CN101923941A - 逆变电源用低噪声变压器铁芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变电源用变压器铁芯，将原料成份C、Si、B、(Nb、Sb、V、Mo、Ta、Cr、W)、Cu、其余为Fe；按配比投入真空炉精炼，钢液温度为1500℃，充入氩气喷铸到高转速铜辊上，差动水冷却，得到20-26微米的低磁致伸缩非晶合金带材，并绕成变压器铁芯热处理，温度530℃，保温2-4小时使其合金晶化，得到低磁致伸缩系数λs的纳米晶铁芯；热处理保温和降温的同时施加直流磁场；对其纳米晶铁芯径向改换位置施加压应力，消除应力使其恢复至整个铁芯的片层间没有粘连；将纳米晶铁芯两侧端涂无应力胶层，再将纳米晶铁芯整体表面涂敷用于降噪的环氧树脂绝缘层。具有降噪效果好，是目前较为理想的变压器铁芯。

Description

逆变电源用低噪声变压器铁芯

技术领域

本发明涉及逆变电源用低噪声变压器铁芯，主要用于软磁材料功率铁芯及变压器、逆变电源、开关电源、脉冲电源，能量的转换和利用，有效降低了铁芯产生的噪声。

背景技术

目前逆变电源功率铁芯主要使用铁氧体和纳米晶铁芯。近几年随着功率不断加大，纳米晶铁芯越来越显示出更重要的优势和竞争力。中国专利ZL96106793.4和ZL96244535.5提供了一种逆变电源用软磁铁芯及其制造方法，是当前的主要使用技术。该方法是：将非晶或纳米晶软磁薄带卷取成积层形式；端面保护膜是用TH-840环氧树脂或TH-840FB环氧树脂中任意一种或者混合物涂敷在铁芯的长方向由薄带边缘构成的两个层间端面上的一层保护膜，该保护膜不仅具有一定的弹性，而且具有散热效果，在制成变压器浸漆时，可防止漆浸入铁芯中的片层之间，恶化磁性能。在护盒上开有一定尺寸的通风孔，护盒上的通风孔主要使铁芯可通风冷却，减小升温。但是该专利主要解决的问题是变压器的散热和升温问题，而对变压器的高频噪声问题并没有具体解决措施。

目前纳米晶铁芯使用的频率主要在3～25KHz，这刚好是人类听觉比较敏感的频率范围，在这个频率下，电磁振动而产生令人难以忍受的尖叫声，我们称为高频噪声。噪声的产生有多方面的原因，如：铁芯电磁振动、导线线圈的振动以及其他元件的电磁振动等。其中铁芯的噪声是主要的。其影响因素有：铁芯的磁致伸缩系数大小，铁芯的叠片的光洁程度和紧密程度，工作磁感值Bm，铁芯受力状态和封装材料等。其中铁芯的磁致伸缩系数λs和带材的表面粗糙度是重要的影响因素。这些问题现有使用技术并没有解决的方案。以至于目前使用的逆变电源铁芯和开关电源铁芯经常有很大的噪声，而不得不降低工作磁感Bm，有些即使降低Bm使用也无法避免噪声，再加上其它部件如线圈和电路中产生的噪声，经常会因难于忍受噪音而被迫停止使用。因为现有技术下逆变电源铁芯使用的合金成份是 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，该成份合金的磁致伸缩λs＝2.1×10-6，由于材料的磁致伸缩系数不为零，铁芯是由薄片状磁性材料堆叠而成，因而在高频交变磁场的作用下会发生一定频率的尺寸变化，产生振动并出现较大的噪声。

发明内容

鉴于上述现状，本发明的目的是提供了一种逆变电源用低噪声变压器铁芯，使其铁芯与导线间的耦合距离比较小，减小了变压器漏感，大大降低了变压器的噪声。

本发明的另一目的还提供了逆变电源用低噪声变压器铁芯的生产方法。

本发明的逆变电源用变压器铁芯，是由下述原料的合金(重量百分比)组成：

C：0.5-5、Si：15.0-18.5、

B：1.5-6.0、(Nb、Mo、Sb、V、Ta、Cr、W)：2.8-3.1、Cu：0.8-1.2、其余为含有杂质的Fe。

本发明的原料(重量百分比)是：

C：0.5-3.5、Si：15.5-17.5、B：1.5-6.0、

(Nb、Mo、Sb、V、Ta、Cr、W)：2.9-3.0、Cu：0.9-1.1、其余为含有杂质的Fe。

本发明的原料(重量百分比)是：

C：3.0、Si：16.5、B：5.0、(Nb、Mo、Sb、V、Ta、Cr、W)：3.0、Cu：1.0、其余为含有杂质的Fe。

本发明中所指的新合金成份：Fe余CcCu1(Nb、Sb、V、Mo、Ta、Cr、W)3(SiaBb)17～22(元素百分数)。

本发明的逆变电源用变压器铁芯的生产方法是：

1、按配比选取C、Si、B、(Nb、Mo、Sb、V、Ta、Cr、W)、Cu、其余为含有杂质Fe的合金原料投入真空炉精炼，至钢液温度为1500℃，充入氩气保护实施平面流铸，将钢液喷铸到高速转动的铜辊上，差动水冷铜辊至100万摄氏度的冷却速度，得到厚度达为20-26微米的低磁致伸缩非晶合金带材；

