CN101477868A - 大功率逆变电源用铁基纳米晶磁芯及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率逆变电源用软磁磁芯及其制造方法，该磁芯采用铁基非晶纳米晶带材卷绕而成，磁芯的成分按重量百分比为Fe：81％～85％，Co：0.01％～5％，Si：7％～9％，B：1.5％～2.5％，Cu：1％～2％，M：4％～7％，M’：0.001％～0.04％，其中M为Nb，Mo，V，W，Ta中的一种或几种，M'为Al、Ti的至少一种。磁芯在保护气氛或真空中进行退火，退火时磁芯在炉内的位置可以移动或转动，保温温度为520～600℃，保温时间为1～2小时，升温速度为100℃/小时。采用上述方法制造的磁芯具有更低的损耗和更好的制造工艺性能，它不仅具有优良的软磁性能，而且热处理后的后续加工可以适用多种工艺方法。

Description

大功率逆变电源用铁基纳米晶磁芯及制造方法

技术领域

本发明涉及一种大功率逆变电源用软磁磁芯及其制造方法，尤其是一种具有纳米晶和非晶混合组织、具有比现有技术更加优异的软磁性能的铁基纳米晶磁芯及制造方法。

背景技术

大功率逆变电源及开关电源已经发展相对成熟，在各个领域得到广泛应用，它具有体积小，效率高，节能降耗，节材环保的优点。

变压器磁芯是大功率逆变电源中的重要部件，它需要磁导率相对比较高，热稳定性好，尤其重要的是损耗要低。因为这种变压器是功率传输元件，频率较高时，每公斤重量的磁芯要传输10～15千瓦的能量。单位体积或重量的能量密度很高，这样就要求变压器磁芯的铁损必须很小。

目前KVA级以上大功率逆变电源磁芯使用的材料主要是非晶和纳米晶软磁合金，只有少量较小功率的电源使用功率铁氧体。近年来非晶和纳米晶合金在大功率逆变电源中的应用不断增长，由于节约能源的需要和环保要求的不断提高，市场迫切需要提供性能更好、损耗更低的大功率逆变电源磁芯。

变压器主要由磁芯和线圈构成，对于大功率逆变电源的变压器来说由于频率较高，线圈匝数并不多，但是电流比较大，因此导线比较粗，考虑线圈的趋肤效应使用多股细线，线圈的绕制和本身的重量对磁芯将形成较大的应力作用，所以合适的骨架或保护盒就成为大功率逆变电源变压器的另一个关键。与铁氧体磁芯不同的是，纳米晶合金薄带磁芯自由状态下的形状易于变形，当发生这种变形时，磁性能急剧恶化，因此对纳米晶合金软磁芯的外表进行骨架或者装入护盒保护是必须的。将磁芯装入封闭的保护盒内或采用表面喷塑、静电喷涂的办法形成树脂或塑料保护层都是常规的保护方法，日本专利平3-205803提供的方法是在磁芯表面形成一层高分子+无机玻璃纤维带+环氧树脂层的方案，更具有强度高、应力小、结构紧凑的优点。

由于上述保护方法的共同点是密封磁芯，使得铁芯工作时因损耗而发出的热量不易向外散出，再加上磁芯外面的线圈绕组也发热，最终导致磁芯内部的温度越来越高，变压器温升过高而烧毁或无法工作。这个问题对逆变电源主变压器这样的高能量密度的功率元件来讲是突出的矛盾问题，如果磁芯无损耗不发热或损耗极低发热量极小就不存在上述问题了。可见对功率磁芯来说，降低磁芯的损耗是至关重要的解决途径。

