CN102262951A - 用于低频段的软磁芯棒及其制造方法 - Google Patents

Abstract

用于低频段的软磁芯棒，其由高导磁率合金薄带、绝缘涂层叠合组成；磁芯棒截面呈矩形或多边形片层分布，片层数100～500；高导磁率合金薄带的厚度为0.03～0.20mm，高导磁率合金薄带的直流初始导磁率必须大于80000Gs/Oe；绝缘涂层涂覆在高导磁率合金薄带表面。本发明解决了原有技术实芯软磁芯棒电感输出随频率升高急剧下降的技术难题，20～500Hz的超低频段内，软磁芯棒电感输出值的波动幅度小于10％；且软磁芯棒电感输出值提高200％；大大提高了软磁芯棒的能量转换效率，改善了电磁信号输出的稳定性；同时，解决叠层软磁芯棒抗冲击和应力敏感的问题。

Description

用于低频段的软磁芯棒及其制造方法

技术领域

本发明涉及磁性材料元器件的生产制造，尤其指低频段(0～500Hz)的软磁芯棒及其制造方法。

背景技术

低频段(0～500Hz)电磁信号放大用软磁芯棒一般采用坡莫合金棒制作，该类磁芯棒具有应力敏感性小、制作方便的优点，但存在致命的缺陷，即：电磁信号放大效率低，随着频率上升信号输出大幅度下降。例如，Ni-Mo-Fe高导磁合金实芯圆棒，尺寸Φ15×1000mm，频率500Hz时的电感输出值，比频率20Hz时的电感输出值，下降40％以上，电感输出值的大幅波动现象(电感输出值的最大数与最小数相差悬殊，波动太大)，使电磁信号输出极不稳定，影响其使用。

理论研究表明：磁芯棒的电感输出值与使用频率有关，频率越高，电感输出值越小，这是不可避免的现象。其原因是涡流损耗和趋肤现象：

1、涡流损耗

通常，带有磁性铁芯的元件在磁化线圈中通过交流电进行磁化时，要损耗能量，磁性铁芯在磁化和反磁化过程中损耗的能量称为磁损耗或铁损耗。磁损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗两部分组成，磁滞损耗与频率无关，而涡流损耗，在片状磁芯中，单位体积的涡流损耗表述为：

P0∝π²f²Bm²d²/ρ          (1)

式中：f-频率，d-磁芯厚度，ρ-电阻率

涡流损耗与频率的平方和磁芯厚度的平方成正比，而与电阻率成反比，随频率升高损耗增大是必然的，但当电阻率非常大和厚度很薄时，磁滞损耗随频率升高的幅度就会变得很小。铁氧体软磁磁芯材料的电阻率非常大，高频磁滞损耗小，适合在高频下使用，但铁氧体软磁磁芯材料的导磁率低，不能满足超低频磁性天线的使用要求。过去一般认为，在低频范围内，由于频率低，涡流损耗不会太大，可以采用高导磁率合金棒材(热轧或冷轧)作为低频磁性器件的磁芯，但实际使用效果并不理想，导致这一现象的原因是，高导磁率合金的电阻率很小(约为0.6μΩ.m)，即使在低频范围内涡流损耗也是很大的。

2、趋肤现象

由于高导磁率合金棒材直径达Φ15mm，趋肤现象显著，根据楞次定律，在试样中感应而生的涡流所产生的磁场是和磁通量变化的方向相反的，这些感生电流(涡流)阻碍试样的磁化，当试样较厚和频率较高时便严重偏离磁均匀化状态，此时试样内部磁化甚微，试样总体的导磁率下降。趋肤深度和试样的电阻率ρ、导磁率μ、频率f有关，趋肤深度ds可表述为：

$\mathrm{ds}=5030\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}.f}}\·\·\·.$

式中：f-HZ，ρ-Ω.cm，μ-GS/Qe

只有当ds远较试样的厚度为大时，才可以认为试样的磁化是均匀的，按照高导磁率合金棒材开路导磁率1700计算，20Hz时的趋肤深度为2.1mm，500Hz时的趋肤深度为0.42，因此Φ15mm高导磁率合金棒材磁化是不均匀的，能量转换效率很低。

