CN101572182B - 超微晶变压器铁芯制作方法及其专用模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超微晶变压器的铁芯制作方法和专用模具，将超微晶薄片状带材在圆型模具上重叠缠绕成圆型胚体，方型模具的内模插入圆型铁芯胚体的圆型内窗口中，使内窗口变型为方型，再用方型外模围夹于铁芯外侧，成型为方型铁芯胚体并连同方型模具放入高频加热炉，560±10℃热处理四小时，以每分钟100±5℃的速度降温至80℃，注入含固化剂的改性环氧树脂，然后放入80-110±5℃的烘箱中固化定型8小时；取出脱模，自然冷却后切开为两个U型超微晶变压器铁芯。采用本方法和专用模具在绕制及热处理等各过程中超微晶带材或胚体所受应力均匀，避免断裂或受损。铁芯的电磁特性、频率特性佳，功耗和温升低，可制成大功率高频高压电源的变压器铁芯。

Description

超微晶变压器铁芯制作方法及其专用模具

技术领域

本发明涉及一种超微晶变压器铁芯制作方法及该方法的专用模具。

技术背景

变压器铁芯是电源变压器内部的导磁元件，硅钢片和铁氧体是制作变压器铁芯最常见的材料。随着科技发展，许多大型设备(如大型锅炉的烟气静电除尘器等)需要使用大功率高频高压电源，对变压器铁芯在高频状态下的使用功率及功耗提出了更高的要求。铁芯的功耗造成变压器的温升，控制变压器铁芯特别是大功率高频高压电源的变压器铁芯的功耗，是降低工作温升的重要环节，也是变压器铁芯重要质量指标。在不影响电磁特性和频率特性的前提下，要求铁芯的功耗尽量低。

然而，传统的硅钢片铁芯因频率特性已不能适用高频变压器；铁氧体材料其生产工艺无法达到大功率变压器的要求；钴基非晶材料虽然具有较好的性能，但其价格极其昂贵，用于工业产品，成本过高。近年来，超微晶材料因其频率特性和电磁特性都比较理想，是制作大功率变压器铁芯的理想材料，用它制成的互感器电磁特性好，功率损耗小。超微晶材料是以铁为基材，加入少量铌、錋等稀有元素，通过急冷工艺制成厚度小于0.025mm的簿片状带材；用这种薄片状超微晶带材通过绕制重叠成型，随后通过热处理、定型等处理程序，制成铁芯。传统的方法是将单层超微晶薄片状带材直接绕制出方型铁芯胚体，然后以脱模状态进行后续热处理等工序，这种制备工艺存在以下缺陷：

1.因超微晶薄片状带材脆性(易碎性)，加之薄片状带材本身一侧厚，一侧薄，以单层带材直接在方型模具上绕制容易产生应力不均而断裂，而且绕制而成的超微晶铁芯胚体厚度不匀；脱模胚体在热处理、定型等过程中也均容易出现碎裂、变型等现象，因此成品率低。

2.热处理的炉温控制范围过大、炉内各点温度不均匀会使铁芯的导磁特性降低，铁芯的工作温升过高，功率损耗过大，而且对机械强度、磁导率都会受影响，由于大功率变压器对工作温升、功率损耗、机械强度、磁导率等指标要求更高，因此目前常规工艺一般只限于制作功率较低的变压器的超微晶铁芯。例如，静电除尘器用大功率高频变压器铁芯的功率损耗必须控制在小于35W/kg，而现有工艺制成的超微晶铁芯难以达到这个要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超微晶变压器铁芯的制作方法，制作成本低，且制成的变压器铁芯电磁特性好。以解决常规工艺制作的超微晶变压器铁芯成品率低，性能差，难以满足大功率变压器的需要；本发明还提供制作超微晶变压器铁芯的专用模具。

