CN100517527C - 带有非晶铁基芯的电流互感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有环形结构，通过缠绕铁基非晶金属带形成的磁芯。此后，热处理该芯以得到线性B-H特性。有益地，该线性B-H特性不随施加的磁场和使用的频率的值而变化。由于这种特性，该芯尤其适用于电流互感器。

Description

带有非晶铁基芯的电流互感器
技术领域
本发明涉及用于电源配电系统、电源、电磁机器等的互感器，尤其涉及用于精确测量电流的电流互感器，其中芯材料(core material)与励磁水平成线性关系。
背景技术
直接测量流过导电介质例如铜线的电流，尤其是在介质中的电流值和电压很高时，不是很简单的事。直接测量法包括基于电流流动产生的涡流的传统的电度表、使用其低电流流动部分由精确的电阻器组成的分流器以及检测电流流动产生的磁场变化的磁通量测量仪。所有这些技术都有缺陷。例如，作为传统电度表的基础的涡流尤其是在要测量的电流包含比基本电流频率更高的谐波时更不精确。在电流线电压很高时分流器很危险。磁通量测量仪被广泛应用，其中，用霍尔效应传感器或传感线圈检测电流产生的磁通。在这两种情况中，通常使用具有高导磁率的磁通集中器(flux concentrator)以提高灵敏度。为了得到高精确度，不得不使导磁率具有以下特征，使得磁通集中器中产生的磁通量正比于被测量的电流产生的磁场。这种磁性集中器是通常的具有高线性B-H特性的软磁性材料，其中B是磁通密度，H是垂直于磁通方向流动的电流产生的磁场。
通常在其材料的易磁化轴垂直于励磁方向的软磁性材料中得到线性B-H特性。在这种材料中，外部磁场H会使磁通B的平均方向倾斜，从而使测量的量B与H成比例。由于磁场H与要测量的电流成比例，因此磁通B正比于电流。但是，大多数磁性材料具有非线性B-H特性，而且很难得到理想的线性B-H特性。任何偏离理想的B-H线性都将导致使用磁通测量仪测量电流时的不精确。
显示线性B-H特性的一个磁性材料的经典例子是所谓的恒导磁率坡莫合金的冷轧50％Fe-Ni合金。在非晶磁性合金中，已知热处理的富Co合金可以提供线性B-H特性，并且现在正用于电流互感器中的磁芯材料。富Co非晶合金通常具有低于大约10kG或1特斯拉的饱和感应，这限制了可测量的最大电流值。除此之外，由于采用大量Co来形成合金，因此，这些合金很昂贵。显然需要表现出线性B-H特性，饱和感应大于10kG(1特斯拉)而且便宜的合金。
1974年12月24日授权给Chen和Polk的美国专利3856513公开了非晶金属合金。这些合金包括具有表达式MaYbZc的化合物，其中M是从铁、镍、钴、钒和铬组成的组中选出的金属，Y是从磷、硼和碳组成的组中选出的元素，Z是从铝、硅、锡、锗、铟、锑和铍组成的组中选出的元素，“a”的范围是从大约60到90原子％，“b”的范围是从大约10到30原子％，“c”的范围是从大约0.1到15原子％。还公开了具有表达式TiXj非晶金属线，其中T是至少一种过渡金属，X是从磷、硼、碳、铝、硅、锡、锗、铟、铍和锑组成的组中选出的元素，“i”的范围是从大约70到87原子％，“j”的范围是从大约13到30原子％。通过用现有技术中公知的加工技术从熔体快淬可以方便地制备这种材料。
这些公开的内容提到了对于很多非晶金属合金来说不常用或独特的磁性能，其内容在此进行概述和限定。但是，为了特定的应用例如电流/电压互感器，需要具有线性BH特性并且饱和感应大于约10kG(1特斯拉)的组合特性的非晶金属合金。
发明内容
本发明提供了一种尤其适用于电流互感器的磁芯。有利地，该芯具有不随施加的磁场和使用的频率而变化的线性B-H特性。通常，该芯具有卷绕铁基非晶合金带形成的环形结构。此后，热处理该芯以得到线性B-H特性。该铁基非晶合金带是通过快淬熔液生产的，并且具有由约70-87原子％的铁和约13-30原子％的选自硼、硅和碳中的元素组成的组合物，其中至多约20原子％的铁被钴代替，最多3原子％的铁被镍、锰、钒、钛或钼代替。
在一个实施例中，本发明包括芯-线圈组件。具有两个引线的铜线圈缠绕在环形芯上。这两个引线连接到电压表上。铜线插入在芯的中心ID部分中或缠绕在芯上并连接到电流源。提供用于改变电流源的输出电流的装置以及提供监测电压表读出值的装置，从而确保读出值与从电流源提供的电流成正比。
附图说明
当参考下述详细说明和附图时，将更充分地理解本发明并且其优点也将进一步变得明显，在所有的几个附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是表示本发明非晶Fe基芯和由非晶Co基合金构成的现有技术的芯的B-H特性图；
图2是表示作为频率函数的本发明非晶Fe基芯的导磁率的曲线；
图3是表示本发明非晶Fe基芯在不施加磁场时在420℃下热处理6.5小时后的B-H特性曲线；
图4是表示本发明电流互感器的透视图；
图5是表示图4的电流互感器的输出电压的图。
具体实施方式
铁基非晶合金带缠绕为环形以形成磁芯。然后在磁场和不在磁场下在炉子中热处理该芯。然后用市售的BH磁滞回线记录仪检测芯以确定线性B-H关系，其中B和H分别表示磁感应强度和磁场。该铁基非晶合金带通过快淬熔液生产，并且具有由约70-87原子％的铁和约13-30原子％的选自硼、硅和碳中的元素组成的组合物，其中最多约20原子％的铁被钴代替，最多3原子％的铁被镍、锰、钒、钛或钼代替。
图1比较根据本发明的非晶Fe基芯和现有技术的Co基芯，本发明的非Fe基芯在垂直于环形芯的圆周方向上施加200的磁场下在400℃下热处理了10小时。伴随磁感应强度和磁通量从-12kG(-1.2T)变到+12kG(+1.2T)，在施加的-15Oe(-1200A/m)和+15Oe(+1200A/m)的磁场内，本发明芯的B-H特性是线性的。另一方面，现有技术的Co基芯的线性B-H区域限制在磁通从-7kG到+7kG变化的范围内，这限制了电流测量能力。线性B-H特性表示由B/H定义的线性导磁率。图2示出本发明非晶Fe基芯的导磁率是常数，一直到约1000kHz或1MHz的频率。这意味着在高达约1000kHz的整个频率范围内，本发明电流互感器的精确度都维持在确定的值。
在小于3Oe(240A/m)的外部磁场下部分晶化的Fe基非晶合金芯中的线性B-H特性如图3所示。在这种情况下，热处理过程中的磁场是可选的。这种芯提供感应低电流值的电流互感器。
图4示出根据本发明电流互感器的例子，其中该互感器由非晶Fe基芯1、50-150匝的铜线圈2和载流线3组成。铜线圈的两个引线连接到电压表4。载流线3中的电流由电流源5提供。在图5中标出了饱和感应为1特斯拉的非晶Fe-B-Si-C基芯(曲线A)和饱和感应为1.56特斯拉的非晶Fe-B-Si基芯(曲线A)的利用电压表4测得的输出电压。在铜线圈中测量的电流和输出电压之间保持线性对于电流监测的精确度是重要的。
给出随后的例子提供对本发明更完整的理解。给出的用于说明本发明的原则和实施的具体技术、条件、材料、比例和给出的数据都是示例性的，不应该理解为局限本发明的范围。
例子
例子1-样品制备
根据美国专利3856513中Chen等教导的技术以大约106K/s的冷却速度快淬熔液得到非晶合金。通过x射线衍射(用Cu-Kα射线)和差示扫描量热法，确定了得到的典型的10到30μm厚和约1cm到约20cm宽的条带没有大规模的晶化。以条带的形式，该非晶合金强度好、有光泽、坚硬并有延展性。
这样生产的条带分割成更窄的条带，依次地，这些更窄的条带缠绕成不同大小的环形。这种环形芯在磁场下或不在磁场下在炉子中用300到450℃的温度进行热处理。在热处理期间施加磁场时，磁场的方向沿着圆环的圆周方向的横向。典型的磁场强度为50-2000Oe(4000-160000A/m)。
例子2-磁性测量
在传统的磁滞回线记录仪中检测根据例子1制备的环形芯以得到类似于图4的芯的B-H特性。其中的一个环形芯的尺寸为OD＝13.9mm，ID＝9.5mm，高＝4.8mm，而另外一个环形芯的尺寸为OD＝25.5mm，ID＝16.5mm，高＝9.5mm。在环形芯上测量作为直流偏压(dc bias)磁场和频率的函数的由B/H定义的导磁率，结果如图2所示的曲线。将50-150匝的铜线线圈应用在环形芯上以制造电感器。
例子3-电流测量
根据例子2制造的电感器如图4连接到电压表。铜线插入到电感器ID(内部直径)部分中，并且通过电流源提供60Hz电流。测量作为电流源提供的电流的函数的电感器输出电压。图5是其中的一个例子。
这样，更详细地说明了本发明，可以理解的是不需要严格按照这些详细内容，对于本领域技术人员来说，可以对其进行各种变化和调整，这些都落在附属的权利要求限定的本发明范围内。

