CN1020984C - 低频变压器 - Google Patents

Abstract

一种低频变压器，包括由具有如下通式表示组成的合金制成的磁芯，

(Fe_1-aMα_100-x-y-z-αCu_xSi_yB_zM′_α(原子%)

其中：M是Co和/或Ni，M′是选自下列元素组中的至少一种元素Nb、W、Ta、Mo、Zr、Hf和Ti、a、x、y、z和α分别满足0≤a≤0.3，0.1≤x≤3，0≤y≤17，4≤z≤17，10≤y+z≤28和0.1≤α≤5，至少50%的合金结构由细晶粒占据，当通过测量其最大直径时，平均晶粒尺寸为1000或更小。合金还可以含有选自下列元素组中的至少一种元素Ge、P、C、Ga、Al和N。

Description

本发明涉及一种具有高饱和磁通密度和低铁芯损耗的低频变压器，适合用作在市电频率下工作的配电变压器以及在10KHz或更低的低频下工作的变换变压器（inverter    transformers）。

按照常规，具有高饱和磁通密度和相对低的铁芯损耗的硅钢磁芯主要被用作在市电频率下工作的配电变压器的磁芯和在10KHz或者更低的低频下工作的变换变压器的磁芯。特别是在市电频率下，50%或者更多的铁芯损耗常常是由磁滞损耗引起的。因此，磁芯的矫顽力最好尽可能地小。这样的硅钢磁性材料的一些例子记载在日本特许公开62-37090、62-37688、62-45285和62-188748。这些材料经过轧制退火来产生再结晶等，从而提高它们的磁通密度和降低铁芯损耗。

近年来，由于快淬技术（例如单轧辊法）的进展，已经可以制造低铁芯损耗的高硅钢薄带和铁基非晶合金薄带。它们作为低频变压器材料已经引起了人们的极大注意。特别是，由于铁基非晶合金在市电频率下的铁芯损耗较小，只是硅钢的三分之一，因而作为一种节能材料已经引起了极大的注意，并且已经部分地实用于配电变压器等。可参见“Denki    Gakkaishi”第108卷.No1.1988，第41页。

然而，由于硅钢不具有足够低的铁芯损耗，因此它作为变压器的铁芯材料在节能和发热等方面还是不能令人满意的。

而铁基非晶合金具有足够低的铁芯损耗，但它也有缺点，即其磁致伸缩极大，因而对应力极为敏感。因此，机械振动和由于自身重量产生的形变等都会导致磁性能的恶化。此外，铁基非晶合金也可能随时间的增长而发生磁性恶化。

由于高硅钢在制成薄带或薄片状时极易破碎，因此它们不易绕成环状铁芯或者经切割用于提供迭层铁芯。在铁芯损耗方面，它也明显地比非晶合金差。

日本特征公开JP62-167852公开了一种低铁心损耗的铁基非晶合金，这种合金的组成可由以下通式表示：

（Fe_1-aM_a）_100-x-y-zCu_xSi_yB_z（原子%），式中M是选自由Ti、Zr、Hf、V、Ta、W和Ni所组成的元素组中的至少一种元素，a、x、y、z和z分别满足0.001＜a＜0.1，0.1＜x＜3，y＜19，5＜z＜25和15＜y+z＜30。这种合金在减少铁心损耗方面表显出显著的效果。然而，这种合金在铁心损耗随时间改变方面仍然较差。

本发明的目的是提供一种高可靠性的低频变压器，它具有相当高的饱和磁通密度，在10KHz或更低的低频区内有低的铁芯损耗，小的磁致伸缩，随时间增长小的磁性能变化以及小的能量消耗。

通过针对上述目的的认真研究，本发明的发明人业已发现，低频变压器所需要的优异性能，例如相当高的饱和磁通密度、低频下的低铁芯损耗、小的磁致伸缩和小的随时间变化，可以由具有如下通式表示组成的合金制成的磁芯来提供：

