電扼流圈的製作方法

2023-05-27 18:00:16 1

專利名稱：電扼流圈的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括非晶金屬合金的磁心，它適合於諸如施加大直流偏置電流的功率因子校正(PFC)的電扼流圈應用場合。
電扼流圈是一種直流儲能電感器。對於環形電感器，所儲存的能量是W＝1/2[(B2Aclm)/(2μ0μr)]，其中，B是磁通密度，Ac是磁心的有效磁面積，lm是平均磁通路長度，而μ0是自由空間導磁率，μr是材料中的相對導磁率。
當在環形線中引入小的空氣間隙時，該空氣間隙中的磁通量保持與鐵磁鐵心材料中的相同。但是，由於空氣的導磁率(μ～1)顯著地低於典型的鐵磁材料中的導磁率(μ～幾千)，所以，間隙中的磁場強度(H)大大高於鐵心的其餘部分中的磁場強度(H＝B/μ)。磁場中每單位容積的儲能是W＝1/2(BH)，因此，我們可以假定它主要集中在所述空氣間隙中。換句話說，通過引入間隙而增大了鐵心的儲能容量。間隙可以是分立的或分布式的。
可以利用由非磁性的粘結劑粘結在一起的鐵磁粉末或者通過使非晶合金局部結晶來引入分布式間隙。在第二種情況下，各鐵磁結晶相分離，並且被非磁性基體包圍。可以通過對非晶金屬合金進行熱處理來實現這種局部結晶方法。具體地說，根據這種方法，提供結晶程度和導磁率值之間的單值的相關性。為了獲得在100到400範圍內的導磁率，需要按體積計算的大約10％至25％的結晶程度。根據非晶金屬合金的結晶溫度和/或化學成分來選擇退火時間和溫度條件的適當組合。隨著結晶程度的提高，鐵心的導磁率降低。導磁率的降低導致鐵心經受直流偏置磁場能力的提高和鐵心損耗的增加。
通過切割鐵心和插入非磁性墊片來引入分立間隙。間隙的大小決定於墊片的厚度。通常通過增加分立間隙的尺寸來降低有效的導磁率和提高鐵心經受直流偏置磁場的能力。但是，對於100奧斯特或更高的直流偏置激勵磁場，需要大約5-10毫米的間隙。這些大的間隙由於增加了間隙中的漏磁通而把導磁率降低到非常低的水平(10-50)，並且增加了鐵心的損耗。
對於動力設備和裝置中的功率因子校正應用場合，需要具有低導磁率、低鐵心損耗、高飽和磁化的小尺寸電扼流圈，這種電扼流圈能夠經受高的直流偏置磁場。
本發明提供一種電扼流圈，它具有通過將扼流圈退火而產生的分布式間隙和通過切割鐵心而產生的分立間隙的組合。已經發現，使用分布式間隙和分立間隙的組合產生單獨使用分布式間隙或分立間隙不易獲得的獨特的性能組合。令人驚奇的是，分別獲得導磁率在80至120範圍內、在50奧斯特或100奧斯特下保留95％或85％導磁率的磁心。在1000奧斯特激勵和100KHz下，鐵心損耗保持在100至150W/kg範圍內。
當參考以下對本發明實施例的詳細描述和附圖時，將更全面地了解本發明並且明白本發明的其它優點，附圖中

圖1是表示退火後的鐵基磁心的作為直流偏置激勵磁場的函數的起始導磁率的百分比的曲線圖；圖2是表示鐵基非晶金屬合金鐵心的作為直流偏置激勵磁場的函數的起始導磁率的百分比的曲線圖，所述鐵心已被切割並且具有4.5毫米厚度的插入其中的分立墊片；圖3是表示具有1.25毫米分立間隙和分布間隙的鐵基鐵心的作為直流偏置激勵磁場的函數的起始導磁率的百分比的曲線圖；以及圖4是表示對於組合的分立和分布式間隙的有效導磁率的作為分立間隙尺寸的函數的曲線圖，後者是一些用實驗方法導出的輪廓線，不同的輪廓線表示對於分布式間隙的導磁率值。
電扼流圈性能中的重要參數是鐵心被直流磁場激勵時保留的起始導磁率的百分比；在沒有外偏置磁場的條件下起始導磁率的值；以及鐵心損耗。通常，降低起始導磁率導致鐵心經受加大的直流偏置磁場能力的提高和鐵心損耗的增加。
可以通過退火或通過切割鐵心和引入非磁性墊片來實現非晶金屬鐵心導磁率的降低。在這兩種情況下，提高經受高直流偏置磁場的能力換來的都是高的鐵心損耗。
