CN103238190B - 用于机电元件的软磁金属带 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于机电元件的软磁金属带，其中，该软磁金属带具有纳米晶结构或非晶结构。该金属带的带厚与粗糙度之比d/Ra为5≤d/Ra≤25。

Description

用于机电元件的软磁金属带
本发明涉及用于机电元件尤其是交流故障电流保护开关的软磁金属带。
在US5,922,143中公开了由软磁性合金制造交流故障电流保护开关用磁芯的方法。利用快速凝固技术制造由铁基合金构成的非晶带，非晶带被卷绕成磁芯并且随后被热处理以产生纳米晶组织。
磁芯不太受机械应力的影响，因而可靠地获得所期望的磁导率。然而，还是需要进行进一步的改善。
本申请的目的是提供一种可重现制造的用于机电元件的软磁金属带，它尤其适合用在50Hz下，如交流故障电流保护开关。
在本申请的一个实施方式中，提供了一种用于机电元件的软磁金属带。软磁金属带具有纳米晶结构或非晶结构并且其带厚与粗糙度之比d/Ra介于5≤d/Ra≤25，其中，Ra是平均粗糙度值。
软磁金属带的磁化性能与带厚d和粗糙度Ra有关。5≤d/Ra≤25的带厚与粗糙度之比d/Ra容许在交流电应用中实现磁导性的改善及可靠地产生得到改善的磁导性。
该比例中的粗糙度Ra是软磁金属带的底面的测量粗糙度，该底面是在熔体凝固时位于压延辊上的软磁金属带侧面。
该软磁金属带的优点是能够实现响应时间短的机电元件例如故障电流保护开关或具有环带芯的转速传感器，其在几十毫安/厘米的低矫顽场强的情况下能够触发开关过程或能够发出表示永磁体转动的信号，以代替霍尔发生器来实现转速测量。
该软磁金属带具有纳米晶结构或非晶结构。该软磁金属带的特点是近似为矩形的磁滞回线和低涡流损耗，这两者都可被应用于快速响应的机电元件，例如在50Hz下使用的故障电流保护开关。
在一个实施方式中，该软磁金属带在带厚与粗糙度之比d/Ra为10≤d/Ra≤20时具有磁感应值的最大值。
带厚d可以在5μm<d<30μm或5μm<d≤20μm之间。粗糙度Ra可以在0.6μm<d<2.5μm或1μm<d<2μm之间。
当平均粗糙度为约1μm时，这意味着软磁金属带的带厚d介于10μm≤d≤20μm。
金属带可具有比例Br/Bm>80%，其中，Bm是在200mA/cm下测量的。
在本发明的另一个实施方式中，金属带具有鱼鳞图案，该鱼鳞图案具有相对于带长方向呈横向和斜向地设置的结构。这样的图案例如可通过降低压延压力和/或提高压延辊速度而有目的地进行调节。有目的地影响带面形貌的其它可能方式例如是压延辊表面的结构化或者软磁金属带的后续激光刻划。
通过相应的比较试验可以确定，该几何参数的影响例如下金属带合金组成的影响大，即，在超过73原子重量%的铁中含有合金组成成分硅、硼、铌和铜。
因此，对于合金Fe75.5Cu1Nb3Si12.5B8的金属带和合金Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的金属带，未出现显著区别，因而这两种合金在上述厚度与粗糙度之比的情况下具有最大磁感值。相比较而言，薄而粗糙的金属带的带材品质具有比粗糙度接近零的且厚度超过50μm的光滑金属带更好的交流磁性值。
对此有利的是，在500℃和600℃之间的温度在5A/cm到15A/cm的纵向场中对金属带进行退火热处理0.5小时到2小时。在退火热处理后，金属带具有与涉及带厚和粗糙度的带品质无关的准稳态矫顽场强，其中，该金属带的与交流相关的矫顽场强随带厚与粗糙度之比d/Ra线性递增。
按照前述实施例之一的金属带可被卷绕，以勾勒出磁芯形状。磁芯可被用在不同应用中，例如用在频率小于1000Hz的应用中，就像在交流故障电流保护开关中，因为磁芯在50Hz下也有良好的磁导率，或者用在配电变压器中。