（Fe_1-aM_a）_100-x-y-z-αCu_xSi_yB_zM′_α（原子%）其中：M是Co和/或Ni，M′是选自下列元素组中的至少一种元素Nb、W、Ta、Mo、Zr、Hf和Ti，a、x、y、z和α分别满足0≤a≤0.3，0.1≤x≤3，0≤y≤17，4≤z≤17，10≤y+z≤28，01≤α≤5，至少50%的合金是由细晶粒组成的，当通过测量其最大直径时，平均晶粒尺寸为1000

或更小。

根据本发明另一实施例的低频变压器，包括由具有如下通式表示组成的合金制成的磁芯：

（Fe_1-aM_a）_{100-x-y-z-α-γ}Cu_xSi_yB_zM′_αX_γ（原子%）

其中：M是Co和/或Ni，M′是选自下列元素组中的至少一种元素Nb、W、Ta、Mo、Zr、Hf和Ti，X是选自下列元素组中的至少一种元素Ge、P、C、Ga、Al和N，a、x、y、z、α和γ分别满足0≤a≤0.3，0.1≤x≤3，0≤y≤10，4≤z≤17，0.1≤α≤5，γ≤4和10≤y+z+γ≤20，至少50%的合金结构是由细晶粒占据的，当通过测量其最大直径时，平均晶粒尺寸为1000

或更小。

图1是根据本发明一个实施例的磁芯透视图;

图2是根据本发明的合金热处理模式的示意图;

图3是铁芯损耗与B_m之间的关系曲线图;

图4是铁芯损耗随时间增长的变化曲线图;

图5是根据本发明另一个实施例的磁芯示意图;

图6是磁性能与P含量之间的关系曲线图。

在本发明中，Cu是必不可少的元素，其含量（x）是0.1～3原子%。如果低于0.1原子%，则Cu的添加对降低铁芯损耗基本不起作用;另一方面，如果Cu含量超过3原子%，则合金在热处理之前已变脆，因此难以加工使用。本发明的Cu含量最好在0.5～2原子%，在此范围铁芯损耗特别小。

根据本发明的合金一般可以利用快淬法形成具有上述组成的非晶合金来制造，例如采用单辊法、双辊法等，并接着对非晶合金进行热处理从而产生细晶粒。

由热处理而产生的细晶粒主要由bcc型Fe的固溶体构成，其平均晶粒尺寸为1000

或更小，并均匀弥散在合金结构中。如果平均晶粒尺寸为500 或更小，则可获得好的软磁性能。特别是， 平均晶粒尺寸为20～200

时，合金往往具有优异的软磁性能。

除了细晶粒之外，合金的其余部分主要是非晶。顺便提及，即使100%合金结构实际均被细晶占据，合金也具有足够好的磁性能。

在使合金结构细化、改善合金软磁性能和调节磁致伸缩方面，Si和B是有用的元素。根据需要按如下方式制造合金，用添加Si和B先形成非晶合金，然后对其进行热处理从而形成细晶粒。

Si含量（y）限定在0～17原子%，因为y超过17原子%时合金会变得极脆。

B含量（z）限定在4～17原子%，当子低于4原子%时，难于获得均匀的晶粒结构，从而使得低频下的铁芯损耗加大;当Z超过17原子%时，在热处理条件下磁致伸缩不利地变大，而这种热处理则是产生具有良好软磁性特性的合金所必需的。

在Si和B的总量（y+z）方面，当y+z小于10原子%时，铁芯损耗变得极大;当y+z大于28原子%时，饱和磁道密度急剧下降，而且铁芯损耗和磁致伸缩变大。

Si和B的含量最好是0≤y≤15，7≤z≤15和15≤y+z≤25，在此范围内容易获得在低频下具有低铁芯损耗的合金。

在本发明中，当M′与Cu一起添加时，它起到使析出的晶体细化的作用。M′是选自下列元素组中的至少一种元素Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo。M′含量（α）为0.1～5原子%。这是因为当α小于0.1原子%时，难以获得具有低铁芯损耗的合金;当α超过5原子%时，饱和磁通密度发生急剧下降，因而不利于低频变压器使用。α的最佳范围是1～3原子%，在此范围内可以获得具有高饱和磁通密度和低铁芯损耗的合金。