本發明提供一種電扼流圈，它具有通過退火利用由粘結劑粘結在一起的鐵磁粉末產生的分布式間隙和通過切割鐵心而產生的分立間隙的組合。使用分布式間隙和分立間隙的組合在不顯著增加鐵心損耗和不大量降低起始導磁率的情況下提高鐵心經受直流偏置磁場的能力。扼流圈的這些獨特的性能是單獨使用分立間隙或分布式間隙不易獲得的。
圖1中示出退火後的鐵基磁心的起始導磁率的百分比隨直流偏置激勵磁場而變化的情況。利用適當的退火溫度和時間組合對包括Fe-B-Si非晶金屬合金的磁心進行退火。只要知道其結晶溫度和/或化學成分，就可以為Fe-B-Si基非晶合金選擇這樣的退火時間和溫度。對於圖1中的磁心，非晶金屬合金的成分是Fe80B11Si9，而退火溫度是Tx＝507℃。利用微分掃描量熱法(DSC)測量這種結晶溫度。所述退火溫度和時間分別是480℃和1小時，並且，退火是在惰性氣體保護氣氛中進行的。通過X射線衍射測定，非晶合金結晶到50％的程度。由於磁心的局部結晶的緣故，其導磁率降低到47。通過選擇適當的溫度和時間組合，容易獲得40至300範圍和更高的導磁率值。表1概括了退火溫度和時間組合以及最後得到的導磁率值。導磁率是利用電感電橋，在10KHz頻率、8周衰減波(8-turn jig)和100毫伏/交流(mVac)激勵下測量的。
如圖1中所示，在50奧斯特下保留起始導磁率的80％，而在100奧斯特下保留起始導磁率的30％。在1000奧斯特和100KHz下測定的磁心損耗是650W/kg。
表1退火條件 導磁率 直流偏置10KHz 磁心損耗(W/kg)在10KHz下 50奧斯特80奧斯特 100KHz，0.035T下450℃/4小時 191 14 8450℃/4小時 213 11 7450℃/7小時 121 20 12450℃/8小時 212 13 7450℃/8小時 218 11 7450℃/10小時 207 12 719450℃/10小時 212 15 812450℃/6小時 203 18 10 14460℃/4小時 124 24 15460℃/4小時 48 74 41470℃/15分500 612.5470℃/30分145 17 813470℃/1小時 189 15 610470℃/1小時 132 23 11 14470℃/2小時 45 78 41470℃/2小時 47 76 40 53470℃/3.5小時 45 75 37480℃/15分43 75 35 65480℃/15分44 40 32 56480℃/1小時 46 77 37480℃/1小時 47 81 38 47490℃/15分46 76 37490℃/15分46 80 38490℃/30分46 82 39490℃/30分46 78 36合金Fe80B11Si9Tx＝508℃圖2描繪鐵基非晶磁心的作為直流偏置激勵磁場的函數的起始導磁率的百分比，磁心已用摩擦鋸切割過並且已經在其中插入厚度為4.5毫米的分立墊片。鐵基磁心的起始導磁率是3000，而加了間隙的磁心的有效導磁率是87。磁心在100奧斯特下保留起始導磁率的90％。但是，在1000奧斯特和100KHz下磁心損耗是250W/kg。
圖3描繪具有1.25毫米的分立間隙和分布式間隙的組合的鐵基磁心的作為直流偏置激勵磁場的函數的起始導磁率的百分比。可以利用適當的退火溫度和時間組合使非晶鐵基合金局部結晶，只要知道其結晶溫度和/或化學成分。圖3中所示的實施例具有主要包括Fe80B11Si9的成分和結晶溫度Tx＝507℃。退火溫度和時間分別是430℃和6.5小時，並且退火是在惰性氣體的保護氣氛中進行的。這種退火溫度把導磁率降低到300。接著，磁心用環氧樹脂和丙酮溶液浸漬，用摩擦鋸切割以便產生分立間隙並且備有插入所述間隙中的1.25毫米的塑料墊片。為了在切割過程中和切割之後保持磁心的機械穩定性和整體性，需要對磁心進行所述浸漬。把磁心的最後的有效導磁率降低到100。在100奧斯特直流偏置磁場激勵下保持起始導磁率的至少70％。在1000奧斯特和100KHz下磁心損耗是100W/kg。
