帶有非晶鐵基芯的電流互感器的製作方法
2023-07-07 15:07:31 2
專利名稱：帶有非晶鐵基芯的電流互感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於電源配電系統、電源、電磁機器等的互感器，尤其涉及用於精確測量電流的電流互感器，其中芯材料(core material)與勵磁水平成線性關係。
背景技術：
直接測量流過導電介質例如銅線的電流，尤其是在介質中的電流值和電壓很高時，不是很簡單的事。直接測量法包括基於電流流動產生的渦流的傳統的電度表、使用其低電流流動部分由精確的電阻器組成的分流器以及檢測電流流動產生的磁場變化的磁通量測量儀。所有這些技術都有缺陷。例如，作為傳統電度表的基礎的渦流尤其是在要測量的電流包含比基本電流頻率更高的諧波時更不精確。在電流線電壓很高時分流器很危險。磁通量測量儀被廣泛應用，其中，用霍爾效應傳感器或傳感線圈檢測電流產生的磁通。在這兩種情況中，通常使用具有高導磁率的磁通集中器(flux concentrator)以提高靈敏度。為了得到高精確度，不得不使導磁率具有以下特徵，使得磁通集中器中產生的磁通量正比於被測量的電流產生的磁場。這種磁性集中器是通常的具有高線性B-H特性的軟磁性材料，其中B是磁通密度，H是垂直於磁通方向流動的電流產生的磁場。
通常在其材料的易磁化軸垂直於勵磁方向的軟磁性材料中得到線性B-H特性。在這種材料中，外部磁場H會使磁通B的平均方向傾斜，從而使測量的量B與H成比例。由於磁場H與要測量的電流成比例，因此磁通B正比於電流。但是，大多數磁性材料具有非線性B-H特性，而且很難得到理想的線性B-H特性。任何偏離理想的B-H線性都將導致使用磁通測量儀測量電流時的不精確。
顯示線性B-H特性的一個磁性材料的經典例子是所謂的恆導磁率坡莫合金的冷軋50％Fe-Ni合金。在非晶磁性合金中，已知熱處理的富Co合金可以提供線性B-H特性，並且現在正用於電流互感器中的磁芯材料。富Co非晶合金通常具有低於大約10kG或1特斯拉的飽和感應，這限制了可測量的最大電流值。除此之外，由於採用大量Co來形成合金，因此，這些合金很昂貴。顯然需要表現出線性B-H特性，飽和感應大於10kG(1特斯拉)而且便宜的合金。
1974年12月24日授權給Chen和Polk的美國專利3856513公開了非晶金屬合金。這些合金包括具有表達式MaYbZc的化合物，其中M是從鐵、鎳、鈷、釩和鉻組成的組中選出的金屬，Y是從磷、硼和碳組成的組中選出的元素，Z是從鋁、矽、錫、鍺、銦、銻和鈹組成的組中選出的元素，「a」的範圍是從大約60到90原子％，「b」的範圍是從大約10到30原子％，「c」的範圍是從大約0.1到15原子％。還公開了具有表達式TiXj非晶金屬線，其中T是至少一種過渡金屬，X是從磷、硼、碳、鋁、矽、錫、鍺、銦、鈹和銻組成的組中選出的元素，「i」的範圍是從大約70到87原子％，「j」的範圍是從大約13到30原子％。通過用現有技術中公知的加工技術從熔體快淬可以方便地製備這種材料。
這些公開的內容提到了對於很多非晶金屬合金來說不常用或獨特的磁性能，其內容在此進行概述和限定。但是，為了特定的應用例如電流/電壓互感器，需要具有線性BH特性並且飽和感應大於約10kG(1特斯拉)的組合特性的非晶金屬合金。
發明內容