2、将低磁致伸缩非晶合金带材按要求卷绕成规格的盘卷进行热处理， 最高温度530℃度，保温时间2-4小时使其合金晶化，得到低磁致伸缩系数λs的纳米晶铁芯；

3、并在热处理保温和降温的同时施加直流磁场，磁场的方向垂直于铁芯的工作磁场，其磁场的强度大于450kA/m，纳米晶铁芯的剩磁小于0.1T；

4、对其纳米晶铁芯的径向施加压应力，并不断改换位置，进行变形-恢复，再变形-再恢复至圆形，消除应力使其恢复至整个铁芯的片层之间没有形成粘连；

5、将纳米晶铁芯的两侧端面涂软性无应力胶层，使各片层间彼此紧固；

6、再将纳米晶铁芯整体表面涂敷用于降噪的环氧树脂绝缘层。

根据本发明的方案，所涉及纳米晶铁芯的软性无应力胶层是选用706硅胶，其涂层厚度为0.1～0.5mm。

在本发明中，所指纳米晶铁芯表面涂敷环氧树脂层的厚度为0.4～0.6mm。

总之，本发明具有的积极效果是：1、与现有技术相比，本发明采用新合金成份明显改善了带材的表面质量和降低了磁滞伸缩系数。2、通过控制热处理的最高温度和保温时间，使得新成份合金进一步发挥作用，热处理后的磁芯磁致伸缩系数进一步降低，λs接近于零。3、热处理过程中，施加了足够强大的横向磁场，降低了铁芯的磁滞损耗。4、铁芯经过反复的变形恢复过程，使铁芯叠片层间达到一致的磁滞伸缩系数，从而明显的降低了噪声。5、使用更薄、表面质量更好的原始带材制造逆变电源用铁芯，可以更加降低涡流损耗，降低铁芯磁场热处理后的剩磁。6、软性无应力胶有一个软的弹性层吸收应力，从而获得低噪声的逆变电源用纳米晶铁芯。7、本发明由于使用更薄的带材与新热处理工艺，使铁芯的磁滞伸缩系数趋近于零。表面的环氧树脂层取代了现有技术中的保护盒，不但降低了成本而且在后续的变压器线圈缠绕中减少了漏磁和分布电容并降低噪声。

实施例1：

本发明选用的新合金成份：Fe_余CcCu₁(Nb、Mo、Sb、V、Ta、Cr、 W)₃(Si_aB_b)_17～22(元素百分数)；

1、按重量百分比选取原料碳C：0.5、硅Si：17.5、硼B：4.0、(铌Nb：0.4、钼Mo：0.4、锑Sb：0.4、钒V：0.5、钽Ta：0.4、铬Cr：0.5、钨W：0.4)：3.0、铜Cu：1.0、其余为含有杂质的Fe备用；

具体实施方式

2、将上述配比的原料投入真空炉精炼，至钢液温度为1500℃，充入氩气保护实施平面流铸，将钢液喷铸到高速转动的铜辊上，差动水冷铜辊至100万摄氏度的冷却速度，用单辊法制得带宽30mm、厚度达26μm的低磁致伸缩非晶合金带材；

3、将低磁致伸缩非晶合金带材卷绕成 

的铁芯，在温度530℃进行热处理(为最高温度)，保温时间4小时使其合金晶化，得到低磁致伸缩系数λs为0.2×10^-6的纳米晶铁芯，通过施加足够大的直流横向磁场以获得足够低的剩磁，这是本发明一个重要的技术措施。

4、并在热处理保温和降温的同时施加直流磁场，磁场的方向垂直于铁芯的工作磁场，其磁场的强度大于450kA/m，纳米晶铁芯的剩磁小于0.1T。

5、热处理后，对其纳米晶铁芯的径向施加压应力，并不断改换位置，进行变形-恢复，再变形-再恢复至圆形，消除应力使铁芯完全松弛，恢复至整个铁芯的片层之间没有形成粘连。铁芯热处理后，在铁芯环的径向施加压应力，使其变为椭圆，然后除去应力使其恢复，并不断改换位置，进行变形-恢复，再变形-再恢复，反复操作，最终使整个铁芯的片层之间没有形成粘连，因为这个粘连是在热处理高温下形成的，它使片层之间形成相互制约并引入应力。在交变磁场作用下，产生不一致的磁致伸缩，形成噪声尖叫。而经过变形恢复再变形再恢复，可以免除这种粘连，使铁芯的高频噪声大大降低。并使铁芯的性能稳定，这可以有效降低涡流损耗。因为在5-25KHz的频率下，涡流损耗是铁芯损耗的重要组成部分。