本发明制作超微晶变压器铁芯的方法，包含超微晶薄片状带材重叠绕制、热处理及定型程序，所说的绕制程序是在圆型模具上重叠缠绕成层状圆型胚体，所说的圆型模具的圆周长度与铁芯内窗口的周长的设计值相符；将圆型胚体从圆型模具上卸下，采用由内模和外模组成的方型模具，将方型内模插入圆型铁芯胚体的圆型内窗口中，使内窗口变型为方型，再用方型外模围夹铁芯外侧，使其成型为方型铁芯胚体；将方型铁芯胚体连同模具放入高频加热炉均匀加热，控制炉温在560±10℃，四小时后取出，以每分钟100±5℃的速度降温至80℃，通过真空浇注机注入含有固化剂的改性环氧树脂，使之充填超微晶铁芯的层间空隙，然后放入烘箱，在80-110±5℃下固化定型8小时；取出脱模，自然冷却后切开为两个U型超微晶变压器铁芯。

所说的固化定型阶段的烘箱温度为阶段性升温，依次为：80℃，4小时、90℃，2小时、100℃，1小时、110℃，1小时。

上述制备方法还可包含以下步骤：

对于厚薄不均的超微晶薄片状带材，绕制时，将带材的厚侧与簿侧相间地两两成对重叠，以一对或一对以上的重叠带材进行绕制。这样可使铁芯胚体厚薄均匀。

本方法的专用模具包括圆型模具和方型模具。

所说的圆型模具由两半圆环和一连杆组合而成，两半圆环对称地位于连杆两侧，连杆的两端与两半圆环的端部分别以推拔的方式连接。

所说的方型模具包括方型内模和方型外模，方型内模包含方型主架和内撑架，所说的方型主架由两个U型体组成，该U型体的内壁和所说的内撑架的外壁之间通过多个小柱活动连接；所说的方型外模由带有一对折耳的两个U型体对拼组成，该两U型体对应折耳之间通过螺栓连接锁定。

所说的方型内模中，各小柱设有螺纹并连有螺帽，小柱的一端与内撑架相连，另一端通过螺帽调节小柱的撑开距离。

所说的方型内模中，组成内模主架的两U型体的对接臂长度之和小于铁芯方型内窗口对应边的长度，以便于插入胚体中，使圆型内窗口变成方型，然后通过内撑架和小柱将两U型体向外撑开，并调整螺帽，两对接端被撑开一定间距，达到设计尺寸，即两U型体的对接端之间形成间距。

本方法中，薄片状带材先以圆周方式绕制，受力均匀，避免超微晶薄带在绕制过程中出现断裂现象，再用方型模具成型，然后连同模具进行后续的热处理等处理过程。圆型模具用于确定铁芯窗口的周长，方型模具作为成型模具，同时还作夹具，使超微晶胚体夹持在方型内外模之间，并在夹持状态下进行后续的热处理和固化工序，在各过程中起调整应力、成型和保护作用，避免断裂受损。本方法热处理温度的控制可确保铁芯电磁特性、频率特性和功率损耗等指标均有明显的改善，固化温度的阶梯式升温方式，可减小环氧树脂固化应力的影响，有效避免铁芯自损，而且有利于成品铁芯使用中降低功耗和温升。

本方法的专用的圆型模和方型模具均可拆卸，超微晶簿片带材在圆型模具上绕制完成后，卸下连杆，两半圆环之间即出现空缺，可将二者向中部空缺处移动，超微晶圆型胚体即可安全脱模不损坏。接着采用方型模具，内模两U型体插入圆型胚体模的内圆窗口内，使圆形窗口变成方型，再通过方型内撑架和各小柱，将两U型体撑开定位，然后将外模的两U型体夹接于超微晶胚体的外侧，两对耳板分别用螺栓锁接固定，确保圆型胚体向方型胚体转化过程中不会受损。脱膜时，各部件可方便地一一卸下。

