無定形金屬基有隙磁芯的製作方法

2023-06-01 14:03:11

專利名稱：無定形金屬基有隙磁芯的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁芯；尤其涉及一種鐵磁性無定 形金屬合金磁芯，該磁芯的磁路是有隙的，而且該磁芯特別適合用於電扼流圈和電流傳感器。
背景技術：
具有磁芯的電扼流圈和電流傳感器應具有低的導磁率以對大電流進行控制或檢測。通常，具有低導磁率的磁芯直到進入強磁場才會磁飽和。該磁場的上限取決於飽和感應或通量密度，通常稱為磁芯材料的Bs。由於Bs值依賴於磁芯材料的化學性質，因此磁芯材料的選擇取決於應用。導磁率μ被定義為磁通量B隨施加場H的增量的而增加的增量，在應用中優選該導磁率μ是線性的材料，這是由於隨著施加場強的增加，磁芯的磁性性能變得相對穩定。當導磁率是線性的時，與磁芯上銅線圈的電流成比例的上限磁場Hp近似為Bs/μ。這樣，當要求較大的Hp時，優選μ為較低值。另外，還優選具有線性的BH行為，因為這樣可以顯著地降低總的磁芯損失。對於電扼流圈，要求磁芯的BH特性具有合理的線性，而且BH曲線的適度水平的彎曲是可接受的。然而，對於電流傳感器應用，要求具有良好線性的BH特性以保證傳感器的精度。達成良好BH線性的最優技術之一是利用沿著具有單軸磁各向異性的磁性材料的難磁化軸的磁化行為。磁各向異性是衡量磁性材料的磁化排列程度的指標。當沒有外部磁場時，磁各向異性迫使磁性材料沿其所謂易磁化軸磁化，該易磁化軸處於能量最低的狀態。對於晶體材料，磁各向異性的方向或易磁化軸通常沿著晶體學軸之一。作為示例，體心立方結構的鐵的易磁化軸沿
方向。當這種單軸磁性材料沿易磁化軸被磁化時，所得到的BH曲線是矩形；材料呈現矯頑磁性H。，Hc被定義為磁感應或磁通量B與磁場或H軸交叉處的磁場。在H = H。上方,磁性材料迅速隨施加場飽和,達到B = Bs,即飽和磁感應或磁通密度。當外部磁場是沿著遠離易磁化軸90度方向時，響應磁通密度B隨與磁各向異性場Hk對抗的H而線性變化，Hk被定義為8 K/Bs，其中K是磁各向異性能。如此理論上，在H = Hk時，B為Bs。磁各向異性可被材料製造的後處理所誘導，所述後處理例如在提高的溫度下進行磁場退火。當磁性材料被加熱時，組分磁性原子被熱激勵而且趨向沿著施加場排列，從而引起上述的磁各向異性。這是通常用於使磁性材料具有線性BH行為的技術之一，上述磁性材料包括無定形磁性材料。另外一種技術是在磁性裝置的磁路上引入物理縫隙。當使用這種方法時，整體的BH行為趨向於線性。然而，由於縫隙上的磁通量洩漏，在獲得線性的同時也伴有磁損失的增加。因此希望儘可能地使縫隙大小最小化。另外，縫隙的引入必須使因開隙(gapping)而導致的應力或機械形變而引起的磁損失的增加為最小。授予Takayama等人的美國專利No. 4, 587, 507 (以下稱為專利』 507)公開了在環形的、由無定形材料構成的磁性裝置上引入物理縫隙的方法。該專利只專注於減小開隙時所造成的應力的影響。專利』 507所保護的無定形磁性合金基本上由以下組合物構成FexMny (SipBt^Cs)z，其中x+y+z (原子百分比)是100，y的範圍為從O. 001到10，z的範圍為從21到25. 5，p+q+r+s =l,p的範圍為從O. 40到O. 75，r的範圍為從O. 0001到O. 05，比率 s/q 的範圍為從 O. 03 到 O. 4，且 z 彡 50p+l, z 彡 10p+19, z 彡 30p+2，且 z 彡 13p+13. 7。專利』 507的保護要求必須具有Mn以在開隙後獲得預期的磁損失的減少。明顯的需求是製備不含專利』 507的成分約束的磁性裝置的技術。還需要對縫隙尺寸有更完全的理解，上述縫隙尺寸影響磁損失從而影響磁性裝置整體的磁性性能。當製造高性能的磁性裝置時，必須明確地控制這一特徵。本發明提供對上述每個問題的解決方案，包括由磁芯的開隙工藝所引起的應力效應
發明內容
