CN106601441B - 一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯、工装及其制作方法 - Google Patents

一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯、工装及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯、工装及其制作方法，所述铁芯为采用两条三角形非晶带绕制而成的环形结构，首先将一条三角形非晶带从最小端开始绕制在芯模，然后将另一条从最大端开始继续绕制在芯模上，形成一个截面为半圆形的结构，最后采用专用的工装将半圆形调整为截面形状近似圆形的铁芯。本发明获得一种铁芯的芯柱截面近似为圆形的纳米晶矩形铁芯，采用近圆形截面更有利于整个截面的磁通链的均匀分布，可以实现在不切割铁芯的情况下自动在芯柱上绕线。

Description

一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯、工装及其制作方法
技术领域
本发明涉及铁芯技术领域，特别是涉及一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯、工装及其制作方法。
背景技术
铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为10nm-20nm的微晶，弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感(1.2T)、高初始磁导率(8×104)、低Hc(0.32A/m)，高磁感下的高频损耗低(P0.5T/20kHz＝30W/kg)，电阻率为80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高，经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs)。是目前市场上综合性能最好的材料；适用频率范围：50Hz-100kHz，最佳频率范围：20kHz-50kHz。广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。
基于纳米晶材料总是以薄带的形式进行铁芯加工，所以铁芯属于带绕铁芯，受带材宽度的限制只能制作芯柱截面为矩形的铁芯。近来，纳米晶材料在高频高压除尘电源上的应用得到了大力的开发与推广，纳米晶材料的引入使得高频高压电源摆脱了体积巨大、除尘效果不理想的弊病，用电效率也得到了大幅提高，随着应用的深入越来越多的商家都开始采用这种新材料电源。但是这种变压器工作电压动辄上万伏，因此变压器的绕组一般都会达到几千匝，绕组的制作一度成为最耗时耗人工的工序。
某些绕线匝数动辄上百上千的器件，只能将铁芯芯柱剖开以利于预制线圈的装配，从而造成器件譬如导磁能力下降、芯柱结合处发热严重、损耗急剧升高的现象，限于切割工艺的不确定性，产品质量的一致性很难保障。
另外，如果保持铁芯的磁路完全闭合，则需要通过复杂的工艺手段才能实现在铁芯的矩形芯柱上绕制上百上千甚至上万匝数的绕组，费工费时，还不能保障产品的一致性与稳定性。
综上所述，现有的矩形铁芯存在以下缺点：
a)纳米晶铁芯属于带绕铁芯，受带材宽度的限制只能制作芯柱截面为矩形的铁芯；
b)在绕制绕组时，绕组与芯柱表面存在空隙，不能完全贴合，造成矩形芯柱截面的铁芯往往存在磁路不均匀和边缘漏磁的现象；
c)芯柱截面为矩形的铁芯对绕组制作要求较高，容易造成拐角处的绕组损伤，用铜量高，且体积较大；
d)对于磁路完全闭合的高频高压除尘变压器铁芯，绕线困难，费工费时，变压器一致性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯、工装及其制作方法。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯，所述铁芯为采用两组三角形非晶带或梯形非晶带绕制而成的环形结构，且所述铁芯的芯柱被经过铁芯轴线的平面所截获得的截面形状近似圆形。