综上所述，本发明的制作方法和专用模具是针对超微晶簿片带材易变型易受损的特性而设计的，由此可制备出大尺寸(即大功率)的超微晶变压器铁芯，而传统方法虽能制作小尺寸(即小功率)超微晶变压器铁芯(因为小尺寸铁芯易损和升温、功耗问题相对来说不很突出)，但是无法制成大功率的超微晶变压器铁芯。

本方法制成的超微晶变压器铁芯适合在大功率电器的电源系统中配套使用。例如在频率为10000Hz到500000Hz工作状态下频率响应、功率及损耗等均能达到要求。

附图说明

图1表示超微晶铁芯的立体形状。

图(1)是超微晶铁芯的平面图，图(2)是超微晶铁芯的剖面图。

图2是圆型模具的结构图。

图2(1)是图2的J-J剖面展开图。

图3是方型模具的结构图。

图4是铁芯的静态磁滞回曲线图。

图5是铁芯在20kHz条件下测试的损耗特性线比较图。

具体实施方式

下面结合附图说明超微晶变压器铁芯专用模具的结构及使用过程。

如图1，超微晶变压器铁芯10的形状与常规变压器铁芯相同，中心含有方型内窗口11，将图1方形铁芯沿横向中心线切开，即成两个U型铁芯。

图2表示圆型模具由两半圆环体2-1、2-2和连杆1组合而成，两半圆环2-1、2-2对称地位于连杆1的两侧。见图2(1)，连杆1的端部与位于其两侧的两半圆环2-1、2-2的端面之间以斜面吻合并形成推拔结构。

图3表示方型模具的结构，包括方型内模和方型外模，方型内模包括由两个U型体4组成的内主架和一个内撑架6，该U型体4的内壁和内撑架6的外壁之间通过带螺帽的5-1小柱5连接，旋动螺帽可使小柱的长度延伸，用于调整该两U型体4之间的距离。方型外模由一对U型体3组成，U型体3的两臂端部设有折耳8，两个U型体对应折耳8之间通过螺栓7连接锁定。

实施例1超微晶变压器铁芯的制作

超微晶铁芯的规格如下表：

A(mm)	B(mm)	C(mm)	D(mm)	有效截面积(cm)2	磁路长度(cm)	铁芯质量(kg)
							270	170	60	60	36	84.57	20.3

表中A、B、C、D表示铁芯各部位的尺寸值，所对应的铁芯部位参见图1(1)、图1(2)。

制作过程如下：先将薄片状超微晶带材的厚侧与簿侧相间地两两成对重叠，将一对(或多对重叠)超微晶带材在图2所示的圆型模具的圆周外壁上层层重叠绕制至所需厚度，然后卸下连杆1，将两半圆环2-1、2-2向中部靠拢后取出，得到超微晶铁芯的圆型胚体；再用图3所示的方型模具成型，胚体成型过程如下：将图3方型模具各部件拆卸，用内模的两U型体4慢慢插入圆型胚体的圆型内窗口中，圆型内窗口转变为方形，然后如图3放入内撑架6，插入多个小柱5，调整螺帽5-1，使两U型体4向两侧撑开，形成缝隙9，然后连同模具放入高频加热炉均匀加热，控制炉温在560±10℃，四小时后取出，以每分钟100℃的速度降温至80℃，将模具脱出，涂上脱模剂后再夹住铁芯，通过真空浇注机注入含有固化剂的改性环氧树脂(改性的液体环氧树脂和改性的液态固化剂按100∶80的比例混合)，使之充填超微晶铁芯的层间空隙，然后放入烘箱固化，控制烘箱温度阶段性升温，依次为：80℃，4小时、90℃，2小时、100℃，1小时、110℃，1小时；脱模，自然冷却后切开为两个U型超微晶变压器铁芯。