6、将纳米晶铁芯的两侧端面涂软性无应力胶层，使各片层间彼此紧固。将纳米晶铁芯的两个端面上涂一层0.1～0.5mm厚的软性无应力胶，选用706硅胶，将片层与片层紧固而不产生振动不形成噪声。

7、用静电喷涂方法，再将纳米晶铁芯整体表面涂敷一层0.4～0.6mm厚 度用于降噪的环氧树脂绝缘层，环氧树脂材料选用TH-180或TH840。将纳米晶铁芯的表面形成的环氧树脂绝缘层，这样铁芯就紧密固定好。在电磁交变作用下，不产生或产生很小的噪声。这个绝缘树脂层，即是铁芯的保护盒，又是可以紧紧将铁芯的各片层之间压紧，使其不产生电磁振动。

为充分表明本发明铁芯的降噪效果，将发明铁芯的成份与现有技术的成份对比和磁性能及噪声对比。见对照表：

而传统技术使用Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉的合金成份，厚度为32微米，在560度热处理一小时，采用装盒的保护铁芯方法，绕制相同的变压器。

实施例2：

配制成份为：Fe_余C₃Cu₁Nb₃Si₁₈B₅的合金，用单辊法制带宽30mm、厚24μm，测得其λs为0.1×10^-6，绕成 

的铁芯，采用与实施例1相同的方法操作后，测定其噪声仅为19dB。见对照表。

实施例3：

配制成份为：Fe_余C₁Cu₁Nb₁V₂Si₁₇B₆的合金，用单辊法制带宽30mm、厚24μm，测得其λs为0.1×10^-6，绕成 

的铁芯，采用与实施例1相同的方法操作后，测定其噪声仅为22dB。见对照表。

实施例4：

本实施例采用与实施例1相同的工艺制成的变压器。与实施例1不同的是：本实施例制成的变压器铁芯不经过挤压；而实施例1的变压器铁芯经过挤压。为说明两种变压器铁芯的区别，同时给出对比例的相应数值，其变压器的噪声和铁芯损耗见对照表。表明了同一种成份合金，热处理工艺相同， 挤压与不挤压对变压器铁芯的性能影响。

Claims (6)

1.一种逆变电源用变压器铁芯，其特征在于，由下述原料按重量百分比组成：

C：0.5-5、Si：15.0-18.5、B：1.5-6.0、(Nb、Mo、Sb、V、Ta、Cr、W)：2.8-3.1、Cu：0.8-1.2、其余为含有杂质的Fe。

2.根据权利要求1所述的逆变电源用变压器铁芯，其中各原料按重量百分比是：

C：0.5-3.5、Si：15.5-17.5、B：1.5-6.0、(Nb、Mo、Sb、V、Ta、Cr、W)：2.9-3.0、Cu：0.9-1.1、其余为含有杂质的Fe。

3.根据权利要求1所述的逆变电源用变压器铁芯，其中各原料按重量百分比是：

C：3.0、Si：16.5、B：5.0、(Nb、Mo、Sb、V、Ta、Cr、W)：3.0、Cu：1.0、其余为含有杂质的Fe。

4.根据权利要求1、2或3所述的逆变电源用变压器铁芯的生产方法，步骤包括：

1)按配比选取C、Si、B、(Nb、Mo、Sb、V、Ta、Cr、W)、Cu、其余为含有杂质Fe的合金原料投入真空炉精炼，至钢液温度为1500℃，充入氩气保护实施平面流铸，将钢液喷铸到高速转动的铜辊上，差动水冷铜辊至100万摄氏度的冷却速度，得到厚度达为20-26微米的低磁致伸缩非晶合金带材；

2)将低磁致伸缩非晶合金带材按要求卷绕成规格的盘卷进行热处理，最高温度530℃度，保温时间2-4小时使其合金晶化，得到低磁致伸缩系数λs的纳米晶铁芯；

3)并在热处理保温和降温的同时施加直流磁场，磁场的方向垂直于铁芯的工作磁场，其磁场的强度大于450kA/m，纳米晶铁芯的剩磁小于0.1T；

4)对其纳米晶铁芯的径向施加压应力，并不断改换位置，进行变形-恢复，再变形-再恢复至圆形，消除应力使其恢复至整个铁芯的片层之间没有形成粘连；

5)将纳米晶铁芯的两侧端面涂软性无应力胶层，使各片层间彼此紧固；

6)最后再将纳米晶铁芯整体表面涂敷用于降噪的环氧树脂绝缘层。

5.根据权利要求4所述的逆变电源用变压器铁芯的生产方法，其特征是，所述软性无应力胶层是选用706硅胶，其涂层厚度为0.1～0.5mm。

6.根据权利要求4所述的逆变电源用变压器铁芯的生产方法，其特征是，所述环氧树脂绝缘层的厚度为0.4～0.6mm。