圖1，2和3說明，為了提高鐵基非晶磁心的直流偏置性能、把起始導磁率保持在高值而把磁心損耗保持在低值，最好把分立間隙和分布式間隙結合起來。
用來計算加了間隙的扼流圈的有效導磁率的傳統公式不適用於具有分立間隙和分布式間隙的組合的磁心。圖4是描繪具有組合的分立和分布式間隙的磁心的、作為分立間隙尺寸的函數的有效導磁率的用實驗方法導出的輪廓線。不同的輪廓線表示分布式間隙(退火後的)導磁率的各種不同的值。
表2顯示退火後的導磁率和分立間隙尺寸的各種組合。列出對應的有效導磁率，100奧斯特下的百分比導磁率和磁心損耗，以及切割方法和墊片材料類型。
測定了塑料和陶瓷兩種不同類型的墊片材料。未觀察到最後得到的性能方面的差別。通常，所述磁心被設置在塑料盒中。由於塑料墊片可以用於間隙，所以，可以把墊片直接模塑在塑料盒中。
評估了包括摩擦鋸、線放電加工(線放電加工)和水射流的若干種切割方法。所有這些方法都是成功的。但是，在切割表面光潔度方面有差別，其中，線放電加工最好，而水射流最差。由表2的結果可以得出以下結論在其它條件相同的情況下，用線放電加工法生產的磁心呈現最小的損耗，而用水射流方法生產的磁心呈現最大的損耗。研磨方法產生具有令人滿意的表面光潔度和磁心損耗。由以上結果可以得出以下結論切割表面的光潔度對於實現低磁心損耗是重要的。
以上已經相當詳細地描述了本發明，但是，顯然，不必嚴格地遵守這樣的細節，對於本專業的技術人員來說，可以有進一步的變化和修改，所有這些都落在由所附的權利要求書所限定的本發明的範圍之內。
表2退火後的 墊片(mm) 有效導磁率 百分比導磁率 百分比導磁率 磁心損耗 切割方法 墊片類型導磁率50奧斯特下 100奧斯特下 (W/kg)300 1.25107.2 93.474.487 摩擦鋸塑料300 1.25103.4 91.674.691 摩擦鋸塑料300 1.25101.5 93.174.686 摩擦鋸塑料300 1.2597.3 93.677.6100摩擦鋸塑料300 1.2597 94 78 34*摩擦鋸塑料300 1.5 96 94 79 34*摩擦鋸塑料300 2 87 94 82 40*摩擦鋸塑料300 2.5 81 94 84 45*摩擦鋸塑料300 3 75 95 86 51*摩擦鋸塑料300 4.5 65 97 91 63*摩擦鋸塑料300 8.2553 98 93 68*摩擦鋸塑料300 12.75 43 99 96 79*摩擦鋸塑料300 1.25105.2 92 72.486 摩擦鋸塑料1000 3.7588.3 97.188.3115摩擦鋸塑料1000 3.7585.3 97.289.4109摩擦鋸塑料250 0.5 129.3 82.350.4105摩擦鋸塑料250 0.75111.8 84.458.7170摩擦鋸塑料250 1.5 91.8 92.573.4212摩擦鋸塑料450 0.5 117.6 89.918.3108摩擦鋸塑料450 0.75158.9 91.933.3101摩擦鋸塑料450 1.5 118.8 95.977 110摩擦鋸塑料450 2.2510095.786.496 摩擦鋸塑料350 1.5 10495 78 110摩擦鋸塑料350 1.5 10594 77 117摩擦鋸塑料350 1.5 10395 79 114摩擦鋸塑料350 1.5 10495 79 115摩擦鋸塑料350 1.5 99 95 79 112摩擦鋸塑料450 2.2594 97 87 98 摩擦鋸塑料4502.2595 9581111摩擦鋸塑料4502.2594 