通过测试得铁芯的物理特性如下表所示：

饱和磁感应强度Bs：	1.5T
		晶化温度：Tx，℃	560℃
连续工作温度范围：	-55～+130℃
		铁芯功耗(20kHz、0.5T条件下)	＜30W/kg

铁芯的静态磁滞回线如图4如所示。

本工艺和一般工艺制得的铁芯在20kHz测试条件下的功率损耗特性比较见图5。

由新工艺做的铁芯在频率为20kHz，磁感应强度为25mT条件下测得功率损耗为0.075W/kg，用下式计算：

$P_{\mathrm{cm}}^{\′}={\left(\frac{B_m^{\′}}{B_m}\right)}^2\×P_{\mathrm{cm}}={\left(\frac{500}{25}\right)}^2\×0.075=30$

即本方法 方法得的铁芯在频率为20kHz，磁感应强度为500mT条件下测得功率损耗为30W/kg。由此铁芯做成的变压器温升超不过30℃，可满足变压器的使用要求。

而一般工艺做的铁芯在频率为20kHz，磁感应强度为25mT条件下测得功率损耗为0.152W/kg，用下式换算：

$P_{\mathrm{cm}}^{\′}={\left(\frac{B_m^{\′}}{B_m}\right)}^2\×P_{\mathrm{cm}}={\left(\frac{500}{25}\right)}^2\×0.152=60.8$

即一般铁芯在频率为20kH磁感应强度为500mT条件下测得功率损耗高达60.8W/kg。此铁芯做成的变压器温升超过40℃，不能满足变压器的要求。

Claims (6)

1.一种超微晶变压器铁芯制作方法，包含超微晶薄片状带材重叠绕制、成型、热处理及定型程序，其特征是将超微晶薄片状带材在圆型模具上重叠缠绕成层状圆型胚体；将圆型胚体从圆型模具上卸下，采用由内模和外模组成的方型模具，将方型内模插入圆型铁芯胚体的圆型内窗口中，使内窗口变型为方型，再用方型外模围夹于铁芯外侧，使其成型为方型铁芯胚体；将方型铁芯胚体连同方型模具放入高频加热炉均匀加热，控制炉温在560±10℃，四小时后取出，以每分钟100±5℃的速度降温至80℃，通过真空浇注机注入含固化剂的改性环氧树脂，使之充填超微晶铁芯的层间空隙，然后放入烘箱，在80-110±5℃下固化定型8小时；取出脱模，自然冷却后切开为两个U型超微晶变压器铁芯。

2.根据权利要求1所述的超微晶变压器铁芯制作方法，其特征是所说的固化定型的烘箱控制温度阶段性升温，依次为：80℃保持4小时、90℃保持2小时、100℃保持1小时、110℃保持1小时。

3.根据权利要求2所述的超微晶变压器铁芯制作方法，其特征是将超微晶薄片状带材的厚侧与薄侧相间地两两成对重叠，以一对或一对以上的重叠带材进行绕制。

4.一种权利要求1制作方法的专用模具，其特征是包括圆型模具和方型模具，所说的圆型模具由两半圆环和一连杆组合而成，两半圆环对称地位于连杆两侧，连杆的两端与两半圆环的端部分别以推拔的方式连接；所说的方型模具包括方型内模和方型外模，方型内模包含方型主架和内撑架，所说的方型主架由两个U型体组成，该U型体的内壁和所说的内撑架的外壁之间通过多个小柱活动连接；所说的方型外模由带有一对折耳的两个U型体对拼组成，该两U型体对应折耳之间通过螺栓连接锁定。

5.根据权利要求4所述的专用模具，其特征是所说的方型内模中，各小柱设有螺纹并连有螺帽，小柱的一端与内撑架相连，另一端通过螺帽调节小柱的撑开距离。

6.根据权利要求4或5所述的专用模具，其特征是所说的方型内模中，组成内模主架的两U型体的对接臂长度之和小于铁芯方型内窗口的对应边长度，两U型体对接端之间形成间距。

Images