发明内容

本发明的目的是设计一种用于低频段的软磁芯棒及其制造方法，解决原有技术实芯软磁芯棒电感输出随频率升高急剧下降的技术难题，20～500Hz的超低频段内，软磁芯棒电感输出值的波动幅度小于10％；且软磁芯棒电感输出值提高200％；大大提高了软磁芯棒的能量转换效率，改善了电磁信号输出的稳定性；同时，解决叠层软磁芯棒抗冲击和应力敏感的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于低频段的软磁芯棒，其特征是，软磁芯棒由高导磁率合金薄带、绝缘涂层叠合组成；磁芯棒截面呈矩形或多边形片层分布，片层数100～500；高导磁率合金薄带的厚度为0.03～0.20mm，高导磁率合金薄带的直流初始导磁率必须大于80000Gs/Oe；绝缘涂层涂覆在高导磁率合金薄带表面。

薄带的厚度低于0.03mm则叠层制造的磁芯棒的刚度不够，磁芯棒容易产生应力，使磁芯棒的磁性能受到损失；高于0.20mm则因趋肤现象引起的磁损耗将增大；合金的直流初始导磁率必须大于80000Gs/Oe低于此值磁芯棒电感输出值过小，不能满足要求。

进一步，所述的高导磁率合金薄带的材料为初始导磁率大于80000Gs/Oe的1J85、或1J77、或初始导磁率大于80000Gs/Oe的坡莫合金合金冷轧带，或者是采用高初始导磁率大于80000Gs/Oe非晶、或超微晶高导磁率合金带。

所述的绝缘涂层的材料成分为：氧化镁70-90％、三乙醇胺5-15％、乙醇混合物5-15％，以重量百分比计。在1200℃以下高温热处理后能保证具有良好的绝缘性能，绝缘涂层可以减低磁芯棒涡流损耗。

所述的磁芯棒截面呈矩形状片层，磁芯棒矩形截面的a∶b＝0.7～1.3。

本发明用于低频段的软磁芯棒的制造方法，其包括如下步骤：

1)首先，将高导磁率合金薄带定尺剪切成需要的长度，再将绝缘涂层均匀涂覆在薄带表面；

2)其次，将涂覆绝缘涂层的合金薄带面与面叠合到需要的尺寸，截面呈矩形状或多边形片层分布叠合后的磁芯棒应平整、平直，再用夹具夹紧固定后与夹具一起放入热处理炉中；

3)热处理，热处理温度、时间按选用合金的常规的提高磁性能的热处理工艺进行热处理，热处理完毕，去除夹具并用绝缘带缠绕包覆；

4)绝缘带包覆后的磁芯棒用铜箔或铝箔包覆，然后将其放入套管中，

上述套管的直径应比磁芯棒截面最大对角线大1～3mm；

5)用发泡树脂将磁芯棒固定在套管中，发泡树脂中有大量空隙，起到较好的避震作用，套管起保护作用并可在其外面直接绕线圈。

其中，所述的套管为非金属管、或铜管、或铝管。

所述的非金属管选用酚醛树脂管、或PVC塑料管。

本发明采用薄带叠层和层间绝缘的方法制造磁芯棒，软磁芯棒截面呈片层分布(由于层间电阻大、薄带厚度小，涡流和趋肤现象引起的磁损耗大幅度降低，能量转换效率提高)代替高导磁合金实芯圆棒结构，解决原有技术实芯软磁芯棒电感输出随频率升高急剧下降的技术难题，20～500Hz的超低频段内，软磁芯棒电感输出值的波动幅度小于10％；且软磁芯棒电感输出值提高200％(电感输出值越高，磁性器件的灵敏度越高)；大大提高了软磁芯棒的能量转换效率，改善了电磁信号输出的稳定性。由于采用套管保护和用发泡树脂将磁芯棒固定在套管中，解决了叠层软磁芯棒抗冲击和应力敏感的问题。

本发明的有益效果：

1、本发明制造的磁芯棒因涡流和趋肤现象引起的磁损耗大幅度降低，500Hz时的电感输出比20Hz时下降值可控制在10％以内，而实芯圆棒磁芯的降幅高达40％以上，效果明显。

2、叠层磁芯棒电感输出值比相同形状磁芯棒高3～4倍。

3、用发泡树脂将磁芯棒固定在套管中，磁芯棒抗应力敏感和抗震动能力增强。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

在实施例中，制造磁芯棒的薄带采用1J85高导磁率合金冷轧带，厚度为0.05mm，直流初始导磁率1×10⁵Gs/Oe。

将0.05mm 1J85高导磁率合金冷轧带纵向剪切分条成20mm宽度，然后涂覆耐高温绝缘涂层，涂覆完毕，定尺剪切成1000mm。将250片0.05×20×1000mm 1J85高导磁率合金薄片，面与面叠合在一起，叠合截面尺寸为15×20mm，垂直叠合面的四个面应尽量平整，叠合后的磁芯棒用耐热不锈钢夹具夹紧固定后放入H₂保护气氛热处理炉中，按下述热处理工艺进行热处理：1180℃保温5小时/炉冷至500℃保温1小时/快冷至250℃出炉。