规定该软磁金属带被用于具有软磁性环带芯的交流电灵敏型机电元件。该软磁金属带可以已如上所述地被用于具有故障电流极限值Imax≤30mA的故障电流保护开关。而且，也可将该软磁金属带用于与分段的永磁体片协同工作的转速传感器。
还提出了一种交流电灵敏型故障电流保护开关，它具有由卷绕的根据前述实施例之一的软磁性带构成的磁芯。
在一个实施例中，在低于1000Hz的频率，尤其在50Hz频率下，该交流电灵敏型故障电流保护开关的磁芯具有比例Br/Bm>80%。
还提出一种配电变压器，它具有卷绕的根据前述实施例之一的软磁性带构成的磁芯。
该配电变压器的磁芯可以在低于1000Hz的频率且尤其在50Hz频率下具有比例Br/Bm>80%。
本发明基于以下附图的曲线图，具体说明如下：
图1示出定义动态矫顽场强的曲线图；
图2示出曲线图，包含在试验金属带的不同部位上的带厚值和粗糙度值；
图3示出与在针对不同金属带品质用1Hz进行正弦波励磁时的励磁场幅度相关的感应振幅(图3中的a))和振幅磁导率(图3中的b))的曲线图；
图4示出与在针对图3的金属带品质用50Hz进行正弦波励磁时的励磁场幅度相关的感应振幅(图4中的a))和振幅磁导率(图4中的b))的曲线图；
图5示出与单一批号产品的带厚与粗糙度之比相关的动态矫顽场强的曲线图；
图6示出与第一金属带合金的带厚与粗糙度之比相关的在10mA/cm励磁场强下的感应振幅的曲线图；
图7示出不同批号金属带的带厚值和粗糙度值的图示；
图8示出与在针对不同金属带品质以50Hz进行正弦波励磁时的励磁场幅度相关的感应振幅和振幅磁导率的曲线图，此时用特性曲线020对照示出纳米晶合金和粗晶超坡莫铁镍合金10；
图9示出与不同批号产品的带厚与粗糙度之比相关的动态(50Hz)矫顽场强和静态(dc)矫顽场强的曲线图；
图10示出与第二金属带合金的带厚与粗糙度之比相关的在10mA/cm励磁场强下的感应振幅的曲线图；
图11a示出与粗晶超坡莫铁镍合金200的金属带相对照地在50Hz下的三个纳米晶金属带品质的感应振幅的曲线图；
图11b示出在均匀磁场冲击和敲击后的感应振幅变化的曲线图；
图12示出与VITROVAC6030Z非晶金属带的带厚与粗糙度之比相关的动态矫顽场强的曲线图；
图13示出具有在10mA/cm励磁场强时的与VITROVAC6030Z非晶金属带的带厚与粗糙度之比相关的感应振幅的曲线图。
在纳米晶合金Fe75.5Cu1Nb3Si12.5B8的投入规模生产范围内，执行抽检，检验带厚和带粗糙度对可在热处理后获得的磁性品质的影响。在此，对于一种带材(批号为KA1283，用料7kg，带宽15mm)，通过在物料移动过程中降低辊速，该带厚从约16μm(微米)变为约35μm。最后，通过在接近物料末端时降低压延压力来尝试在厚度保持不变(35μm左右)的情况下增大带粗糙度。从该批号中，在整个物料移动范围内取出具有不同厚度和粗糙度的带样并由其卷绕出尺寸为22mm×16mm×带宽的环带芯(RBK)，以便进一步进行磁性试验。
在试验中也包括合金Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的一组不同KA批号，其生产参数就生产状态中的延展性改善而言被改变。也由该批料制造出尺寸为22mm×16mm×带宽的环带芯，用于磁性试验。
在处理炉内在氢气气氛下在纵向场内对环带芯进行退火处理。确切的退火条件为：在纵向场(约10A/cm交变场)内在540℃停留1小时，以1K/min冷却。
测量准静态磁滞回线以及50Hz磁化曲线。50Hz特性曲线是“在递减的励磁场中测量的”，这相当于去磁化铁芯的测量。根据图1，从磁化曲线分析算出动态矫顽场强Hc，即在以下附图中，Hc(dyn)表示恰好大致达到饱和或者说最大磁导率的励磁场强。