本發明提供了一種尤其適用於電流互感器的磁芯。有利地，該芯具有不隨施加的磁場和使用的頻率而變化的線性B-H特性。通常，該芯具有卷繞鐵基非晶合金帶形成的環形結構。此後，熱處理該芯以得到線性B-H特性。該鐵基非晶合金帶是通過快淬熔液生產的，並且具有基本由約70-87原子％鐵和約13-30原子％選自硼、矽和碳組成的元素組成的組合物，其中高達約20原子％的鐵被鈷代替，高達3原子％的鐵被鎳、錳、釩、鈦或鉬代替。
在一個實施例中，本發明包括芯-線圈組件。具有兩個引線的銅線圈纏繞在環形芯上。這兩個引線連接到電壓表上。銅線插入在芯的中心ID部分中或纏繞在芯上並連接到電流源。提供用於改變電流源的輸出電流的裝置以及提供監測電壓表讀出值的裝置，從而確保讀出值與從電流源提供的電流成正比。
當參考下述詳細說明和附圖時，將更充分地理解本發明並且其優點也將進一步變得明顯，在所有的幾個附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件，其中圖1是表示本發明非晶Fe基芯和由非晶Co基合金構成的現有技術的芯的B-H特性圖；圖2是表示作為頻率函數的本發明非晶Fe基芯的導磁率的曲線；圖3是表示本發明非晶Fe基芯在不施加磁場時在420℃下熱處理6.5小時後的B-H特性曲線；圖4是表示本發明電流互感器的透視圖；圖5是表示圖4的電流互感器的輸出電壓的圖。
具體實施例方式
鐵基非晶合金帶纏繞為環形以形成磁芯。然後在磁場和不在磁場下在爐子中熱處理該芯。然後用市售的BH磁滯回線記錄儀檢測芯以確定線性B-H關係，其中B和H分別表示磁感應強度和磁場。該鐵基非晶合金帶通過快淬熔液生產，並且具有基本由約70-87原子％鐵和約13-30原子％選自硼、矽和碳組成的元素組成的組合物，其中高達約20原子％的鐵被鈷代替，高達3原子％的鐵被鎳、錳、釩、鈦或鉬代替。
圖1比較根據本發明的非晶Fe基芯和現有技術的Co基芯，本發明的非晶Fe基芯在垂直於環形芯的圓周方向上施加200的磁場下在400℃下熱處理了10小時。伴隨磁感應強度和磁通量從-12kG(-1.2T)變到+12kG(+1.2T)，在施加的-15Oe(-1200A/m)和+15Oe(+1200A/m)的磁場內，本發明芯的B-H特性是線性的。另一方面，現有技術的Co基芯的線性B-H區域限制在磁通從-7kG到+7kG變化的範圍內，這限制了電流測量能力。線性B-H特性表示由B/H定義的線性導磁率。圖2示出本發明非晶Fe基芯的導磁率是常數，一直到約1000kHz或1MHz的頻率。這意味著在高達約1000kHz的整個頻率範圍內，本發明電流互感器的精確度都維持在確定的值。
在小於3Oe(240A/m)的外部磁場下部分晶化的Fe基非晶合金芯中的線性B-H特性如圖3所示。在這種情況下，熱處理過程中的磁場是可選的。這種芯提供感應低電流值的電流互感器。
圖4示出根據本發明電流互感器的例子，其中該互感器由非晶Fe基芯1、50-150匝的銅線圈2和載流線3組成。銅線圈的兩個引線連接到電壓表4。載流線3中的電流由電流源5提供。在圖5中標出了飽和感應為1特斯拉的非晶Fe-B-Si-C基芯(曲線A)和飽和感應為1.56特斯拉的非晶Fe-B-Si基芯(曲線A)的利用電壓表4測得的輸出電壓。在銅線圈中測量的電流和輸出電壓之間保持線性對於電流監測的精確度是重要的。
給出隨後的例子提供對本發明更完整的理解。給出的用於說明本發明的原則和實施的具體技術、條件、材料、比例和給出的數據都是示例性的，不應該理解為局限本發明的範圍。