本發明提供一種可以避免上述成分約束的磁性裝置及其製造方法。根據本發明製造的裝置的縫隙尺寸可以容易地在約I 約20_的範圍獲得。有利的是，磁性裝置的整體磁性能被提高。裝置包括一個在磁路上具有物理縫隙的、由無定形Fe基合金組成的磁芯。在優選實施方案中，合金具有無定形的結構；合金基於以下成份(Fe-Ni-Co)-(B-Si-C),其Fe+Ni+Co的成分的總和在65 85原子％的範圍內。通常,在製造技術的實踐中，磁性的Fe基無定形合金條帶被卷繞成環狀的磁芯。然後將該卷繞磁芯在沒有外部磁場的條件下進行熱處理。由於要求磁芯在開隙之後具有低的磁損失，設計熱處理以使未開隙的磁芯具有儘可能低的導磁率。對在開隙後應具有大致線性的BH行為的磁芯進行熱處理，以使BH曲線儘量為方形或儘量尖銳。在開隙之前，退火的磁芯被塗覆商業可得的環氧樹脂例如杜邦EFB534S0或類似物。選擇開隙工藝，以使由縫隙導致的應力或機械形變儘可能小。該工藝可包括噴水切割，以及研磨和放電切割。物理縫隙的尺寸是預先規定的；並且基於未開隙的磁芯的導磁率和開隙狀態的磁芯的期望導磁率。開隙後，磁芯被塗覆薄樹脂層、油漆或類似材料。該塗層可以保護縫隙的表面免於生鏽。可替換地，磁芯的保護還可以通過將磁芯置於塑料殼體中來實現。當銅繞組被配置在本發明的磁芯上時，磁芯-繞組組件可以具有電流傳感器和電扼流圈所需的性能，上述電流傳感器和電扼流圈包括功率因數校正電感器。


參考以下對優選實施方案的詳細說明以及附圖，可更完全地理解發明和本發明的其它顯著優點，其中圖I所示是一個具有尺寸為3. 2mm的物理縫隙的磁芯的BH行為，所述磁芯基於在沿磁芯圓周方向施加約IOOe的磁場的條件下以350°C退火2小時的Fe基METGLAS 2605SA1 材料；圖2所示是對於如圖I所示的磁芯的檢測電壓和被檢測電流的函數關係；圖3所示是對於METGLAS 2605SA1基磁芯的導磁率和物理縫隙的函數關係；圖4所示是具有尺寸為約3mm的物理縫隙的磁芯的BH行為，所述磁芯基於在無磁場的條件下以430°C退火7小時的Fe基METGLAS 2605SA1條帶；
圖5所不為圖4所不的磁芯的導磁率值相對於零施加場下的導磁率與直流偏置場的函數關係；和圖6所示為不同頻率下磁芯損失和感應水平B的函數關係。發明詳述許多環形的磁芯是通過將Fe基無定形合金條帶進行帶繞成形的，上述合金條帶包括市售的METGLAS 2605SA1和2605C0材料。磁芯的物理尺寸是0D (外徑)=8 70mm ；ID(內徑)=5 40mm, HT(高度)=5 25mm。在無外部磁場或有施加磁場的條件下，將該磁芯在300 450°C之間進行熱處理1-12小時。退火參數的選擇依賴於根據下述方式製造的有隙磁芯所期望的最終磁性性能。該磁芯浸潰於含有杜邦EFB534S0的環氧樹脂中。通過切割塗覆後的磁芯以在環形的磁路上引入物理縫隙。物理縫隙的尺寸在大約Imm 約20mm之間。開隙工具包括噴水切割機和研磨和放電切割機。切割表面被塗覆樹脂或油漆以保護其免於生鏽。
對於涉及比如檢測電流的應用，要求磁芯具有線性的BH行為。在此情況下，無隙磁芯應具有儘量為方形或儘量尖銳且彎曲儘量小的BH曲線，以使開隙後的BH曲線儘可能是線性的。為在無隙的磁芯上得到方形的BH曲線，在磁芯的熱處理期間可以選擇性地施加沿縱向的磁場。沿磁芯軸的方向施加橫向磁場可以得到尖銳的BH回線。橫向磁場強度的範圍上限為約15000e。許多磁芯是通過將METGLAS 2605SA1或2605C0條帶進行帶繞並在施加或未施加場的條件下以320°C 380°C退火約2小時而成形的。所獲得的磁芯具有 相對方形的BH行為。在磁芯上形成尺寸為約I 20mm的物理縫隙。圖I所示為一種有隙磁芯的BH曲線，該曲線在直至大約H 700e (O. 88A/m)的範圍上具有約為180的線性的直流導磁率μ d。。如上述定義，該磁場上限可被稱為HP。相同的磁芯被用於製造在磁芯的ID截面具有單圈的載流線的電流傳感器。檢測線圈卷繞在磁芯上，並通過數字電壓計監視信號電壓。圖2所示為檢測電壓，該檢測電壓是插入磁芯-線圈傳感器的孔中的單圈載流線中的電流的函數。圖中清楚地顯示了起因於圖I的BH行為的檢測信號和電流之間良好的線性關係。如圖3所示，導磁率因物理縫隙的增加而進一步減少。減小的導磁率使提高電流的檢測上限成為可能。例如，由約15mm的物理縫隙所得到的為50的導磁率可把磁場的上限提高到約2400e(3A/m)而磁芯的BH行為直到此限仍保持線性。