优选的，所述三角形非晶带为直角三角形，且所述直角三角形一条直角边的长度近似等于圆形的直径，或者所述三角形非晶带为等腰三角形或等腰梯形，且所述等腰三角形底边的长度近似等于圆形的直径；所述梯形非晶带为直角梯形或等腰梯形，且所述直角梯形和等腰梯形的下底边的长度近似等于圆形的直径。
一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的工装，用于上述芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的整形，包括至多个专用成型台，所述成型台上端设有半圆形凹槽，所述凹槽半径与所述铁芯芯柱半径相等。
一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：根据产品要求设计的铁芯截面积、磁路长度、窗口面积等参数计算出芯柱近圆截面的半径R、铁芯重量，并计算绕模芯直径D0用于确定使用的芯模；
步骤2：由计算的半径R选择三角形或梯形非晶带材的最大宽度D＝2R，设置铁芯由n层三角形或梯形非晶带材同时卷绕而成，根据R、D、n并结合材料厚度、密度、叠片系数等具体参数计算出需要的三角形或梯形非晶带材的长度L；
步骤3：首先将n层三角形或梯形非晶带材由窄头开始卷绕在准备好的芯模上，卷绕至宽头尾部后，再以同样的方法将n层三角形或梯形非晶带材由宽头开始继续卷绕至窄头尾部，卷绕好的铁芯截面呈山包状；绕制时，三角形或梯形非晶带材的一条边始终紧靠在芯模的底板上。
步骤4：将卷绕好的铁芯取下，置于工作台，取下卷绕芯模，放入规定形状的模芯，将铁芯整形成投影为矩形的环状铁芯，并锁好外夹板；模芯用于将卷绕成圆卷的带材进行成型，模芯的形状根据具体产品的形状要求可以放入矩形模芯、扇形模芯、马蹄形模芯或正多边形模芯等；
步骤5：将带有模芯和外夹板的铁芯进行退火处理；
步骤6：取下外夹板，将带有模芯的铁芯放入专用成型台，整理后得到具有近圆芯柱截面的铁芯；
步骤7：在表面刷涂纳米晶专用纳米级瞬干固化胶进行固化，固化完成后，即完成铁芯加工。
由于非晶带材的厚度很薄，一般厚度小于0.025mm，因此，为了提高卷绕的效率，以及减少三角形或梯形非晶带材的长度，卷绕时采用同时多层同步卷绕的方式，优选的，所述非晶带材层数的取值n＝1～50，。
进一步，为了减少原材料的浪费，以及便于获得三角形或梯形非晶带材，所述三角形或梯形非晶带材采用一底边为D＝2R的平行四边形非晶带材沿对角线切割形成。即选择的平行四边形的底边长D等于芯柱的直径。
优选的，所述平行四边形非晶带材为矩形非晶带材，矩形非晶带材的宽度为D＝2R。
进一步，为了采用切割的方式获得三角形非晶带材，步骤2和步骤3之间还包括步骤3-1：设置一个起始切割宽度d，例如d＝1mm，根据反正切函数计算出矩形非晶带材斜切角度∠α，将准备好的宽度为D的矩形非晶带材置于纳米晶专用斜切机上，设置剪切角度为∠α进行切割，同时得到有一定角度变化的由窄变宽和由宽变窄的一组带材，卷绕斜切好的带材成斜料卷备用，斜料卷包括宽头在外的斜料卷和宽头在内的斜料卷。由于卷绕时是先从窄头卷到宽头，然后再从宽头卷到窄头，采用的两种斜料卷的数量是相同的，因此，将斜切好的带材卷成斜料卷时，两种斜料卷的数量也是相同的。当起始切割宽度d为0时切割获得的是三角形非晶带材，当d不为0时，切割获得的是梯形非晶带材。
卷绕时，先选择窄头在外的斜料卷n卷，将窄头同时卷绕在准备好的芯模上，同时卷绕至宽头尾部，再以同样的方法卷绕宽头在外的斜料卷n卷。
具体的，步骤5中的退火处理具体包括将带有模芯和夹板的铁心放入高频加热炉均匀加热，以每分钟10℃的速率进行升温，控制炉温在400℃～600℃，保持三小时后再以20℃每分钟的速度降温至100℃，取出热处理好的铁芯。
具体的，步骤7中所述瞬干固化胶由A+B双组份组成，通过化学改性，可以在室温下具有很强的渗透能力，先涂刷A组份，B组份为压力罐喷涂，喷涂完成后即固化完成，将铁芯翻身，对另外一面进行固化处理。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯、工装及其制作方法，获得一种铁芯的芯柱截面近似为圆形的纳米晶矩形铁芯，采用近圆形截面更有利于整个截面的磁通链的均匀分布，可以实现在不切割铁芯的情况下自动在芯柱上绕线。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是现有技术中铁芯的结构示意图；