根据本发明，用于低频变压器的合金可以包含4原子%或者更低的元素X，它是选自下列元素组中的至少一种元素Ge、P、C、Ga、Al和N。这些元素不仅对合金非晶态的形成有效，而且当与Si和B一起添加时还对调节合金的磁致伸缩和饱和磁通密度有效。X的最佳含量范围是0.1～3原子%。

合金的余量除杂质之外基本上是Fe，但是部分Fe可以由包括Co和/或Ni在内的附加成分M所取代。M的含量（a）是0～0.3，因为当a超过0.3时，磁致伸缩变大，而且铁芯损耗上升。

顺便提一下，在不可避免的杂质方面，例如O、As、Bi、Pb、H、K、Na、Ca、Ba和Mg等，应该注意到在其含量不会使所需性能恶化的条件下，杂质的存在不被认为是改变了合金的组成。

合金进一步可以包含单独的Cr、Mn、V或Zn或者它们的结合。这些元素的总量是2原子%或更少。这些元素用于改善合金的耐蚀性及调节磁性能。然而，由于这些元素会引起饱和磁通密度的降低，因此在用于低频变压器对它们应低于2原子%。

上述合金的饱和磁通密度一般在10KG以上，但是出于使变压器小型化的目的，期望它在13KG以上。

总之，本发明所采用的合金组成如下：

（Fe_1-aM_a）_100-x-y-z-αCu_xSi_yB_zM′_α。

其中：0≤a≤0.3

0.1≤x≤3

0≤y≤17

4≤z≤17

10≤y+z≤28

0.1≤α≤5;

最佳值为：0≤a≤0.3

0.5≤x≤2

0≤y≤15

7≤z≤15

15≤y+z≤25

1≤α≤3。

（Fe_1-aM_α）_{100-x-y-z-α-γ}Cu_xSi_yB_zM′αXr.

其中：0≤a≤0.3

0.1≤x≤3

0≤y≤10

4≤z≤17

0.1≤α≤5

γ≤4

10≤y+z+γ≤20;

最佳值为：

0≤a≤0.3

0.5≤x≤2

0≤y≤10

7≤z≤15

1≤α≤3

0.1≤γ≤3

10≤y+z+γ≤20。

本发明所使用的合金可以按如下工艺制造。首先，利用单辊法、双辊法等制造厚度一般为50μm或更薄的非晶薄带，然后进行热处理，从而产生细晶粒。

热处理一般在真空中或惰性气体气氛中进行，例如氢气、氮气或氩气等。根据情况，也可以在氧化气氛和空气中进行热处理。

热处理温度和时间的变化取决于非晶合金薄带的组成以及由非晶合金薄带构成的磁芯形状和尺寸等。但是，一般来说，最好在450～700℃的温度下进行5分钟到24小时的热处理。

在热处理中，可以根据情况适当改变加热和冷却条件。可能在同一温度或不同的温度下进行几个周期的热处理，也可以按多步骤组成的热处理模式来进行热处理。此外，可以在直流或交流磁场中进行合金的热处理，从而提供具有磁各向异性的合金。

不必在热处理的整个期间都施加磁场，可以在热处理温度低于合金的居里温度T_c的任何时候施加磁场。而且，在热处理过程中可以施加旋转磁场。此外，可以这样对合金进行热处理，即在热处理过程中对合金通以电流或把合金置于高频磁场中。还可以在热处理过程中施加强力或压力，用以调节合金的磁性能。

为了进一步降低铁芯损耗，可以采用局部刮痕或激光束照射的办法在合金薄带中引入局部缺陷或形变，从而使磁致伸缩被分割。

本发明所用磁芯包括卷绕铁芯、迭片铁芯等。希望在合金带的部分表面或整个表面上形成一绝缘层，这样可以降低铁芯损耗。当然，可以在合金带的一面或两面形成绝缘层。

可以采用浸渍法、喷镀法、电泳法等把绝缘粉末，如SiO₂、 MgO、Al₂O₃和Cr₂O₃等，附着于带表面从而形成绝缘层。也可以采用溅射法或汽相淀积法形成SiO₂、氮化物等薄层。按另一种方法，可以把改性烷基硅酸盐（alkylsilicate）的乙醇溶液与酸的混合物施加在带上。此外，通过热处理可以形成镁橄榄石（Mg₂SiO₄）层。用部分水解SiO₂-TiO₂金属醇盐（alkoxide）所获得的溶胶与各种陶瓷粉末混合，由此得到的混合物可以施加在带上，并干燥后加热。合金带还可以用主要由Tirano聚合物组成的溶液涂覆或浸渍以形成绝缘层。也可以通过热处理来在合金带表面形成Si等的氧化层或氮化物层。