9683105摩擦鋸塑料4502.2596 9582120摩擦鋸塑料5803 89 9785106摩擦鋸塑料5803 89 9790103摩擦鋸塑料5803 92 9890110摩擦鋸塑料5803 89 9788104摩擦鋸塑料2500.75110855889 線放電加工 塑料2500.7591 9374101** 水射流塑料2500.75118825789*** 摩擦鋸陶瓷2500.75124825499*** 摩擦鋸塑料2500.75117845789*** 摩擦鋸陶瓷2500.75115855890*** 摩擦鋸塑料除了*激勵磁場500奧斯特**激勵磁場850奧斯特***激勵磁場900奧斯特之外，磁心損耗是在1000奧斯特和100KHz下測量的。
權利要求
1.一種具有包括鐵磁非晶金屬合金的磁心的電扼流圈，所述磁心是局部結晶的並且具有分布式間隙和分立間隙。
2.權利要求1的電扼流圈，其特徵在於所述分布式間隙是通過使所述合金局部結晶產生的。
3.權利要求2的電扼流圈，其特徵在於具有在100至800範圍內的退火後的導磁率。
4.權利要求1的電扼流圈，其特徵在於通過對所述局部結晶的磁心進行浸漬和切割以便在其中形成開口來形成所述分立間隙，並且把非磁性墊片插入所述開口中，所述間隙具有由所述墊片的厚度確定的間隙尺寸。
5.權利要求4的電扼流圈，其特徵在於所述局部結晶後的導磁率(退火後的導磁率)在大約200至1000的範圍內，間隙寬度尺寸在大約0.75mm至12.75mm的範圍內，以及有效導磁率在大約40至200的範圍內。
6.權利要求5的電扼流圈，其特徵在於有效導磁率在大約40至大約200的範圍內，在100KHz和1000奧斯特激勵磁場條件下磁心損耗在80至200W/kg的範圍內，並且，在100奧斯特直流偏置磁場下，直流偏置(DC bias)在大約50％至95％範圍內。
7.權利要求6的電扼流圈，其特徵在於所述磁心具有其寬度在大約0.75mm至12.75mm範圍內的分立間隙以及在40和200之間的有效導磁率。
8.權利要求6的電扼流圈，其特徵在於所述磁心的所述有效導磁率是100，並且是通過把鐵基非晶金屬合金退火到300導磁率並且接著切割所述磁心和插入1.25mm厚度墊片而產生的。
9.權利要求8的電扼流圈，其特徵在於在100奧斯特的直流偏置激勵的條件下，所述磁心保持所述有效導磁率的至少75％。
10.權利要求8的電扼流圈，其特徵在於在1000奧斯特激勵和100KHz下，所述磁心的磁心損耗在80至100W/kg的範圍內。
11.權利要求1的電扼流圈，其特徵在於所述非磁性墊片包括陶瓷或塑料並且直接模製在包含所述磁心的塑料盒中。
12.權利要求1的電扼流圈，其特徵在於所述分立間隙是利用摩擦鋸、線放電加工或水射流切割所述磁心而產生的。
13.權利要求1的電扼流圈，其特徵在於所述磁心塗有用於電絕緣和維護磁心整體性的薄的高溫樹脂。
14.權利要求1的電扼流圈，其特徵在於所述扼流圈用於功率因子校正應用場合。
全文摘要
電扼流圈包括具有分布式間隙和分立間隙的組合的磁性非晶金屬磁心。非晶金屬是鐵基快速固化合金。通過使磁心經歷熱處理、導致非晶合金的局部結晶來實現分布式間隙結構。這樣的局部體積結晶把磁心的導磁率從幾千降低到200至800範圍內的值。通過切割磁心並且插入墊片來引入分立間隙。隨間隙寬度和退火後的導磁率而定,可以獲得200至40範圍內的有效導磁率。其優點是,降低了導磁率的磁心在直流偏置磁場激勵條件下保持其起始導磁率,並且呈現低的磁心損耗,使得它特別適合於功率因子校正應用場合。
文檔編號H01F37/00GK1255230SQ98804977
公開日2000年5月31日 申請日期1998年3月18日 優先權日1997年3月18日
發明者A·柯林斯, J·西爾蓋利斯, P·法利, R·赫斯蓋瓦 申請人:聯合訊號公司