本申请的申请人于1996年7月16日申请了中国专利“软磁磁芯及其制造方法”，专利号ZL96106793.4，其主要解决方案不是致力于降低磁芯的损耗，而是将磁芯装入易于散热的带有通风孔的保护盒，使变压器绕制好后，磁芯部分外露以利于磁芯的散热。因为在当时的技术条件下，功率磁芯的损耗值仅能达到P_5/20K＝30w/kg(测试条件是f＝20KH，Bm＝0.5T)，磁芯是用比较厚的(带材厚度为34～38μm)纳米晶带材制造的，使用的材料成分按重量百分比为：Fe83.4、Cu1.2、N65.6、Si7.8和B1.98。这个成分的合金尽管具有优良的综合磁性能，但是其钢液的流动性不好，受成分的工艺性能制约，该成分合金在一定的工艺条件下只能制成厚度34～38μm的带材，而且表面粗糙度相对较大。带材的填充系数一般在0.6～0.7之间，造成带绕磁芯填充系数下降的原因是带材表面不平整，不光洁，而带材表面不平整、不光洁的主要原因是带材制造过程中贴辊面气泡的形成。

用成分为Fe83.4、Cu1.2、N65.6、Si7.8和B1.98的合金带材制成的逆变电源用软磁磁芯的损耗值P_5/20K一般在27～32w/kg。磁芯这样的损耗值对于它传输的10～15千瓦的功率来说，只占0.2～0.3％，尽管比例已经非常小，但采用日本专利平3-205803提供的方法保护磁芯或采用表面喷塑或静电喷涂的办法形成树脂或塑料保护层而绕制成变压器，工作时磁芯产生热量将无法向外散出，导致变压器温升过高而不能使用，因此为降低变压器温升才提供了中国专利ZL96106793.4和ZL96244535.5所述的带网眼保护盒的软磁磁芯制造方法。这种方法虽然可以降低变压器温升，具有很好的实用性，但存在部分磁芯外露，易伤损掉渣，影响绝缘强度的缺点，同时增加对磁芯端面无应力涂胶密封工序，并且由于护盒的结构特点增大了线圈与磁芯之间的间隙，导致变压器漏感增大，效率降低。

发明内容

本发明是提供一种大功率逆变电源用铁基纳米晶软磁磁芯及制造方法，该磁芯具有比现有技术更低的损耗和更好的制造工艺性能，它不仅具有优良的软磁性能，而且热处理后的后续加工可以适用多种工艺方法。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种低损耗的大功率逆变电源用软磁芯，该磁芯采用新成分铁基纳米晶合金，所述新成分铁基纳米晶合金的成分为(重量百分比)：Fe 81％～85％，Co 0.01％～5％，Si 7％～9％，B 1.5％～2.5％，Cu 1％～2％，M 4％～7％，M’0.001％～0.04％，其中M为Nb，Mo，V，W，Ta中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种。

所述磁芯的带材厚度为24～28μm，表面粗糙度Ra小于2μm。

磁芯具有如下特性之一：剩磁比Br/Bs为0.01～0.2，损耗值P_5/20K为18～22w/kg，磁导率μ₁为20000～25000，磁导率μ₂为3000～6000，Bs为1.1～1.3T。

所述磁芯的形状是环形、矩形、跑道形中至少一种，重量为0.5kg～50kg。

所述磁芯是多个环形、矩形、跑道形磁芯进行组合得到的更大尺寸的复合磁芯。

磁芯的形状为环形时的内径为40～800mm，外径为60～850mm，高度20～100mm。

该磁芯的形状不仅可以是环形，也可以是矩形，跑道形及组合形状，单只铁芯重量在0.5kg～50kg之间，环形铁芯尺寸：内径40～800mm，外径60～850mm，高度20～100mm。其它形状磁芯尺寸量级与上述相当，也可以用多只上述磁芯进行组合成为尺寸更大的复合磁芯。

该磁芯热处理后可以采用磁芯表面注塑、喷涂绝缘层工艺保护；也可以采用装各种材料的保护盒，保护盒内填充少量软性无应力胶固定磁芯和护盒。保护盒的形式不仅限于网眼式，也可以是其它常用保护盒。

