減小磁芯中的聲噪的方法和具有減小的聲噪的磁芯的製作方法

2023-06-11 01:50:46

減小磁芯中的聲噪的方法和具有減小的聲噪的磁芯的製作方法
【專利摘要】本發明涉及具有減小的聲噪的非晶合金基磁芯以及用於製造發出低聲噪的非晶合金基磁芯的方法，該方法包括：在磁芯的芯柱上放置多層高強度磁帶，其中，該磁帶具有高拉伸強度、高介電強度以及高使用溫度，由此可降低聲噪水平。在最佳條件下操作時，與覆蓋有樹脂的相同尺寸的磁芯相比，減小水平的聲噪小6至10dB。
【專利說明】減小磁芯中的聲噪的方法和具有減小的聲噪的磁芯
【技術領域】
[0001]本發明的實施例涉及減小從諸如變壓器鐵芯之類的基於非晶磁性材料的磁芯中發出的聲噪的方法。其他實施例涉及具有減小的聲噪的磁芯。
【背景技術】
[0002]鐵基非晶合金條帶表現出優良的軟磁特性(包括AC激勵下的低磁芯損耗)，從而發現其可應用於諸如變壓器、電動機、發電機、包括脈衝功率生成器的能量管理裝置以及磁性傳感器之類的高能效磁性裝置。在這些裝置中，優選使用具有高飽和磁感應強度和低磁芯損耗的非晶鐵磁性材料。儘管已在鐵基非晶合金中實現了這些特性，但是它們的磁致伸縮值往往稍微高於傳統的晶體鐵-矽合金的磁致伸縮值。磁致伸縮是磁性材料的一種固有特性，且由當上述材料從其剩磁狀態被磁化時的尺寸變化來表徵。在磁性材料沿著磁化方向膨脹時，此現象被稱為正磁致伸縮。當磁性材料在磁化後收縮時，此現象被稱為負磁致伸縮。在任何一種情況下，該材料在AC激勵下發生機械振動。因此，當在處於AC激勵下的磁芯中使用這種材料時，磁芯會發出聲音。一個示例是來自配電變壓器中的常見的嗡嗡音。由於居民區中人口密度的不斷增加，變壓器的噪音成為問題。由於材料的磁致伸縮由其化學成分以及原子或晶體結構決定，因此，通過基於給定磁芯材料的磁芯的設計和製造，可以控制磁芯中的聲音水平。因而，必須優化基於非晶磁性材料的磁芯的設計和製造，以實現其最低聲音水平，這是根據本發明實施例的一個方面。
[0003]由於需要快速固化熔化合金，上述第[0002]段中提到的非晶鐵基合金被鑄造成條帶形式。市售的非晶磁帶的厚度範圍為大約15 μ m至大約50 μ m。在纏繞相對薄的磁條帶以形成大尺寸的磁芯時，必須對磁芯的側面進行機械加固，以保持其機械完整性。這即是在將磁芯用作配電變壓器磁芯時的情況，其中該磁芯具有實體切口，以便能夠將變壓器電導體繞組插入該磁芯中。例如，美國專利第4，734，975號(下文中稱為』975專利)描述了通過使用環氧樹脂來覆蓋變壓器磁芯的側面以機械地加固磁芯的方法。目前，該方法在多種基於非晶合金磁條帶的變壓器中使用。然而，在固化樹脂期間，由於磁芯材料和樹脂之間的熱膨脹係數差異而在磁芯的側面產生機械應力，這增加了磁芯的磁性損耗以及激勵功率。進而，這又導致變壓器的聲噪的增加。因此，必須減輕這種效應，這是根據本發明實施例的另一方面。本發明的其他方面是尋找環保的磁芯加固材料。目前，雖然所使用的諸如環氧樹脂之類的聚合物塗覆材料與金屬磁芯牢固地粘合，但是當在再循環利用期間再次熔化磁芯時將產生有害氣體，這種情況需要被緩解。

【發明內容】

[0004]根據本發明的各個方面，一種用於減小非晶合金基磁芯中的低聲噪的方法包括:提供以矩形形狀布置並具有四個芯柱的磁芯，所述磁芯具體包括第一芯柱、與所述第一芯柱相對且具有切割條帶重疊部分的第二芯柱、第三芯柱、以及與所述第三芯柱相對的第四芯柱；在所述第三芯柱和所述第四芯柱的各側上放置多個非重疊的高強度磁帶，其中，所述高強度磁帶表現出高機械強度、高介電強度以及高使用溫度；在所述第三芯柱和所述第四芯柱上螺旋地纏繞第一層的重疊的高強度磁帶；在所述第一芯柱的上表面上沿與所述第一芯柱長度平行的方向放置第二層的重疊的高強度磁帶；在所述第一芯柱的上表面上沿與所述第一芯柱長度垂直的方向放置第三層的重疊的高強度磁帶；在所述第一芯柱的下表面上沿與所述第一芯柱長度平行的方向放置第四層的重疊的高強度磁帶；並且在所述第一芯柱的下表面上沿與所述第一芯柱長度垂直的方向放置第五層的重疊的高強度磁帶，其中，所述磁芯具有從所述磁芯中發出的減小水平的聲噪。