为了表征带材形状，由每米重量确定平均带厚以及测量在带材底面(沿带材方向的横向)上的粗糙度。
例1
例1所基于的试验涉及批号为KA1283的合金Fe75.5Cu1Nb3Si12.5B8的粗糙度和带厚。
带厚与粗糙度d/Ra之比为大约10至60。图2示出了带厚d和粗糙度Ra的相应变化。如图2所示，较薄的带一般也具有绝对值较大的粗糙度。
平均的准静态测量矫顽场强等于：
Hc=7.5±1mA/cm(此时Hmax=50mA/cm)。
平均的准静态测量的剩磁比为：
Br/Bm=0.97±0.01(此时Hmax=200mA/cm)。
图3示出了在1Hz(正弦波型场强)时测量的磁化曲线(关于H的Bmax)以及相应的振幅磁导率μ。
对于较厚而光滑的带材，隐约看出略好的磁性值。但总之，在此确定的带厚和带粗糙度对准静态1Hz测量值的影响只是微弱，几乎淹没在测量精度重。与之不同，在对非晶材料如VC6150Z和VC6030Z的比较试验中确定了Hc和Br随比例Ra/d增大而显著减弱。
在较高测量频率下看到了明显不同的情况。在50Hz时已在不同的带材品质之间出现显著差异。图4对此示出了在50Hz(正弦波型场强)时测量的磁化曲线(关于H的Bmax)及其对应的振幅磁导率μ。1Hz特性曲线和50Hz特性曲线的对比表明，50Hz特性曲线实际上完全由异常涡流确定。如上所述，典型的涡流贡献是忽略不计的。应当注意的是，尤其保持间隔的薄而粗糙的带提供比厚而光滑的带明显好许多的50Hz磁性值。
图5示出与比例d/Ra相关的动态矫顽场强Hc(根据图1中的定义)。f=1Hz的Hc值与准静态测量值重合，并且如上所述地表明了实际上与d/Ra无关联。而与涡流相关的50Hz值随d/Ra线性增大，这对应于上述理论预期。d/Ra≥0的50Hz下的Hc值的外推达至一个大致等于准静态矫顽场强的值。
在10mA/cm励磁场幅度下的感应振幅B10关系到在30mA故障电流保护开关中的可能应用。用于该参数的比例d/Ra的结果如图6所示。B10随带厚的递减和粗糙度的递增而显著增大。当动态矫顽场强Hc低于10mA/cm时，预期有B10的最大值，即B10约等于Bs。这例如针对较低频率来实现。
例2
例2所基于的试验涉及针对来自不同批料的合金Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的粗糙度和带厚以及针对其它影响参数。
在不同批号的合金Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9上获得的结果如图7-11所示。在此也得到磁性值与带粗糙度和带厚的上述相关性。与上述情况不同，在这里，粗糙度影响表现得略微更明显，因为平均带厚没有像例1那样显著变化(图7)。
静态矫顽场强值为约3.5mA/cm。这个与例1的合金Fe75.5Cu1Nb3Si12.5B8相比小许多的值在一定程度上是因为由只用约20mA/cm来控制静态回线之结果。在Hmax=50mA/cm的相似控制中得到略高的Hc值，为Hc=5mA/cm左右。
在此情况(Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9)下，50Hz磁性值略比合金Fe75.5Cu1Nb3Si12.5B8的磁性值有利。这在相同的d/Ra比例下比较B10值时看得最清楚(见图8和10)。对此要注意，含有13.5原子重量%的Si且具有λs=2×10-6和Ku=20J/m3的合金不仅有小了两倍的磁致伸缩常数λs，而且有较小的磁场感应各向异性Ku(含有12.5原子重量%的Si的合金的相应值为：λs=3.5×10-6和Ku=40J/m3)。为此，具有13.5原子重量%的Si的合金具有对单纯的软磁性能以及对动态性能都有利的基础前提条件。