隨之，可以使單圈電流傳感器的電流上限提高到超過2700A的水平。對於例如電扼流圈的應用，要求磁芯具有低的導磁率。開隙的目的是減少磁芯的導磁率。然而，這將提高縫隙處的磁通洩漏所造成的磁損失。因此優選較小的尺寸的物理縫隙。通過在未開隙狀態下以儘量低的導磁率開始可以將上述自衝突效應降至最低。從而也使上述的退火參數得以優化。對於利用市售的METGLAS 2605SA1條帶製成的不開隙磁芯，退火溫度為410°C 450°C，退火時間為3 12小時。在開隙後，磁芯的導磁率為約20 140。圖4所示為具有約3mm的縫隙的一個上述例子。磁芯的0D，ID和HT分別約為34，22和11mm。物理縫隙尺寸被改變以優化具有規定的0D，ID和HT的磁芯的磁性性能。圖5所示為一個這種例子的結果，顯示了圖4所示的磁芯的磁導率相對於在零施加場下的導磁率與直流偏置場的函數關係，表明該磁芯在磁場超過IOOOe (I. 25A/m)時仍然是磁有效的。一個無物理縫隙的相似磁芯的有效範圍只能達到約IOOe (O. 125A/m)。圖6所示為在不同頻率下的磁芯損失與激勵感應或磁通密度水平B的函數關係。例如，在IOOkHz和O. IT的感應水平，觀測到約140W/kg的磁芯損失。在下述的表II中，對本發明的磁芯的性能和市售的磁芯的性能進行了比較。表II中的特徵表明，當用作電扼流圈時，本發明的有隙的磁芯呈現改善的性能。這使得本發明的有隙磁芯尤其適用於處理大電流的功率因數校正電感器。表II
權利要求
1.一種磁性裝置，包含基於卷繞成環狀核芯的無定形Fe基合金條帶的有隙磁芯， 所述有隙磁芯已由具有方形BH曲線或尖銳BH曲線的無隙核芯製成，所述無隙核芯在導入所述縫隙之前被熱處理，和 所述有隙磁芯由在其磁路上的物理縫隙組成，所述磁芯的整體導磁率為40-200，且具有線性的BH特徵， 其中所述無定形Fe基合金基於(Fe-Ni-Co)-(B-Si-C)，其中Fe+Ni+Co的含量總和在65 85原子％的範圍內。
2.如權利要求I所述的磁性裝置，所述物理縫隙的範圍為I 20mm。
3.如權利要求I所述的磁性裝置，其具有超過一個的用來形成磁芯-線圈組件的銅繞組。
4.如權利要求3所述的磁性裝置，其中所述磁芯-線圈組件是電流傳感器。
5.如權利要求3所述的磁性裝置，其中所述磁芯-線圈組件是電扼流圈。
6.如權利要求3所述的磁性裝置，其中所述磁芯-線圈組件是功率因數校正電感器。
7.如權利要求I所述的磁性裝置，所述無隙核芯已經在磁場存在下被熱處理。
8.如權利要求7所述的磁性裝置，其中所述具有方形BH特徵的無隙核芯在熱處理過程中具有沿卷繞成環狀的條帶的長度方向施加的縱向磁場。
9.如權利要求7所述的磁性裝置，其中所述具有尖銳BH特徵的無隙核芯具有沿卷繞成環狀的條帶的寬度方向施加的橫向磁場。
10.一種製備磁性裝置的方法，包含基於卷繞成環狀核芯的無定形Fe基合金條帶的有隙磁芯， 熱處理具有方形BH特徵或尖銳BH特徵的無隙核芯； 在熱處理過程中施加磁場； 開隙無隙磁芯，所述開隙由在其磁路上產生物理縫隙組成， 其中，所述磁芯的整體導磁率為40-200，且具有線性的BH特徵，和其中所述無定形Fe基合金基於(Fe-Ni-Co)-(B-Si-C)，其中Fe+Ni+Co的含量總和在65 85原子％的範圍內。
11.如權利要求10所述的製備磁性裝置的方法，其中對所述具有方形BH特徵的無隙核芯，在熱處理過程中，沿卷繞成環狀的條帶的長度方向施加縱向磁場。
12.如權利要求10所述的製備磁性裝置的方法，其中對所述具有尖銳的BH特徵的無隙核芯，沿卷繞成環狀的條帶的寬度方向施加橫向磁場。
全文摘要
一種磁性裝置，所具有的物理縫隙的範圍為約1～約20mm。所述磁性裝置包含包括無定形Fe-基合金的磁芯。所述磁芯的磁路上具有物理縫隙。合金具有無定形的結構，並基於(Fe-Ni-Co)-(B-Si-C)。Fe+Ni+Co的成分總和在65～85原子％的範圍內。其有利點在於，磁芯的整體導磁率為約40～200，並具有提高的磁性性能。
文檔編號H01F17/06GK102779622SQ20121023432
公開日2012年11月14日 申請日期2003年12月10日 優先權日2003年1月30日
發明者R·J·馬蒂斯, R·哈賽加瓦 申請人:梅特格拉斯公司