цилиндрическим телом и магнитным сердечником в сечении от одного конца максимальной области перемещения регистрирующего материала до другого конца может вычисляться следующим образом.
<mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mtext>o</mtext><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext>1dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext>2dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>p</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext>3dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>r</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext>1(L1-0)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>r</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext>2(L2-L1)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>r</mtext><mtext>a</mtext></msub><mtext>3(LP</mtext><mtext> </mtext><mtext>-L2)</mtext></mrow>
Объединенное магнитное сопротивление Rs [Гн] цилиндрического тела в сечении от одного конца максимальной области перемещения регистрирующего материала до другого конца может вычисляться следующим образом.
<mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mtext>o</mtext><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>s</mtext></msub><mtext>1dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>s</mtext></msub><mtext>2dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>p</mtext></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mtext>r</mtext><mtext>s</mtext></msub><mtext>3dl</mtext></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>r</mtext><mtext>s</mtext></msub><mtext>1(L1-0)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>r</mtext><mtext>s</mtext></msub><mtext>2(L2-L1)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>r</mtext><mtext>s</mtext></msub><mtext>3(LP</mtext><mtext> </mtext><mtext>-L2)</mtext></mrow>
Результаты вышеприведенных вычислений, выполненных в каждой области, будут проиллюстрированы в следующей Таблице 23.
Таблица 23Результаты интегрированного вычисления магнитной проводимости в каждой области
ОБЛАСТЬ 1
ОБЛАСТЬ 2
ОБЛАСТЬ 3
ОБЪЕДИНЕННОЕ МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
НАЧАЛЬНАЯ ТОЧКА ИНТЕГРИРОВАНИЯ, мм
0
102,95
112,95
КОНЕЧНАЯ ТОЧКА ИНТЕГРИРОВАНИЯ, мм
102,95
112,95
215,9
РАССТОЯНИЕ, мм
102,95
10
102,95
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ pc, Гн·м
3,5E-07
3,5E-07
3,5E-07
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ rc, 1/(Гн·м)
2,9E+06
2,9E+06
2,9E+06
ИНТЕГРИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ rc [А/Вб (1/Гн)]
3,0E+08
2,9E+07
3,0E+08
6,2E+08
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ pa, Гн·м
3,7E-10
3,7E-10
3,7E-10
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ ra, 1/(Гн·м)
2,7E+09
2,7E+09
2,7E+09
ИНТЕГРИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ra [ампер/Вб (1/Гн)]
2,8E+11
2,7E+10
2,8E+11
5,8E+11
МАГНИТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ ps, Гн·м
1,9E-12
1,9E-12
1,9E-12
МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ЕДИНИЦУ ДЛИНЫ rs, 1/(Гн·м)
5,3E+11
5,3E+11
5,3E+11
ИНТЕГРИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ rs [ампер/Вб (1/Гн)]
5,4E+13
5,3E+12
5,4E+13
1,1E+14
Rc, Ra и Rs выглядят следующим образом из вышеприведенной Таблицы 23.
8
Rc=6,2×10 [1/Гн]
11
Ra=5,8×10 [1/Гн]
14
Rs=1,1×10 [1/Гн]
Объединенное магнитное сопротивление Rsa из Rs и Ra может вычисляться с помощью следующего выражения.
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>sa</mtext></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mo>×</mo><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>a</mtext></msub><mo>+</mo><msub><mtext>R</mtext><mtext>s</mtext></msub></mrow></mfrac></mtd></mtr></mtable>
11
В соответствии с вышеприведенными вычислениями получается Rsa=5,8×10 [1/Гн] и соответственно выполняется следующее выражение отношения.
0,30×Rsa≥Rc
Таким образом, в случае закрепляющего устройства, имеющего неоднородную форму поперечного сечения в направлении образующей цилиндрического вращающегося элемента, желательно, чтобы магнитный сердечник разделялся на множественные области в направлении образующей цилиндрического вращающегося элемента, при этом магнитное сопротивление вычисляется для каждой такой области, и, в конечном счете, из них вычисляются объединенные магнитная проводимость или магнитное сопротивление. Однако в случае, когда элементом для обработки является немагнитный материал, магнитная проницаемость является практически такой же, как магнитная проницаемость воздуха, и соответственно она может вычисляться с помощью рассмотрения этого элемента как воздуха. Далее будут описаны компоненты, которые нужно вычислить. В отношении компонента, расположенного в цилиндрическом вращающемся элементе (в электропроводящем слое, например, области между цилиндрическим вращающимся элементом и магнитным сердечником), и, по меньшей мере, части, которая включается в максимальные области перемещения (от 0 до Lp) регистрирующего материала, нужно вычислить магнитную проводимость или магнитное сопротивление. Наоборот, в отношении элемента, расположенного за пределами цилиндрического вращающегося элемента, магнитную проводимость или магнитное сопротивление вычислять не нужно. Причина в том, как описано выше, что в соответствии с законом Фарадея наведенная электродвижущая сила пропорциональна временному изменению магнитных силовых линий, которые вертикально пронизывают контур, и не имеет отношения к магнитным силовым линиям за пределами контура. Также элемент, расположенный за пределами максимальной области перемещения регистрирующего материала в направлении образующей цилиндрического вращающегося элемента, не оказывает влияния на тепловыделение цилиндрического вращающегося элемента (электропроводящего слоя), и его не нужно вычислять.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми примерными вариантами осуществления. Объем следующей формулы изобретения должен соответствовать самой широкой интерпретации с тем, чтобы охватывать все такие модификации и равноценные конструкции и функции.
Данная заявка испрашивает приоритет заявки на патент Японии № 2012-137892, поданной 19 июня 2012 г., и № 2013-122216, поданной 10 июня 2013 г., которые настоящим включены в данную заявку посредством ссылки во всей своей полноте.