当认真观看图9和10时，有一个畸点引人注目(用!号标示)，它在此来自批料KA1114的带材。虽然d/Ra比例相对小，但相对差的动态性能以及与其它批次相比多于两倍的高静态矫顽场强引人注意。而且，该带材也具有相对于场零点显著移位的磁滞回线。在带形方面引人注目的是超过5μm深的纵槽，其未被包含在Ra值内，就是说，在测量时没有越过该槽地测量。该槽来自于喷嘴内的残渣颗粒，这最后导致带材开裂且最后导致物料提前断裂。
对于具有矩形磁滞回线的材料，磁化特性曲线相对灵敏地取决于确切的测量条件和测量前的芯状态。迄今所述的特性曲线是在递减磁场中对于处于“像经过退火，几天后”状态的芯来测量的(对应于去磁化芯的测量)。与这样的参考曲线相比出现了：
1.在均匀磁场(在这里是约lA/cm)加载后，电感值减小了多达50-100mT。
2.在磁芯敲击后，电感值增大到100-200mT。
图11与超坡莫合金200对照地示出了与励磁场相关联的该变化连同B-H磁化曲线。可以看到软磁性纳米晶金属带的变化明显大于在粗晶超坡莫铁镍合金200金属带中的情况。
在金属带敲击后的磁性值变化是值得注意的。在此所研究的合金组成Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9批料中显示出磁性值显著改变，而对于合金Fe75.5Cu1Nb3Si12.5B8(虽然有较高的磁致伸缩)以及对于超坡莫高磁导率合金200，实际上看不到变化。此现象只能被暂时理解为暗示磁芯处理能偶尔影响磁性值。
而均匀磁场冲击的影响的可重现性要强得多并且在所有试验的芯中能看到这样的影响。此现象又反映出了在基础磁化过程中的不可逆转的特征(畴壁钉扎，后磁作用)。该作用可以在测量时可能不可控地出现，即在电流通断时出现在特定工作点，取决于初级和次级回路中的欧姆负载。其起因是由感生去磁决定的电流脉冲，其可能暂时驱使材料饱和。
实际上，该作用意味着在具有矩形磁滞回线的纳米晶材料中的感应值在针对同一磁芯的给定工作点暂时只能以大约±100mT的误差来得到。
例3
例3基于对非晶态比较材料VITROVAC6030Z(Z表示具有矩形磁滞回线的材料)的涉及粗糙度和带厚的试验。
为了与纳米晶材料比较，图12和13示出了在50Hz对VITROVAC6030Z测量的数据的相应分析。对于d/Ra>15，得到类似图。但对于d/Ra<5(d=15μm，Ra=1.5μm-3μm)，在此又确认了，与在纳米晶金属带中的线性增大不同，磁性值减弱。这基本上由粗糙度对准静态矫顽场强和剩余磁化的影响来决定。
VITROVAC6030Z的结果表明，动态性能的改善受到带厚减小并且在具有矩形磁滞回线的非晶金属带情况下受到带粗糙度增大的限制。
本试验表明，具有矩形磁滞回线的非晶材料和纳米晶材料的50Hz性能主要由带厚d与粗糙度Ra之比确定。此时，d/Ra的影响的重要程度至少与在带材方向上引起的单轴各向异性Ku的早先确定的影响相同。考虑到工艺可靠性，d/Ra具有决定性地位，这是因为与由合金组成和退火处理可能限定的所引起的各向异性Ku相比，控制该参数要困难的多。
到现在，在具有10和20之间的d/Ra比例的薄(15-20μm)而粗糙的带(Ra=1-1.5μm)上看到最佳磁性值。但对VITROVAC6030Z的早期研究表明，如果d/Ra比例太小，则磁性值因磁滞损耗增大而又被减弱。尚未达到用于纳米晶合金的临界极限。
磁性值随着粗糙度的递增和带厚的递减而得以改善的物理原因可以归结到在纳米晶金属带中的动态磁畴细化。后者有可能源于表面附近缺陷(如带材底面上的气穴，粗晶析出等)存在的闭合磁畴结构和相似的磁化不均匀。