图2是本发明最佳实施例的结构示意图；
图3是图2中A-A的剖面结构示意图；
图4是绕制绕组后铁心的结构示意图；
图5是成型台的结构示意图；
图6是成型台的结构示意图；
图7是芯柱近似圆形的铁芯的制作流程图；
图8是非晶带的结构示意图。
图中：1、芯柱，2、绕组，3、间隙，4、芯模，5、底板，6、成型台，7、凹槽。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，现有技术中铁芯的芯柱1截面为矩形，绕组2绕制在芯柱1上时，由于矩形结构存在棱角，一方面，绕组2与芯柱1之间存在间隙3，不能完全贴合，用铜量高，且体积较大，另一方面，棱角易导致拐角处的绕组2损伤。
如图2-4所示，本发明的一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯，所述铁芯为采用两组三角形或梯形非晶带绕制而成的环形结构，且所述铁芯的芯柱1被经过铁芯轴线的平面所截获得的截面形状近似圆形，由于其外形近似圆形，当绕组2绕制在芯柱1上时，绕组2与芯柱1之间几乎不存在间隙3，接近完全贴合。
如图5-6所示，一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的工装，用于上述芯柱1为近似圆形的非晶带铁芯的整形，包括至多个专用成型台6，所述成型台6上端设有半圆形凹槽7，所述凹槽7半径与所述铁芯芯柱1半径相等。本发明中的成型工装也可以为与铁心形状匹配的一个整体的环形结构，也可以为采用多个直成型台6和多个弯成型台6拼接形成。
如图7所示，一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的制作方法，下面以制作变压器的矩形铁心为例说明制作步骤，具体包括以下步骤：
步骤1：根据变压器要求设计的铁芯截面积、磁路长度、窗口面积等参数计算出芯柱1近圆截面的半径R、铁芯重量，并计算绕模芯直径D0用于确定使用的芯模4；
步骤2：由计算的半径R选择三角形或梯形非晶带材的最大宽度D＝2R，设置铁芯由n层三角形或梯形非晶带材同时卷绕而成，所述非晶带材层数的取值n＝1～50，根据R、D、n并结合材料厚度、密度、叠片系数等具体参数计算出需要的三角形或梯形非晶带材的长度L；从而可以确定制作三角形或梯形非晶带材的原材料数量。
步骤3：用于获得三角形或梯形非晶带材的材料可以为矩形非晶带材也可以采用普通平行四边形非晶带材，如图8(a)-8(c)，本实施例中选择矩形非晶带材，切割获得的为直角梯形非晶带材。具体步骤为：设置一个起始切割宽度d，例如d＝1mm，根据反正切函数计算出矩形非晶带材斜切角度∠α，将准备好的宽度为D的矩形非晶带材置于纳米晶专用斜切机上，设置剪切角度为∠α进行切割，同时得到有一定角度变化的由窄变宽和由宽变窄的一组带材，卷绕斜切好的带材成斜料卷备用，斜料卷包括宽头在外的斜料卷和宽头在内的斜料卷。
步骤4：先选择窄头在外的斜料卷n卷，由窄头开始同时卷绕在准备好的芯模4上，卷绕至宽头尾部后，形成如图7(a)所示的截面结构，再以同样的方法将宽头在外的斜料卷n卷，由宽头开始继续卷绕至窄头尾部，绕制时，梯形非晶带材的一条边始终紧靠在芯模4的底板5上，卷绕好的铁芯截面呈山包状，如图7(b)所示；
步骤5：如图7(c)所示，将卷绕好的铁芯取下，置于工作台，取下卷绕芯模4，放入规定形状的模芯，将铁芯整形成投影为矩形的环状铁芯，并锁好外夹板；模芯用于将卷绕成圆卷的带材进行成型，模芯的形状根据具体产品的形状要求可以放入矩形模芯、扇形模芯、马蹄形模芯或正多边形模芯等；
步骤6：将带有模芯和外夹板的纳米晶矩形铁芯进行退火处理，具体包括将带有模芯和夹板的铁心放入高频加热炉均匀加热，以每分钟10℃的速率进行升温，控制炉温在400℃～600℃，保持三小时后再以20℃每分钟的速度降温至100℃，取出热处理好的铁芯。
步骤7：取下外夹板，如图7(d)-7(e)所示将带有模芯的铁芯放入专用成型工装，整理后得到具有近圆芯柱1截面的铁芯；所述工装包括四个成型台6，整形时，矩形铁芯的每条边下方放置一个成型台6，使芯柱1的中间部位放置在凹槽7内，然后对芯柱1的上面施加向下的压力，使芯柱1的底面与凹槽7相贴合，获得截面形状近似圆形的芯柱1，图中箭头表示压力施加的方向。