Claims (11)

1、一种具有线性B-H特性的磁芯，它不随施加的磁场和使用的频率的值而变化并且具有铁基非晶合金，该铁基非晶合金具有由70-87原子％的铁和13-30原子％的选自硼、硅和碳中的元素组成的组合物，其中最多20原子％的铁被钴代替，最多3原子％的铁被镍、锰、钒、钛或钼代替。
2、如权利要求1所述的磁芯，基本由饱和感应至少为大约10kG(1特斯拉)的非晶铁基合金组成。
3、如权利要求2所述的磁芯，其中所述合金切割成条带并进行缠绕以制造所述芯。
4、如权利要求3所述的磁芯，具有选自环形、方形、矩形和三角形的结构。
5、包括如权利要求4所述的磁芯的电感器，具有铜线圈。
6、如权利要求5所述的电感器，在所述芯上还包括附加的铜线线圈。
7、如权利要求5所述的电感器，还包括附加的铜线，该附加的铜线是插入在所述芯的中空的几何中心部分中的。
8、包括权利要求6的电感器的电流互感器，其中该附加的铜线线圈承载将被检测和精确测量的电流。
9、包括权利要求7的电感器的电流互感器，其中该附加的铜线承载将被检测和精确测量的电流。
10、如权利要求8所述的电流互感器，该电流互感器用于精确测量所述附加的铜线线圈中的电流并具有输出电压，该输出电压适用于通过电压表进行测量。
11、如权利要求9所述的电流互感器，该电流互感器用于精确测量所述附加的铜线中的电流并具有输出电压，该输出电压适用于通过电压表进行测量。
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