在卷绕铁芯的情况下，可以在合金带上放置并缠绕绝缘带，以此在合金片层之间提供绝缘，绝缘带可以是聚酰亚胺带、陶瓷纤维带、聚酯带、芳族聚酰胺（aramide）带等。

在迭片铁芯的情形下，可以在每层或每少数几层之间插入绝缘薄膜，从而实现合金片层之间的绝缘。在此情形，可以使用非柔软性的材料作为绝缘薄膜，例如陶瓷片、玻璃片、云母片等。在迭片之后，同时加热加压使其接合在一起。

用于本发明变压器的磁芯即使在浸渍时也不会发生磁性能急剧恶化，而传统的用铁基非晶合金制作的磁芯则常常会发生。浸渍树脂包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、基于改性烷基硅酸盐的清漆、聚硅氧烷树脂等。

可以对合金带进行切割来形成裁剪铁芯，它们采用通常的方法搭接，例如多级重迭搭接法和斜衔搭接法等。

在变压器的制造中，由合金带构成的磁芯可以浸入油中，例如聚硅氧烷油等，以防止生锈。

此外，如果磁芯较大，可以用金属带将其紧固，以防止变形和损坏。

可以用绝缘带缠绕磁芯，以防止生锈和损坏，并提供电绝缘。

通过以下实施例将对本发明作详细解释，但并不限制本发明的范围。

例1：

采用单辊法把组成（原子%）为Fe₇₆Cu₁Si_13.5B₇Nb_2.5的合金熔体制成宽75mm、厚25μm的薄带。通过透视电子显微镜对其微观结构所做的观察，证实合金结构的大部分都是由平均晶粒尺寸为500

或更小的极细晶粒组成。

采用电泳法把MgO绝缘层涂覆在非晶合金带的表面上，并形成环形铁芯，然后把两个环形铁芯按图1那样组合起来，其中H＝390mm，W＝250mm，D＝150mm和T＝95mm。接着，在氮气氛中进行热处理，同时在热处理的整个期间沿平行于磁路的方向上施加10Oe的磁场。热处理模式如图2所示，以2℃/分的加热速率把合金带加热到550℃，在550℃保温1小时，然后以2℃/分的平均冷却速率把合金冷却到室温。

经热处理的磁芯的饱和磁通密度Bs为13.5KG，矩形比Br/Bs为94%，直流矫顽力Hc为0.009Oe。此外，其饱和磁伸缩系数λ_s为+2.3×10^-6，它比用于配电变压器的传统铁基非晶合金的十分之一还低。

另外，在50Hz下的铁芯损耗为0.06W/Kg，最大磁通密度Bm为12KG，这可比于铁基非晶合金。因此证明它适用于低频变压器。

例2：

采用单辊法把组成（原子%）为Fe₇₉Cu₁Si₄B₁₃Nb₃的合金熔体制成宽25mm，厚18μm的薄带。将该非晶薄带绕成外径为105mm、内径为100mm的环形。它在Ar气氛中进行热处理，以20℃/分的加热速率把合金带加热至550℃，在550℃下保温1小时，然后把它从炉中取出在空气中冷却至室温。在它出炉前10分钟沿平行于磁路的方向施加3Oe的磁场。