热处理完毕，去除夹具并用绝缘带缠绕包覆，包覆过程应避免磁芯棒弯折和受到冲击，以免磁芯棒的磁性能损失，绝缘带缠绕包覆应紧密，以免绝缘不良。

绝缘带包覆后的磁芯棒用铝箔包覆(有利于避免高频电磁波的干扰)，然后将其放入非金属管中，非金属管选用有一定强度和刚度的酚醛树脂管，管的直径应比磁芯棒截面最大对角线大2mm，然后用发泡树脂将磁芯棒固定在非金属管中，发泡树脂中有大量空隙，起到较好的避震作用，非金属管起保护作用并在其外面直接绕线圈。超低频磁芯棒绕制6万匝线圈时的电感测试值见表1，俄罗斯样品和1J85冷拉磁芯棒尺寸为Φ15×1000mm，1J85叠层磁芯棒尺寸15×20×1000mm。

表1 低频磁芯棒绕制6万匝线圈时的电感测试值

	本发明	俄罗斯样品	1J85冷拉磁芯棒
				测试参数	电感L(H)	电感L(H)	电感L(H)
20Hz	2389	591	490
				40Hz	2376	574	469
80Hz	2268	549	441
				120Hz	2250	533	424
200Hz	2246	510	402
				250Hz	2243	504	387
300Hz	2241	498	378
				400Hz	2235	470	330
500Hz	2231	345	258

从表1可以看到，1J85叠层磁芯棒电感测试值(6万匝线圈)比比较磁芯棒高3～4倍，500Hz时的电感测试值比20Hz时尽下降6.6％，而俄罗斯样品和1J85冷拉磁芯棒尺寸下降值分别高达41％和47％。

Claims (7)

1.用于低频段的软磁芯棒，其特征是：软磁芯棒由高导磁率合金薄带、绝缘涂层叠合组成；磁芯棒截面呈矩形或多边形片层分布，片层数100～500；高导磁率合金薄带的厚度为0.03～0.20mm，高导磁率合金薄带的直流初始导磁率必须大于80000Gs/Oe；绝缘涂层涂覆在高导磁率合金薄带表面。

2.如权利要求1所述的用于低频段的软磁芯棒，其特征是，所述的高导磁率合金薄带的材料为初始导磁率大于80000Gs/Oe的1J85、或1J77、或初始导磁率大于80000Gs/Oe的坡莫合金合金冷轧带，或者是采用初始导磁率大于80000Gs/Oe非晶、或超微晶高导磁率合金带。

3.如权利要求1所述的用于低频段的软磁芯棒，其特征是，所述的绝缘涂层的材料成分为：氧化镁70-90％、三乙醇胺5-15％、乙醇混合物5-15％，以重量百分比计。

4.如权利要求1所述的用于低频段的软磁芯棒，其特征是，所述的磁芯棒截面呈矩形状片层，磁芯棒矩形截面的a∶b＝0.7～1.3。

5.如权利要求1所述的用于低频段的软磁芯棒的制造方法，其包括如下步骤：

1)首先，将高导磁率合金薄带定尺剪切成需要的长度，再将绝缘涂层均匀涂覆在薄带表面；

2)其次，将涂覆绝缘涂层的合金薄带面与面叠合到需要的尺寸，截面呈矩形状或多边形片层分布叠合后的磁芯棒应平整、平直，再用夹具夹紧固定后与夹具一起放入热处理炉中；

3)热处理，热处理温度、时间按选用合金的常规的提高磁性能的热处理工艺进行热处理，热处理完毕，去除夹具并用绝缘带缠绕包覆；

4)绝缘带包覆后的磁芯棒用铜箔或铝箔包覆，然后将其放入套管中，上述套管的直径应比磁芯棒截面最大对角线大1～3mm；

5)用发泡树脂将磁芯棒固定在套管中。

6.如权利要求5所述的用于低频段的软磁芯棒的制造方法，其特征是，所述的套管为非金属管、或铜管、或铝管。

7.如权利要求5所述的用于低频段的软磁芯棒的制造方法，其特征是，所述的非金属管选用酚醛树脂管、或PVC塑料管。