为了获得良好的磁性值，应力求尽量薄的带材(尽量小于20μm的平均带厚)和“规定的”粗糙度(大约或超过Ra=1μm)。
当磁化过程决定性地由壁位移承担时，对粗糙带材的需要造成动态磁性值改善。这完全适用于具有矩形磁滞回线的材料并且有条件地适用于圆形磁滞回线。
在矩形磁滞回线情况下的可行磁化过程在于，磁化通过180°畴壁沿相对于带长度方向的横向的运动来进行。因为磁化变化与之相关地强烈空间局域化，所以出现过高的所谓的异常涡流损耗。在这里，越少的磁畴参与磁化过程，损耗过高越大。
频率关联性的研究表明，在已成功用在非晶合金上的来自Bertolli的Bertotti理论(“J.Magn.Mat.”，1556，1986，54-57页)范围内，可以很好地说明具有矩形磁滞回线的纳米晶铁磁材料的磁化特性曲线。据此得到如下的异常涡流损耗贡献：
在此，
-ρel表示比电阻，
-nο表示在磁滞回线的准静态穿行时的单位面积的畴数，
-Vο表示外场须被提高以形成新畴或使钉扎的壁运动的最小值，Vο因此最终与静态矫顽场强紧密关联，
-f表示交变磁化频率，
-表示感应振幅。
损耗功率一般由H dB/dt得到，其中，交变磁化速度dB/dt与f·B成比例。H是为补偿局部产生的涡流场所需要的外场。为此，从公式(1)得到：
在此，Hc stat(B)表示准静态磁滞回线走向，其主要由矫顽场机理来确定。所谓的典型涡流的贡献在此被忽略不计，这对不太高的频率(f<1000Hz)是合理的。例如用于由典型涡流所引起的涡流场的针对f=50Hz和B=1T的估算仅提供mA/cm的一小部分。
在公式(1)和(2)中最后确定的参数是畴密度nο以及成核场强Vο。以下表明了这两个参数如何与表面粗糙度和带厚相关联。
在位于带材平面内磁化时，在不同于理想平面的几何形状偏差处形成表面磁极，这导致局部漏散磁场。为减小与之相关的漏散磁场能量，在表面缺陷处形成磁化不均匀，在极端情况下，它们是例如在带材底面的气穴处的尖角状闭合磁畴。与之相关地造成了缓慢达到铁磁饱和并且尤其是根据下式的剩磁比减小：
其中，
是由表面粗糙度决定的平均去磁化系数。另外，d表示带厚，K表示在带长度方向上的各向异性，λ表示有效波长，其是表面缺陷的扩展和间隔的尺度。
在此情况下，增大的带粗糙度也应该牵扯到用于新磁畴的更高成核几率。对硅铁片和非晶金属的动态磁畴结构研究也表明随频率增大而优选在表面不规则处出现新磁畴。
为了估算Ra对磁畴密度nο的影响，例如可基于以下显著简化的模型条件：
启动交变磁化的磁畴优选在表面不规则处形成并因而大致具有其有效扩展λ。因而对于Nο磁畴，得到截面比例Nο﹒λ/b=nο﹒λd(b=带宽，nο=Nο/(b﹒d))。该截面比例另一方面减弱剩余磁化，并因而与1-Jr/Js成比例。为此得到：
当基于平均漏散场能量1/2Neff Js 2并且其等同于产生单位截面的nο磁畴所需要的畴壁能量时，就Ra、d和K关系而言，我们得到相似的表述。
另外，对于对涡流损耗的影响，还要考虑决定性的矫顽场机理。在这里基本上分为两种情况：
a)H c 由在表面缺陷上钉扎来决定
此时，矫顽场强基本由在表面缺陷处的钉扎来决定。于是，使到现在钉扎的新磁畴参与磁化过程的最低场强Vο与Hc相似地通过下式得出：
于是，对于涡流场从公式(2)得出：
此时要注意，Hc stat根据公式(5a)与Ra/d成比例，即最后与异常涡流损耗相比更显著取决于Ra/d。为此对于太粗糙的带材，因为磁滞损耗递增而又得到减弱的磁性值。
b)H c 与表面缺陷无关
在此情况下，Hc由成核或固有各向异性波动的钉扎来决定。于是，
借此，如下得到涡流场：