经热处理的磁芯的饱和磁通密度Bs为15.0KG，矩形比Br/Bs为85%。

图3表示在50Hz下上述合金（A）和取向硅钢（B）的铁芯损耗Bm的相关性。合金A的铁芯损耗小于取向硅钢B。因此，合金A适合用于市电频率下工作的变压器。

顺便提及，通过透视电子显微镜对合金微观结构的观察，证实合金结构与例1的基本相同。

例3：

采用单辊法把按表1所示组成的合金制成宽25mm、厚18μm的非晶合金薄带。每条非晶合金带卷绕成外径为110mm、内径为100mm的环形。按照与例1相同的方法对每个卷绕铁芯进行热处理。在热处理后的合金中，大多数的合金结构都被平均晶粒尺寸为500

或更小的极细晶粒所占据。

接着，把每个磁芯装入缩醛树脂芯壳中，并在初级侧和次级侧各绕250圈的绕组。在50Hz和12KG下对每个磁芯的铁芯损耗进行测量，结果如表1所示。

由表1可以清楚看出，本发明的合金的低频铁芯损耗比传统的硅钢低得多，并可与铁基非晶合金相比。因此，它们适合用于架杆式变压器、低频变换变压器等。

例4：

对组成（原子%）为（Fe_0.99Co_0.01）_78.5Cu₁Si₈B₉Nb₃Cr_0.5的合金熔体进行快淬，采用单辊法制成宽10mm、厚18μm的非晶合金薄带。

把薄带切成100mm的长度，把10个这样的薄片迭置，在空气中加热加压，从而形成厚0.2mm的迭层物。

然后在氩气氛中550℃下对迭层物进行1小时的热处理，同时沿其长度方向施加10Oe的磁场。在冷却到室温之后，用单片测试仪在50Hz和14KG下测量铁芯损耗。接着把迭层物置于120℃的恒温炉中测量铁芯损耗随时间的变化。结果如图4所示，其中W_o代表初始的铁芯损耗，W_t代表经过七小时后的铁芯损耗。图4中c代表合金（Fe_0.99Co_0.01）_78.5Cu₁Si₈B₉Nb₃Cr_0.5，D代表非晶合金Fe₇₈Si₉B₁₃。顺便提及，热处理后的合金C具有平均晶粒尺寸500

或更小的细晶粒结构，如例1那样。

正如图4所示那样，对本发明的合金C基本上观察不到铁芯损耗随时间的变化。

例5：

对组成（原子%）为1.5%Cu、4%Si、12%B、3%Nb、0.5%Al和余量基本为Fe的合金进行快淬，采用单辊法制成厚20μm、宽度各异的非晶合金薄带。每个薄带按图5所示形状绕制，制成具有环形截面和闭合磁路的磁芯。每个磁芯在氮气 氛和磁场中进行热处理。经热处理的合金具有平均晶粒尺寸为500 或更小的极细晶粒。

接着，在磁芯上绕制初级和次级绕组，制成如图5所示的配电变压器。其中，1代表用本发明的合金制成的磁芯，2代表绕组。它的总损耗比使用硅钢的传统变压器小14%，这表明本发明的低频变压器优于传统产品。

接着，把该变压器从30cm的高处跌落，然后测量其损耗，它基本没有变化。

例6：

对组成（原子%）为1%Cu、12%Si、9%B、3%Nb、0.5%Ge和余量基本上为Fe的合金熔体进行快淬，采用单辊法制成宽10mm、厚25μm的非晶合金薄带。

把该薄带按100mm的长度切割，把每10个这样的薄片迭置，在空气中加热加压，制成厚约0.3mm的迭层物。

然后在氩气氛中560℃下对迭层物进行1小时的热处理，同时沿长度方向施加30Oe的磁场。在冷却到室温后，采用单片测试仪在50Hz和12KG下测量铁芯损耗，测得铁芯损耗为0.06W/Kg。

接着，采用钇铝石榴石激光器在热处理后的薄带的自由结晶表面上横向施以局部点熔融处理，并在50Hz和12KG下测量铁芯损耗。测得铁芯损耗为0.05W/Kg。这表明激光处理降低了铁芯损耗，通过局部刮痕也可以得到相同的效果。