[0005]根據本發明的一方面，該方法還包括:在配電變壓器中的所述磁芯的操作期間，使所述第一芯柱的未纏繞磁帶的部分、所述第二芯柱的未纏繞磁帶的部分、所述第三芯柱的未纏繞磁帶的部分或所述第四芯柱的未纏繞磁帶的部分暴露於變壓器冷卻媒介，以確保磁芯冷卻。
[0006]根據本發明的一方面，所述第一層的重疊的高強度磁帶、所述第二層的重疊的高強度磁帶、所述第三層的重疊的高強度磁帶、所述第四層的重疊的高強度磁帶以及所述第五層的重疊的高強度磁帶中的每層向所述磁芯提供機械強度。
[0007]根據本發明的一方面，所述磁芯能夠在高達155°C下操作，並且所述高強度磁帶具有超過250N/cm的拉伸強度以及超過3000伏特的介電強度，所述高強度磁帶具有良好的抗擊穿性、抗撕裂性和抗熱老化性。
[0008]根據本發明的一方面，所述磁芯被卷繞有非晶磁帶或磁條帶，並且，所述磁條帶是從它的合金的熔化狀態快速鑄造而成的。
[0009]根據本發明的一方面，纏繞有多層高強度磁帶的所述磁芯發出的聲功率接近於由未纏繞磁帶的相同尺寸的磁芯產生的聲功率。
[0010]根據本發明的一方面，所述磁芯的減小水平的聲噪比相同尺寸的覆蓋有樹脂的磁芯小6至10dB。根據本發明的另一方面，在再次熔化所述磁芯以回收利用時，能夠移除各層的高強度磁帶。
[0011]根據本發明的其他方面，一種具有減小的聲噪的非金合金基磁芯包括:具有四個芯柱的矩形磁芯，所述第四芯柱包括第一芯柱、與所述第一芯柱相對且具有切割條帶重疊部分的第二芯柱、第三芯柱、以及與所述第三芯柱相對的第四芯柱；在所述第三芯柱和所述第四芯柱的各側上放置的多個非重疊的高強度磁帶，其中，所述高強度磁帶表現出高機械強度、高介電強度以及高使用溫度；螺旋地纏繞在所述第三芯柱和所述第四芯柱上的第一層的重疊的高強度磁帶；在所述第一芯柱的上表面上沿與所述第一芯柱的長度平行的方向放置的第二層的重疊的高強度磁帶；在所述第一芯柱的上表面上沿與所述第一芯柱的長度垂直的方向放置的第三層的重疊的高強度磁帶；在所述第一芯柱的下表面上沿與所述第一芯柱的長度平行的方向放置的第四層的重疊的高強度磁帶；以及在所述第一芯柱的下表面上沿與所述第一芯柱的長度垂直的方向放置的第五層的重疊的高強度磁帶，其中，所述磁芯具有從所述磁芯發出的減小水平的聲噪。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]當參考下面對實施例的詳細說明以及附圖時將更全面地理解本發明，且本發明的其他優點也將變得明顯，其中:圖1A為在經過任何纏繞操作之前的磁芯的立體圖。
圖1B為經過使用高強度磁帶的纏繞操作「a」之後的磁芯的立體圖。
圖1C為經過纏繞操作「b」之後的磁芯的立體圖。
圖1D為經過纏繞操作「c」之後的磁芯的立體圖。
圖1E為經過纏繞操作「d」之後的磁芯的立體圖；
圖1F為經過纏繞操作「e」之後的磁芯的立體圖。
圖2A為經過纏繞操作「f」之後的磁芯的立體圖。
圖2B為經過纏繞操作「g」之後的磁芯的立體圖。
圖2C為經過纏繞操作「h」之後的磁芯的立體圖。
圖2D為經過纏繞操作「i」之後的磁芯的立體圖。