一种大功率逆变电源用铁基纳米晶软磁磁芯的制造方法，该磁芯采用铁基非晶纳米晶带材卷取而成，包括母合金冶炼、制带、卷绕和磁场退火步骤，其特征在于：磁芯成分按重量百分比为Fe：81％～85％，Co：0.01％～5％，Si：7％～9％，B：1.5％～2.5％，Cu：1％～2％，M：4％～7％，M’：0.001％～0.04％，其中M为Nb，Mo，V，W，Ta中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种；

在磁场退火过程中，磁芯在退火炉内移动和转动，促使磁芯的温度均匀化。

将上述母合金熔成的钢水制成厚度24～28μm的连续光滑的非晶薄带。

热处理过程中，为保证磁芯温度均匀，磁芯在炉膛内有位置移动或转动。视炉膛的形式可是水平面内转动和移动，也可以是垂直水平面内的位移和转动。

热处理过程中，磁芯在保护气氛或真空中进行，在520-600℃，保温1-2小时。

所述的铁基纳米晶合金磁芯具有如下磁特性，剩磁比Br/Bs(剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比)在0.01～0.2之间；损耗值P_5/20K≤22w/kg(f＝20KHz，Bm＝0.5T)，一般损耗值为18～22w/kg，磁导率μ₁＝20000～25000，磁导率μ₂＝3000～6000，Bs＝1.1～1.3T。

本发明提出的技术解决方案重点包括以下几个方面：

1、使用新成分铁基纳米晶合金制造大功率逆变电源用软磁磁芯，新成分的合金有更好的制带工艺性，可以使带材的厚度降低到24～28μm，厚度减薄是磁芯损耗降低的关键因素。

2、使用新成分铁基纳米晶合金制造大功率逆变电源用软磁芯，新成分的合金含有Co元素，Co可以改善合金的流动性，促成获得更薄、光洁度更高的带材，同时Co增大合金的磁感生各向异性能，使磁场处理效果更加明显，获得更低的剩磁Br，这会进一步降低损耗，这是本发明的另一个关键因素。

3、在热处理过程中，使炉内磁芯移动位置或旋转，达到均温的热处理方法，可以使磁芯整体获得最佳磁性能，这是本发明的另一个重要解决方案。

现分别详细叙述：

1、本发明成分的铁基纳米晶合金有更好的制带工艺性，可以使带材的厚度降低到24～28微米，厚度减薄是磁芯损耗降低的关键因素。

下面对本发明中各个合金元素的作用进行介绍：

在本发明的成分含量中，Fe是最基本的基础元素，是获得软磁性必不可少的，也是低成本的保证，为了保证有足够高的Bs值，Fe应该越多越好，但由于必须加入非晶形成元素B和Si，综合考虑Fe含量应在81％～86％之间。

Co含量在0.01％～5％之间，Co可以改善合金的流动性，促成获得更薄、光洁度更高的带材，同时Co增大合金的磁感生各向异性能，使磁场处理效果更加明显，获得更低的剩磁Br，这会进一步降低损耗。

Si和B等类金属是非晶态形成元素，它们的加入可以有效降低临界冷却速度，因此Si和B是必要的元素，Si的含量为7％～9％，B的含量为1.5％～2.5％。

Cu的添加是为了增加热处理时形成纳米晶相的形核率，是必不可少的元素，但含量不必太高，Cu含量为1％～2％。

M为Nb，Mo，V，W，Ta中的一种或几种，其作用是阻止晶化相的晶粒长大，保持纳米晶组织的细小，考虑M大都为贵金属，含量应尽量减少，M的含量为4％～7％。

M’为Al、Ti的至少一种，由于常规的带材制造过程是在空气环境中进行，空气卷入熔潭与冷却辊面之间的界面，形成微小气泡，造成带材表面粗糙。Al和Ti的微量加入可以显著改善合金的工艺性能，增加钢液的表面张力，有利于减少熔潭与冷却辊之间的空气泡，从而增加带材的表面光洁度。有了这一条件就可以将带材制成24～28μm的厚度，并达到要求的填充系数。M’的含量为0.001％～0.04％是本发明不可少的元素，Al和/或Ti的含量太多时一方面会造成合金的饱和磁感应强度下降过多，另一方面会影响正常制带。

