CN106653344A - 一种中高频用高硅钢软磁铁芯的制备方法 - Google Patents

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梁永锋
林均品
王帅
叶丰
齐佳坤
张来启
郝国建
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0206—Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0213—Manufacturing of magnetic circuits made from strip(s) or ribbon(s)

Abstract

本发明的目的是在于提供一种中高频用(400Hz～100kHz)高硅钢软磁铁芯的制备方法。利用快速凝固甩带法制备高硅钢薄带，之后不经过热处理也不涂覆绝缘涂层，直接冲压成电机铁芯形状进行叠片，或直接卷绕成环形形状用做中高频变压器、电感等铁芯。由于带材不需要经过热处理，也不需要在带材表面涂覆绝缘层，大幅简化了中高频用软磁铁芯的制备流程，大幅降低成本。同时，由于高硅钢具有低噪音、低能耗的特点，使得中高频下使用的电机和电感、变压器等具备降噪节能的特点，满足高性能装备对特种材料的需求。

Description

一种中高频用高硅钢软磁铁芯的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，涉及用于中高频条件下的高硅钢铁芯的制备方法。
技术背景
高频变压器是指工作频率超过中频(10kHz)的电源变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器，也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中制作高频逆变电源变压器。
高频微型化是变压器的发展趋势，当磁芯材料、绕组材料和变压器容量一定时，提高频率可以减小变压器的体积。我国的高频变压器产品仍以传统产品为主，以铁氧体、漆包线等为主要原材料，铁氧体高频损耗低，具有较低的矫顽力，磁导率较高，但饱和磁通密度较小(室温下为0.5T)，会导致铁芯体积较大。非晶合金的磁导率较高，饱和磁通密度较高(1.2T)，高频损耗较小，但缺点是塑性差，在制备变压器铁芯过程中容易断带，制备出的铁芯在高频下噪音大。而传统硅钢片的饱和磁通密度较大，磁导率也较高，但其高频损耗较大，不适于工作频率>1kHz的高频变压器，这主要是因为其电阻率低和截面尺寸大导致的。
高硅钢(含硅量大于3.5wt.％的铁硅合金)与普通硅钢(含硅量小于3.5wt.％Si的铁硅合金)相比具有更加优异的软磁性能，特别是含硅量达到6.5wt.％时软磁性能更加优异，例如磁导率高、电阻率高、磁致伸缩系数几乎为零。用高硅钢制作铁芯，可提高电器效率，降低能耗和噪音。但由于高硅钢具有本征脆性，在室温下塑性几乎为零，难于用传统的轧制方法加工成板带状。世界各国的研究人员也主要集中研究高硅钢的制备及韧塑性机理方面。目前唯一成功的例子是日本通过化学气相沉积法已经能成功的生产Fe-6.5wt.％Si高硅钢(Y.Takada,M.Abe,S.Masuda,and J.Inagaki,"Commercial scale production ofFe-6.5wt.％Si sheet and its magnetic properties,"J.Appl.Phys.64(10),1988,5367-5369)。
为了避免高硅钢中有序相的生成所带来的本征脆性，可以通过快速冷却的方法避开其室温脆性制备高硅钢。快速凝固是指通过金属熔体的急速冷却或者通过抑制其非均匀形核，使合金在较大的过冷度条件下发生高生长率的凝固，可以获得传统的铸锭及铸件无法得到的成分、微观结构或相结构。快速凝固可以抑制高硅钢大面积的有序化，得到极其细小的晶粒组织，塑韧性很好，解决脆性问题，近终成形，简化薄带的制造工艺，降低成本(梁永锋、林均品、叶丰等，一种短流程高效高硅钢薄带的冷轧制备方法，中国发明专利，ZL201410276483.8)。
N.Tsuya和K.I.Arai在Journal ofAplied Physics,1979,50(3):1658-1663,Magnetostriction of ribbon-form amorphous and crystalline ferromagneticalloys中报道用单辊甩带快速凝固法成功制备出宽5mm，厚40μm的6.5％高硅钢薄带，组织细小，具有优异的磁性和塑性。
在高频变压器中，磁芯作为导磁材料，其性能的好坏决定了变压器性能的好坏。因此在设计高频变压器时，就需要明确磁性材料在实际应用条件下的磁特性。通过快速凝固工艺制备的高硅钢薄带具有截面尺寸小，晶粒尺寸小等特点，再加之随着硅含量的增加，高硅钢电阻率增加，能够较好的抑制高频使用条件下的涡流，减小趋肤效应，从而降低高频损耗。又由于其饱和磁感应强度比传统高频铁芯材料铁氧体高，从而使器件小型化。