圖2E為經過纏繞操作「j」之後的磁芯的立體圖。 圖3是根據圖1A至圖1F中以及圖2A至圖2F中的纏繞操作的由絕緣高強度磁帶纏繞的磁芯的圖片，其示出了右側的芯柱10、前側的芯柱12以及左側的芯柱14 ;並且描繪了整個芯柱10以及芯柱12和芯柱14的未經磁帶纏繞的作為磁芯冷卻導管的部分；
圖4是示出了在60Hz的激勵下從基於Metglas? 2605SA1合金的由絕緣高強度磁帶纏繞的磁芯中發出的聲音功率與磁感應強度的相關性的曲線圖。
圖5是示出了在60Hz的激勵下從基於Metgks? 2605SHB ! M合金的由絕緣高強度磁帶纏繞的磁芯中發出的聲音功率與磁感應強度的相關性的曲線圖。
【具體實施方式】
[0013]在下文中將參考附圖進一步解釋本發明的實施例。
[0014]可如美國專利第4，142，571號中所述，通過開槽噴嘴將熔化的合金噴射在旋轉的冷鐵體表面，來製備非晶合金條帶。該條帶的厚度範圍為大約15 μ m至大約50 μ m，寬度範圍為大約25mm至大約210mm。將經鑄造的條帶或被撕裂成給定寬度的條帶卷繞成磁芯。在某些情況下，例如在配電變壓器中，磁芯具有間隙，使得磁芯在一部分處開口，以便將電導體線圈插入到磁芯中。之後，卷繞的磁芯受到熱處理，以獲得所預想的磁特性。
[0015]圖1A示出了經熱處理的磁芯的一個此類示例，其中，如圖所示，磁芯100具有芯柱
10、12、13、14以及位於一個芯柱10上的切割條帶重疊部分11。切割條帶重疊部分11是需要的，以允許通過使切割條帶重疊部分開口而將變壓器線圈插入到磁芯中。如圖1B中的纏繞操作「a」所示，在磁芯的各側面上放置高強度磁帶20。如圖1C中的纏繞操作「b」所示，在芯柱12周圍纏繞另一層磁帶30。如圖1D中的纏繞操作「c」所示，磁帶30螺旋地卷繞在磁柱12上，並覆蓋整個磁柱。磁帶的條數以及它們的長度和寬度由磁芯的尺寸決定。在芯柱13上重複操作「C」，以作為圖1E中所示的纏繞操作「d」。在纏繞操作「e」中，如圖1F中所示，將另一層磁帶40纏繞在不具有切割條帶重疊部分的芯柱14上。如圖2A所示，在纏繞操作「f」中，以重疊方式將磁帶40放置成與芯柱14平行。在纏繞操作「g」中，另一層磁帶50放置在磁帶40上方，並且與芯柱12和13平行，從而到達纏繞操作「h」。在纏繞操作「i」和「j」中重複纏繞操作「f」 「g」 「h」，由此可形成磁芯100的在芯柱14的磁芯側與芯柱12和13的一部分之間未纏繞磁帶的部分。未纏繞磁帶的磁芯部分例如通過在配電變壓器中的磁芯的操作期間被暴露於變壓器冷卻媒介而用作磁芯冷卻管。在完成纏繞操作「j」後，最終形成的纏繞磁帶磁芯具有如圖3所示的外觀。
[0016]根據本發明實施例的用於減小磁芯中的聲噪的方法包括以下操作:提供以矩形形狀布置且具有四個芯柱的磁芯，該磁芯具體地包括第一芯柱14、與第一芯柱相對且具有切割條帶重疊部分11的第二芯柱10、第三芯柱12以及與第三芯柱相對的第四芯柱13 ;在第三芯柱和第四芯柱的側面放置多個非重疊高強度磁帶20，其中，高強度磁帶表現出高機械強度、高介電強度以及高使用溫度；在第三芯柱和第四芯柱上螺旋地纏繞第一層的重疊的高強度磁帶30 ;在第一芯柱的上表面上沿與第一芯柱長度平行的方向放置第二層的重疊的高強度磁帶40 ;在第一芯柱的上表面上沿與第一芯柱長度垂直的方向放置第三層的重疊的高強度磁帶50 ;在第一芯柱的下表面上沿與第一芯柱長度平行的方向放置第四層的重疊的高強度磁帶40 ;以及在第一芯柱的下表面上沿與第一芯柱長度垂直的方向放置第五層的重疊的高強度磁帶50，其中，該磁芯具有從磁芯中發出的減小的聲噪水平。
[0017]可用於本發明實施例的高強度磁帶具有高拉伸強度並表現出諸如良好的抗擊穿性、抗撕裂性和抗熱老化性等優良特性，並且具有高介電強度。就拉伸強度而言，磁帶具有250N/cm以上的高拉伸強度。就介電強度而言，具有3000伏特以上，或優選地5000伏特以上的介電強度的磁帶是很有效的。