2、新成分铁基纳米晶合金含有Co元素，Co可以改善合金的流动性有利于厚度减薄并增加磁感应各向异性能，获得更低的剩余磁感应强度Br，这会进一步降低损耗，这是本发明的另一个关键因素。

Co与Fe可以形成同类原子的磁偶极子Fe-Co，在磁场作用下，Fe-Co原子对越多，磁场处理后形成的磁感生各向异性越大，这样就有利于获得低的Br，形成扁平回线，对降低磁滞损耗有利。Co的加入增加钢液流动性，提高带材韧性，作用比较明显，是本发明方案中不可缺少的因素。Co对制带工艺性的改善与上述第1项微量Al或Ti的加入改善合金制带的工艺性能，从而提高带材表面的光洁度的联合作用的结果是增大铁芯的填充系数，从而可以增大变压器传送的能量密度或降低变压器的体积。

变压器单位时间转换的能量表示如下：W＝kfNBmSe

其中K为系数，f为频率，N为匝数，Bm为工作磁感，Se为磁芯有效截面积，而Se＝λS(0<λ≤1)，其中S为磁芯表观截面，λ为填充系数。在表观截面积相同的情况下，填充系数越大，有效截面积越大，变压器在单位时间传输的能量越多，或一定功率下变压器体积可以更小。

3、采用炉内磁芯位置移动或旋转达到均温的热处理方法

磁芯卷绕成型后，退火步骤如下：在有横向磁场装置的保护气氛或真空热处理炉中进行去应力退火，退火保温温度在520～600℃，保温1～2小时，升温速度100℃/小时。以上是获得优良磁性能的必要条件。但是由于炉膛内各处温度是不均匀的，尤其对装满大尺寸磁芯的较大炉膛，其不均匀性更大，有些差别达到10～20℃。为保证各磁芯的温度均匀性，本发明的一项重要技术方案是使磁芯放在可以转动的机构上，使磁芯在升温和保温过程中可以转动或移动。这种位置的移动速度可以很慢，也可以间歇移动或转动。这种位置的移动或转动，使铁芯在热处理过程中即保证炉内各磁芯的温度一致性，也保证单个磁芯的各部分温度一致性，使磁芯可以获得更好的磁性能，获得更低的铁损耗值。

因为热处理炉结构、热处理的装炉方式(位置及炉内气流流动方式)不同，以及磁芯与加热源的相对位置不同，很难使炉内温度均匀，这种不均匀性随炉膛的尺寸增大而增大。即便有些大型炉内有循环风机进行搅拌，也难以使炉内各处温度均匀。如图1所示，由于大功率磁芯的尺寸比较大，所处炉内空间点1、2、3、4、5的温度实际上并不一致，这样最终导致磁芯所处的空间点1、2、3、4、5的温度不一样，保温结束后，实际上较大的磁芯的各个部分的热处理温度不一样，导致性能不均匀，个别地方没有达到最佳处理的效果，而磁芯的性能最终取决于性能最差的那部分，因此，现有技术经常出现热处理不均匀，因此导致磁芯性能没有最佳化。

而本发明提供的方法，使磁芯沿轴线旋转，使磁芯不断换位置，增加均匀性，同时磁芯的转动带动炉内气流流动，也有助于炉内温度均匀。对大型炉可以实现磁芯的转动和位置移动，更增加铁芯的受热均匀性。由于每个铁芯都均匀热处理，各部分均匀一致，共同达到最佳热处理温度，这样热处理后的磁芯能得到最佳化的磁性能，包括最低的损耗值。