例子例子1-樣品製備根據美國專利3856513中Chen等教導的技術以大約106K/s的冷卻速度快淬熔液得到非晶合金。通過x射線衍射(用Cu-Kα射線)和差示掃描量熱法，確定了得到的典型的10到30μm厚和約1cm到約20cm寬的條帶沒有大規模的晶化。以條帶的形式，該非晶合金強度好、有光澤、堅硬並有延展性。
這樣生產的條帶分割成更窄的條帶，依次地，這些更窄的條帶纏繞成不同大小的環形。這種環形芯在磁場下或不在磁場下在爐子中用300到450℃的溫度進行熱處理。在熱處理期間施加磁場時，磁場的方向沿著圓環的圓周方向的橫向。典型的磁場強度為50-2000Oe(4000-160000A/m)。
例子2-磁性測量在傳統的磁滯回線記錄儀中檢測根據例子1製備的環形芯以得到類似於圖4的芯的B-H特性。其中的一個環形芯的尺寸為OD＝13.9mm，ID＝9.5mm，高＝4.8mm，而另外一個環形芯的尺寸為OD＝25.5mm，ID＝16.5mm，高＝9.5mm。在環形芯上測量作為直流偏壓(dc bias)磁場和頻率的函數的由B/H定義的導磁率，結果如圖2所示的曲線。將50-150匝的銅線線圈應用在環形芯上以製造電感器。
例子3-電流測量根據例子2製造的電感器如圖4連接到電壓表。銅線插入到電感器ID(內部直徑)部分中，並且通過電流源提供60Hz電流。測量作為電流源提供的電流的函數的電感器輸出電壓。圖5是其中的一個例子。
這樣，更詳細地說明了本發明，可以理解的是不需要嚴格按照這些詳細內容，對於本領域技術人員來說，可以對其進行各種變化和調整，這些都落在附屬的權利要求限定的本發明範圍內。
權利要求
1.一種具有線性B-H特性的磁芯，它不隨施加的磁場和使用的頻率的值而變化。
2.如權利要求1所述的磁芯，基本由飽和感應至少為大約10kG(1特斯拉)的非晶鐵基合金組成。
3.如權利要求2所述的磁芯，其中所述合金切割成條帶並進行纏繞以製造所述芯。
4.權利要求3所述的磁芯，具有選自環形、方形、矩形和三角形的結構。
5.包括如權利要求4所述的磁芯的電感器，具有銅線圈。
6.如權利要求5所述的電感器，在所述芯上還包括附加的銅線線圈。
7.如權利要求5所述的電感器，還包括附加的銅線，該附加的銅線是插入在所述芯的中空的幾何中心部分中的。
8.包括權利要求6的電感器的電流互感器，其中該附加線承載將被檢測和精確測量的電流。
9.包括權利要求7的電感器的電流互感器，其中該附加線承載將被檢測和精確測量的電流。
10 如權利要求8所述的電流互感器，該電流互感器用於精確測量所述附加線中的電流並具有輸出電壓，該輸出電壓適用於通過電壓表進行測量。
11.如權利要求9所述的電流互感器，該電流互感器用於精確測量所述附加線中的電流並具有輸出電壓，該輸出電壓適用於通過電壓表進行測量。
全文摘要
提供了一種具有環形結構，通過纏繞鐵基非晶金屬帶形成的磁芯。此後，熱處理該芯以得到線性B－H特性。有益地，該線性B－H特性不隨施加的磁場和使用的頻率的值而變化。由於這種特性，該芯尤其適用於電流互感器。
文檔編號H01F27/02GK1630920SQ03803505
公開日2005年6月22日 申請日期2003年2月3日 優先權日2002年2月8日
發明者R·J·馬蒂斯, S·V·塔蒂科拉, R·哈塞加瓦 申請人:梅特格拉斯公司