[0018]一般而言，與僅覆蓋有樹脂的磁芯相比，使用高強度磁帶來卷繞磁芯可使磁芯中發出的聲噪減小了大約6dB到IOdB的範圍。
[0019]根據本發明實施例的具有減小的聲噪的磁芯包括:具有四個芯柱(第一芯柱14、與第一芯柱相對且具有切割條帶重疊部分11的第二芯柱10、第三芯柱12以及與第三芯柱相對的第四芯柱13 ;在第三芯柱和第四芯柱的側面放置的多個非重疊高強度磁帶20，其中，高強度磁帶表現出高機械強度、高介電強度以及高使用溫度)的矩形形狀磁芯；在第三芯柱和第四芯柱上螺旋地纏繞的第一層的重疊的高強度磁帶30 ;在第一芯柱的上表面上沿與第一芯柱長度平行的方向放置的第二層的重疊的高強度磁帶40 ;在第一芯柱的上表面上沿與第一芯柱長度垂直的方向放置的第三層的重疊的高強度磁帶50 ;在第一芯柱的下表面上沿與第一芯柱長度平行的方向放置的第四層的重疊的高強度磁帶40;以及在第一芯柱的下表面上沿與第一芯柱長度垂直的方向放置的第五層的重疊的高強度磁帶50，其中，該磁芯具有從磁芯中發出的減小的聲噪水平。
[0020]為了建立從磁芯中發出的與磁特性相關的聲噪的比較參考的基線，構建了與圖1A中的物體100具有相同尺寸的磁芯。接著，按照美國專利』 975的教示，磁芯受到熱處理以實現它們的最優磁性能，並且在它們的側面上覆蓋環氧樹脂。
[0021]通過ASTM標準A912中指定的方法來測試第[0013]至[0019]段中描述的磁芯。
[0022]接著，根據IS03744標準，在商用聲學實驗室中，針對聲功率對第[0014]至[0019]段中的磁芯進行聲噪測試。在以下示例中給出測試的細節。
示例I
[0023]對基於市售的非晶合金Metglas? 2605SA1的磁芯進行聲噪測試。在表格I中總結了測試結果，其中，在由不同方式製備的磁芯之間比較聲噪，其中在60Hz下以1.0-1.50T的感應強度水平激勵這些磁芯。
表1.從纏繞磁帶磁芯、覆蓋(粘合)有環氧樹脂的磁芯以及裸露磁芯中發出的聲功率
【權利要求】
1.一種用於減小非晶合金基磁芯的低聲噪的方法，其包括: 提供以矩形形狀布置並具有四個芯柱的磁芯，所述磁芯具體包括第一芯柱、與所述第一芯柱相對且具有切割條帶重疊部分的第二芯柱、第三芯柱、以及與所述第三芯柱相對的第四芯柱； 在所述第三芯柱和所述第四芯柱的各側上放置多個非重疊的高強度磁帶，其中，所述高強度磁帶表現出高機械強度、高介電強度以及高使用溫度； 在所述第三芯柱和所述第四芯柱上螺旋地纏繞第一層的重疊的高強度磁帶； 在所述第一芯柱的上表面上沿與所述第一芯柱長度平行的方向放置第二層的重疊的高強度磁帶； 在所述第一芯柱的上表面上沿與所述第一芯柱長度垂直的方向放置第三層的重疊的高強度磁帶； 在所述第一芯柱的下表面上沿與所述第一芯柱長度平行的方向放置第四層的重疊的高強度磁帶；並且 在所述第一芯柱的下表面上沿與所述第一芯柱長度垂直的方向放置第五層的重疊的高強度磁帶，所述磁芯具有從所述磁芯中發出的減小水平的聲噪。
2.如權利要求1所述的方法，其還包括:在配電變壓器中的所述磁芯的操作期間，使所述第一芯柱的未纏繞磁帶的部分、所述第二芯柱的未纏繞磁帶的部分、所述第三芯柱的未纏繞磁帶的部分或所述第 四芯柱的未纏繞磁帶的部分暴露於變壓器冷卻媒介，以確保磁芯冷卻。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一層的重疊的高強度磁帶、所述第二層的重疊的高強度磁帶、所述第三層的重疊的高強度磁帶、所述第四層的重疊的高強度磁帶以及所述第五層的重疊的高強度磁帶中的每層向所述磁芯提供機械強度。