由于损耗更低，这种方法热处理后的磁芯的后续封装保护的形式就不仅限于中国专利ZL96106793.4提供的磁芯封装方法，也可以采用常规的表面喷涂环氧树脂方法，或者采用装保护盒的方法进行保护后并绕线圈制成变压器元件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明使用的新成分由于Co的加入，具有更大的磁感生各向异性，可以获得更好的横向磁场处理效果，使横向磁场处理后的磁芯比现有技术具有更低的剩磁感应强度Br，如Br≤0.2T的低剩磁；这可以进一步降低磁滞损耗，而现有技术使用的成分Fe83.4Cu1.3Nb5.6Si7.8B1.9不含Co元素，磁场处理效果比较弱，一般只能获得Br≤0.3T的剩磁。

2.本发明使用的新成分中含有改进工艺性能元素Al和Ti，少量的Al和Ti可以增大钢液的表面张力，可以减少熔潭与冷却辊面间的气泡；同时Co的加入提高了钢液的流动性，这两个因素使带材表面光洁度增高到Ra小于2μm，增加卷绕磁芯的填充系数；而现有技术使用的成分不具有这些优点，带材粗糙度较高(Ra大于4μm)，填充系数较低。

3.由于带材表面光洁度的提高，可以设立工艺参数使带材的厚度进一步减薄，达到24～28μm，而不出现网孔，进一步减薄的带材可以使带绕磁芯的高频涡流损耗大大降低。也由于同样的原因，现有技术使用的成分不能得到光滑表面的厚度小于28μm的纳米晶带材。

4.本发明采用的独特的热处理方法可以避免现有技术中热处理炉内磁芯不均匀加热的缺陷，使磁芯的损耗更低。

附图说明

图1是现有技术磁芯在卧式管式炉旋转示意图。

图2是本发明磁芯在退火中不同时间的旋转示意图，磁芯在炉内每隔一定时间旋转一定的角度，实现磁芯在炉内的位置移动，使各个磁芯的温度趋于一致；使磁芯自转能增加单个磁芯本身温度的均匀性。

图3是本发明磁芯与对比例磁芯的直流磁化回线对比图。

附图标记：

1，2，3，4，5：空间点  6：可转动的炉内磁芯

            7：炉壁    8：可转动的底座

具体实施方式

实施例1

将成分按重量百分比为Fe82.5Cu1.2Co0.5Nb5.6Si8.7B1.5(含有0.018％的Al)的母合金用单辊法制成厚度24μm的光滑薄带，宽度30mm，横向厚度公差小于1μm，绕制成

的圆环形磁芯，放入管式横向磁场炉内，在560℃保温1小时，保温期间每隔5分钟磁芯沿中心轴转动90°，保温结束后随炉冷却到室温，磁芯端面均匀涂上无应力保护膜，固化后放入带有网眼的保护盒中，用衰减振荡瞬态分析法测量损耗值，其损耗P5/20k＝21w/kg，磁芯的磁性能见表2。

表1为该实施例磁芯与中国专利ZL96106793.4方法制造的变压器工作1小时后性能的对比表，从表1可知，用该磁芯制成315A逆变焊机变压器，工作1小时磁芯温升仅为37℃。

图3为本实施例磁芯与对比例磁芯的直流磁化回线对比图。

表1

实施例2

将成分按重量百分比为Fe82.9Cu1.29Co0.1Mo5.8Si8.0B1.9(含有0.01％的Al和0.008％的Ti)母合金用单辊法制成厚度24μm，宽度40mm的光亮薄带，绕制成

的圆环形磁芯，放入管式横磁场炉内，在530℃保温1小时，保温期间使磁芯沿中心轴每隔8分钟转动90°，保温结束后随炉冷却到室温出炉，将磁芯表面用静电喷涂的办法在表面形成一层厚约0.2mm的环氧树脂膜，用衰减振荡瞬态分析法测量磁芯磁性能如表2所示。

实施例3

其它条件与实施例1相同，成分不同于实施例1。具体成分见表2。表2反映了本实施例与比较例化学成分，在f＝20kHz，Bm＝0.5T下的磁导率μ、剩磁比及损耗值，其中μ＝μ₁+iμ₂。