步骤8：在表面刷涂纳米晶专用纳米级瞬干固化胶进行固化，所述瞬干固化胶由A+B双组份组成，通过化学改性，可以在室温下具有很强的渗透能力，先涂刷A组份，B组份为压力罐喷涂，喷涂完成后即固化完成，将铁芯翻身，对另外一面进行固化处理，固化完成后，即完成铁芯加工。
非晶带又称之为非晶态带材，经过加工处理后可以形成纳米晶(超微晶)带材，也可以仍然是非晶带材。因此本发明的铁芯和制作方法适用于纳米晶(超微晶)带材，可以用于非晶带材。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的制作方法，其特征在于：所述铁芯为采用两组三角形非晶带材或梯形非晶带材绕制而成的环形结构，且所述铁芯的芯柱（1）被垂直铁芯轴线的平面所截获得的截面形状近似圆形；
还包括多个专用成型台（6），所述成型台（6）上端设有半圆形凹槽（7），所述凹槽（7）半径与所述铁芯芯柱（1）半径相等；
还包括以下步骤：
步骤1：根据产品要求设计的铁芯截面积、磁路长度和窗口面积计算出芯柱（1）近圆截面的半径R、铁芯重量，并计算绕模芯直径D0用于确定使用的芯模（4）；
步骤2：由计算的半径R选择三角形非晶带材或梯形非晶带材的最大宽度D=2R，设置铁芯由n层三角形非晶带材或梯形非晶带材同时卷绕而成，根据R、D、n并结合材料厚度、密度和叠片系数计算出需要的三角形非晶带材或梯形非晶带材的长度L；
步骤3：首先将n层三角形非晶带材或梯形非晶带材由窄头开始卷绕在准备好的芯模（4）上，卷绕至宽头尾部后，再以同样的方法将n层三角形非晶带材或梯形非晶带材由宽头开始继续卷绕至窄头尾部，卷绕好的铁芯截面呈山包状；
步骤4：将卷绕好的铁芯取下，置于工作台，取下卷绕芯模（4），放入规定形状的模芯，将铁芯整形成投影为矩形的环状铁芯，并锁好外夹板；
步骤5：将带有模芯和外夹板的铁芯进行退火处理；
步骤6：取下外夹板，将带有模芯的铁芯放入专用成型台，整理后得到具有近圆芯柱（1）截面的铁芯；
步骤7：在表面刷涂纳米晶专用纳米级瞬干固化胶进行固化，固化完成后，即完成铁芯加工。
2.如权利要求1所述的芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的制作方法，其特征在于：所述三角形非晶带材为直角三角形，且所述直角三角形一条直角边的长度近似等于圆形的直径，或者所述三角形非晶带材为等腰三角形，且所述等腰三角形底边的长度近似等于圆形的直径；所述梯形非晶带材为直角梯形或等腰梯形，且所述直角梯形和等腰梯形的下底边的长度近似等于圆形的直径。
3.如权利要求1所述的芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的制作方法，其特征在于：所述非晶带材层数的取值n=1～50。
4.如权利要求1所述的芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的制作方法，其特征在于：所述三角形非晶带材或梯形非晶带材采用一底边为D=2R的平行四边形非晶带材沿对角线切割形成。
5.如权利要求4所述的芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的制作方法，其特征在于：所述平行四边形非晶带材为矩形非晶带材，矩形非晶带材的宽度为D=2R。
6.如权利要求5所述的芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的制作方法，其特征在于：步骤2和步骤3之间还包括步骤3-1：设置一个起始切割宽度d，根据反正切函数计算出矩形非晶带材斜切角度∠α，将准备好的宽度为D的矩形非晶带材置于纳米晶专用斜切机上，设置剪切角度为∠α进行切割，同时得到有一定角度变化的由窄变宽和由宽变窄的一组带材，卷绕斜切好的带材成斜料卷备用，斜料卷包括宽头在外的斜料卷和宽头在内的斜料卷。
7.如权利要求1所述的芯柱为近似圆形的非晶带铁芯的制作方法，其特征在于：步骤5中的退火处理具体包括将带有模芯和夹板的铁心放入高频加热炉均匀加热，以每分钟10℃的速率进行升温，控制炉温在400℃～600℃，保持三小时后再以20℃每分钟的速度降温至100℃，取出热处理好的铁芯。
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