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述磁芯能夠在高達155°C下操作，並且所述高強度磁帶具有超過250N/cm的拉伸強度以及超過3000伏特的介電強度，所述高強度磁帶具有良好的抗擊穿性、抗撕裂性和抗熱老化性。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述磁芯被卷繞有非晶磁帶或磁條帶，並且，所述磁條帶是從它的合金的熔化狀態快速鑄造而成的。
6.如權利要求1所述的方法，其中，纏繞有多層高強度磁帶的所述磁芯發出的聲功率接近於由未纏繞磁帶的相同尺寸的磁芯產生的聲功率。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述磁芯的減小水平的聲噪比相同尺寸的覆蓋有樹脂的磁芯小6至10dB。
8.如權利要求1所述的方法，其中，在再次熔化所述磁芯以回收利用時，能夠移除各層的高強度磁帶。
9.一種具有減小的聲噪的非金合金基磁芯，其包括: 具有四個芯柱的矩形磁芯，所述第四芯柱包括第一芯柱、與所述第一芯柱相對且具有切割條帶重疊部分的第二芯柱、第三芯柱、以及與所述第三芯柱相對的第四芯柱； 在所述第三芯柱和所述第四芯柱的各側上放置的多個非重疊的高強度磁帶，其中，所述高強度磁帶表現出高機械強度、高介電強度以及高使用溫度； 螺旋地纏繞在所述第三芯柱和所述第四芯柱上的第一層的重疊的高強度磁帶；在所述第一芯柱的上表面上沿與所述第一芯柱的長度平行的方向放置的第二層的重置的聞強度磁帶； 在所述第一芯柱的上表面上沿與所述第一芯柱的長度垂直的方向放置的第三層的重置的聞強度磁帶； 在所述第一芯柱的下表面上沿與所述第一芯柱的長度平行的方向放置的第四層的重置的聞強度磁帶；以及 在所述第一芯柱的下表面上沿與所述第一芯柱的長度垂直的方向放置的第五層的重置的聞強度磁帶， 其中，所述磁芯具有從所述磁芯發出的減小水平的聲噪。
10.如權利要求9所述的磁芯，其中，在配電變壓器中的所述磁芯的操作期間，所述磁芯的未纏繞磁帶的部分被暴露於變壓器冷卻媒介，以確保磁芯冷卻。
11.如權利要求9所述的磁芯，其中，所述第一層的重疊的高強度磁帶、所述第二層的重疊的高強度磁帶、所述第三層的重疊的高強度磁帶、所述第四層的重疊的高強度磁帶以及所述第五層的重疊的高強度磁帶中的每層向所述磁芯提供機械強度。
12.如權利要求9所述的磁芯，其中，所述磁芯能夠在高達155°C下操作，並且所述高強度磁帶具有超過250N/cm的拉伸強度以及超過3000伏特的介電強度，所述高強度磁帶具有良好的抗擊穿性、抗撕裂性和抗熱老化性。
13.如權利要求9所述的磁芯，其中，所述磁芯被卷繞有非晶磁帶或磁條帶，並且，所述磁條帶是從它的合金的熔化狀態快速鑄造而成的。
14.如權利要求9所述的磁芯，其中，纏繞有多層高強度磁帶的所述磁芯發出的聲功率接近於由未纏繞磁帶的相同尺寸的磁芯產生的聲功率。
15.如權利要求9所述的磁芯，其中，所述磁芯的減小水平的聲噪比相同尺寸的覆蓋有樹脂的磁芯小6至10dB。
16.如權利要求9所述的磁芯，其中，在再次熔化所述磁芯以回收利用時，能夠移除各層的高強度磁帶。
【文檔編號】H01F27/24GK103946933SQ201280053060
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年10月25日 優先權日:2011年10月28日
【發明者】馬克·羅伯特·哥倫布, 羅伯特·布朗, 肯戈·塔卡哈斯, 留蘇克·哈塞戛瓦 申請人:梅特格拉斯公司