表2

Claims (14)

1、一种大功率逆变电源用铁基纳米晶软磁磁芯，该磁芯采用铁基非晶纳米晶带材卷绕而成，其特征在于：磁芯成分按重量百分比为Fe：81％～85％，Co：0.01％～5％，Si：7％～9％，B：1.5％～2.5％，Cu：1％～2％，M：4％～7％，M’：0.001％～0.04％，其中M为Nb，Mo，V，W，Ta中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种。

2、按照权利要求1所述的软磁磁芯，其特征在于：所述磁芯的带材厚度为24～28μm，表面粗糙度Ra小于2μm。

3、按照权利要求1所述的软磁磁芯，其特征在于：磁芯具有如下特性之一：剩磁比Br/Bs为0.01～0.2，损耗值P_5/20K为18～22w/kg，磁导率μ₁为20000～25000，磁导率μ₂为3000～6000，Bs为1.1～1.3T。

4、按照权利要求1所述的软磁磁芯，其特征在于：所述磁芯的形状是环形、矩形、跑道形中至少一种，重量为0.5kg～50kg。

5、按照权利要求1所述的软磁磁芯，其特征在于：所述磁芯是多个环形、矩形、跑道形磁芯进行组合得到的更大尺寸的复合磁芯。

6、按照权利要求1所述的软磁磁芯，其特征在于：磁芯的形状为环形时的内径为40～800mm，外径为60～850mm，高度20～100mm。

7、按照权利要求1所述的软磁磁芯，其特征在于：

磁芯成分按重量百分比为Fe：82～84％，Cu：1.2～1.3％，Co：0.1～0.5％，M：5.6～5.8％，Si：7.8～8.7％，B：1.5～2.0％和M’：0.01～0.02％，其中M为Nb，Mo，V，W，Ta中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种；

磁芯具有如下特性之一：磁导率μ₁为24000～25000，磁导率μ₂为5500～6800，损耗值P_5/20K为19～21w/kg，剩磁比Br/Bs为0.17～0.20。

8、一种大功率逆变电源用铁基纳米晶软磁磁芯的制造方法，该磁芯采用铁基非晶纳米晶带材卷绕而成，包括母合金冶炼、制带、卷绕和磁场退火步骤，其特征在于：磁芯成分按重量百分比为Fe：81％～85％，Co：0.01％～5％，Si：7％～9％，B：1.5％～2.5％，Cu：1％～2％，M：4％～7％，M’：0.001％～0.04％，其中M为Nb，Mo，V，W，Ta中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种；

在磁场退火过程中，磁芯在退火炉内移动和转动。

9、按照权利要求8所述的制造方法，其特征在于：制带步骤中得到磁芯的带材厚度为24～28μm，表面粗糙度Ra小于2μm。

10、按照权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于：在磁场退火步骤，磁芯在保护气氛或真空中退火，保温温度为520～600℃，保温时间为1～2小时，升温速度为100℃/小时。

11、按照权利要求10所述的制造方法，其特征在于：在磁场退火步骤，磁芯是在水平面方向或垂直水平面的方向进行运动。

12、按照权利要求11所述的制造方法，其特征在于：所述运动是连续的或间歇的。

13、按照权利要求10所述的制造方法，其特征在于：所述磁场退火之后还包括固化和/或装盒步骤，所述固化步骤是磁芯表面注塑、喷涂绝缘层中的一种。

14、按照权利要求10所述的制造方法，其特征在于：

磁芯成分按重量百分比为Fe：82～84％，Cu：1.2～1.3％，Co：0.1～0.5％，M：5.6～5.8％，Si：7.8～8.7％，B：1.5～2.0％和M’：0.01～0.02％，其中M为Nb，Mo，V，W，Ta中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种；

磁芯具有如下特性之一：磁导率μ₁为24000～25000，磁导率μ₂为5500～6800，损耗值P_5/20K为19～21w/kg，剩磁比Br/Bs为0.17～0.20。

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