此情况尤其对纳米晶材料是重要的，此时因为最终颗粒大小而该平均晶体各向异性(K1)能对HC做出重要贡献，这大致与非晶系统不同。在随后的计算中，在此相应地用Ku 1 /2 <K1>代替项K3/2。
在此极限情况下，矫顽场强和进而磁滞损耗也与粗糙度无关。相应地得到总损耗随着递增的粗糙度而比在上述非晶材料的情况中更有效降低。
总体上看，以上模型计算的概述与以下的试验吻合。但人们还须知晓以上公式所使用的显著简化的假定条件。
综上确定，具有矩形磁滞回线的纳米晶(以及非晶态)材料的50Hz-特性曲线主要受到异常涡流损耗的影响。以上试验可确定，此时的带厚d与表面粗糙度Ra之比构成一个重要的影响参数，其能超过合金组成的影响。对于比例d/Ra<20发现最佳磁性值，即对于具有相对粗糙的表面(1μm或略大的Ra)的薄带(20μm左右或更薄)。因而，利用合金组成Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，在与交流电灵敏型30mA故障电流保护开关相关的工作点在Hc=10mA/cm下获得大到大约是粗晶铁镍合金(如超坡莫合金10、200)时的两倍的感应值。因此，可以获得达到这样的峰值并且提供用于其可重现制造的重要介入点的可能性。

Claims (16)

1.一种软磁金属带，其中，所述软磁金属带具有纳米晶结构或非晶结构，该金属带的带厚与粗糙度之比d/Ra为5≤d/Ra≤25，其中，Br/Bm>80％，
其中，所述带厚介于5μm<d≤20μm，
其中，粗糙度Ra介于0.6μm<d<2.5μm。
2.根据权利要求1所述的金属带，其中，d/Ra介于10≤d/Ra≤20。
3.根据权利要求1所述的金属带，其中，所述金属带在超过73原子％的铁中含有合金成分硅、硼、铌和铜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的金属带，其中，所述金属带具有合金Fe75.5Cu1Nb3Si12.5B8。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的金属带，其中，所述金属带具有合金Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的金属带，其中，粗糙度Ra介于1μm<d<2μm。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的金属带，其中，所述金属带具有鱼鳞图案，该鱼鳞图案带有相对于带长方向呈横向和倾斜地形成的结构。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的金属带，其中，所述金属带的表面具有压延辊表面结构化的表面形貌。
9.一种磁芯，包括卷绕的根据权利要求1至8中任一项所述的软磁金属带。
10.将根据权利要求1至8中任一项所述的软磁金属带用于具有故障电流极限值Imax≤30mA的故障电流保护开关的用途。
11.将根据权利要求1至7中任一项所述的软磁金属带用于与分段形的永磁片协同工作的转速传感器的用途。
12.将根据权利要求1至7中任一项所述的软磁金属带用于软磁性环带芯的交流电灵敏型机电元件的用途。
13.一种交流电灵敏型故障电流保护开关，它具有根据权利要求9所述的磁芯。
14.根据权利要求13所述的交流电灵敏型故障电流保护开关，其中，在低于1000Hz的频率下，所述磁芯具有Br/Bm>80％的比例。
15.一种配电变压器，它具有根据权利要求9所述的磁芯。
16.根据权利要求15所述的配电变压器，其中，在低于1000Hz的频率下所述磁芯具有Br/Bm>80％的比例。
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