例7：

采用单辊法把具有如表2所示组成的合金熔体制成宽25mm、厚 20μm的非晶薄带。每条非晶薄带卷绕成外径为100mm、内径为80mm的环形。接着在氮气氛中进行热处理，同时在热处理整个期间由沿平行于磁路的方向施加5Oe的直流磁场。热处理模式如下：以2℃/分的加热速率把合金薄带加热至530℃，在550℃保温1小时，以2℃/分的平均冷却速率冷却，然后出炉空气冷却至室温。

经热处理的合金的微观结构与例1的相同。热处理后的合金磁性能如表2所示。

由表2可以证明，通过添加Ge、Ga、Al、N、C和P，使得合金矫顽力比不含这些元素的第24和25号样品低一半，同时基本保持与24和25号样品相同的饱和磁通密度。因此，添加上述元素对低频变压器来说是有效的。

例8：

采用单辊法把组成（原子%）为Fe_79.5Cu₁Si₄B_12.5-γNb₃P_γ的合金熔体制成宽15mm、厚18μm的薄带，并绕成外径为25mm、内径为20mm的环形。在所得的磁芯上设置热绝缘绕组，并通入电流，从而在平行于磁路的方向上产生5Oe的磁场。在此条件下进行如下热处理：以5℃/分的加热速率加热至530℃，在530℃保温1小时，然后以2.5℃/分的平均冷却速率冷却至室温，热处理气氛为氮气。

把经热处理的铁芯放入苯酚树脂芯壳内，并设置绕组来测量直流磁性能，结果如图6所示。

由图6可见，通过用P取代部分B可以降低矫顽力。当P含量超过4原子%时，矫顽力反而增大，而饱和磁通密度下降，对于铁芯损耗和变压器小型化的目的来说，这种倾向是不希望的。

如上所述，本发明的低频变压器适合用做在市电频率下工作的配电变压器和在10KHz或更低的频率下工作的变换变压器。

Claims (9)

1、一种低频变压器，其特征在于包括由具有如下通式表示的组分的合金制成的磁芯，

Fe_100-x-y-z-aCu_xSi_yB_zM^′ _a(原子%)

其中：M′是选自元素组Nb、W、Ta、Mo、Zr、Hf和Ti中的至少一种元素，x、y、z和a分别满足。0.1≤x≤3.0、y≤17、4≤z≤17、10≤y+z≤28和0.1≤a≤5，至少50%的合金结构由细晶粒占据，当测量其最大直径时，平均晶粒尺寸为1000 或更小。

2、一种低频变压器，其特征在于包括由具有如下通式表示的组分的合金制成的磁芯，

（Fe_1-aMa）_100-x-y-αCu_xSi_yB_zM′_α（原子%）其中：M是Co和/或Ni，M′是选自元素组分Nb、W、Ta、Mo、Zr、Hf和Ti中的至少一种元素a、x、y、z和α分别满足0＜a≤0.3，0.1≤x≤3、0＜y≤17、4≤z≤17、10≤y+z≤28和0.1≤α≤5，至少50%的合金结构由细晶粒所占据，当通过测量其最大直径时，平均晶粒尺寸为1000

更小。

3、根据权利要求1或2的低频变压器，其特征在于，所说的合金还含有Ge、C、Ga和Al中的至少一种元素，其含量为γ，合金满足0＜y≤10，10≤y+z+r≤20，其中Ge、C、Ga和Al的含量0＜γ≤4。

4、根据权利要求1或2的低频变压器，其特征在于，所说的合金满足0.5≤x≤2、0≤y≤15、7≤z≤15、15≤y+z≤25和1≤α≤3。

5、根据权利要求3的低频变压器，其特征在于，所说的合金带满足0.5≤x≤2、0＜y≤10、7≤z≤15、10≤y+z+γ≤20、1≤α≤3和0.1≤γ≤3。

6、根据权利要求1或2的低频变压器，其特征在于所述合金结构的剩余部分基本上是非晶的。

7、根据权利要求1或2的低频变压器，其特征在于所述合金结构基本上是由细晶粒组成的。

8、根据权利要求1或2的低频变压器，其特征在于所述细晶粒的平均晶粒尺寸是500

或更小。

9、根据权利要求1或2的低频变压器，其特征在于所述合金的饱和磁通密度Bs为13KG或更高。

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