高硅钢薄带(尤其是Fe-6.5wt.％Si)应用于高频领域的铁芯材料是一种绿色、环境友好型材料，这不仅体现在快速凝固高硅钢薄带的制备过程上(短流程、近净成形)，而且不需要进行传统硅钢材料的高温热处理(1000℃～1300℃)环节，更体现在其在高频条件下的低能耗和低噪音。由于快速凝固态高硅钢薄带具有一定的塑性，可以二次加工成一定形状，或者缠绕成带，用于高速电机或高频变压器铁芯。与非晶合金薄带相比，大大提高了二次加工可成形性，减小了断带、开裂等脆性引起的加工缺陷，而所得高硅钢铁芯具备优异的磁性能。所以Fe-6.5wt.％Si等高硅钢薄带应用于高频变压器铁芯上具有广阔的前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种中高频用高硅钢薄带(400Hz～100kHz)的制备方法。利用快速凝固甩带法制备高硅钢薄带，甩带出的高硅钢薄带不需热处理，也不需涂覆绝缘涂层，直接通过冲压铁芯形状进行叠片或缠绕的方式制作成铁芯，应用于中高频器件，具有高效、节能、静音等特点。
一种中高频用高硅钢软磁铁芯的制备方法，其特征在于利用快速凝固甩带法制备高硅钢薄带，之后不经过热处理也不涂覆绝缘涂层，直接冲压成中高频电机铁芯形状进行叠片，或直接卷绕成环形形状用做中高频变压器铁芯或中高频电感铁芯；
甩带法制备0.02-0.06mm厚度的高硅钢薄带具体的工艺流程为：
(1)原料准备：以工业纯铁、晶体硅为原料，按硅含量6.5wt.％的比例进行配比；工业纯铁：铁含量99.5％，晶体硅纯度为99.9％；
(2)快速凝固甩带：对原料进行加热熔炼，在过热度为50～250℃的熔融液态下，辊速为10m/s～50m/s，利用甩带法将其快速凝固，得到厚度在0.02-0.06mm的高硅钢薄带。
进一步高硅钢含硅量为5～8wt.％；所应用的中高频电机频率为400Hz～1kHz，中高频变压器或中高频电感的应用频率为1kHz～100kHz。
本发明的特点在于：
本发明结合快速凝固高硅钢薄带自身特点(厚度薄、晶粒尺寸小)及中高频条件下铁芯的使用特点，使高硅钢薄带应用于中高频领域，起到降低能耗、提高效率、减小体积、降低噪音的作用。对于中高频电机用铁芯，利用本发明方法，大幅缩短了制备工艺，利用快速凝固甩带法制备高硅钢薄带，可直接冲压成铁芯形状进行叠片或缠绕的方式制作成铁芯，不需热处理，也不需涂覆绝缘涂层。磁性能与涂覆绝缘层的铁芯相比有一定提升，可以满足高速电机对铁芯材料要求。对于高频变压器、高频电感等铁芯，由于其使用频率更高，对于不需热处理，也不需涂覆绝缘层的高硅钢薄带而言，其磁性能比经过热处理、涂覆绝缘层的高硅钢薄带铁损更低，更能满足高频使用要求。利用本发明制备的高硅钢薄带铁芯在中高频电力电子领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例一
对于小功率(功率小于等于5kW)的高速电机，采用快速凝固单辊甩带法(过热度为100℃，辊速30m/s)制备的含硅量为6.5wt.％高硅钢薄带，直接冲压成铁芯形状进行叠片，不经过热处理，也不涂覆绝缘涂层。铁芯加工性大幅提高，工艺流程大幅减少，交流铁损如下：
P400Hz/1T＝20.0W/kg,P1kHz/0.5T＝15.3W/kg,P5kHz/0.1T＝2.7W/kg
实施例二
采用快速凝固单辊甩带法(过热度为100℃，辊速30m/s)制备的含硅量为6.5wt.％高硅钢薄带，不经过热处理，也不涂覆绝缘涂层，直接绕制成铁芯，用于小功率的中高频变压器、中高频电感等，交流铁损如下：
P0.5T/1kHz＝15.3W/kg,P0.05T/10kHz＝1.1W/kg,P0.07T/40kHz＝13.0W/kg,P0.05T/100kHz＝39.2W/kg
实施例三
采用快速凝固单辊甩带法(过热度为150℃，辊速25m/s)制备的含硅量为5.5wt.％高硅钢薄带，不经过热处理，也不涂覆绝缘涂层，直接绕制成铁芯，交流铁损如下：
P400Hz/1T＝26.6W/kg,P1kHz/0.5T＝21.5W/kg,P5kHz/0.1T＝3.2W/kg。

Claims (2)

1.一种中高频用高硅钢软磁铁芯的制备方法，其特征在于利用快速凝固甩带法制备高硅钢薄带，之后不经过热处理也不涂覆绝缘涂层，直接冲压成中高频电机铁芯形状进行叠片，或直接卷绕成环形形状用做中高频变压器或中高频电感铁芯；
甩带法制备0.02-0.06mm厚度的高硅钢薄带具体的工艺流程为：
(1)原料准备：以工业纯铁、晶体硅为原料，按硅含量为5～8wt.％的比例进行配比；工业纯铁：铁含量99.5％，晶体硅纯度为99.9％；
(2)快速凝固甩带：对原料进行加热熔炼，在过热度为50～250℃的熔融液态下，辊速为10m/s～50m/s，利用甩带法将其快速凝固，得到厚度在0.02-0.06mm的高硅钢薄带。
2.根据权利要求1所述中高频用高硅钢软磁铁芯的制备方法，其特征在于高硅钢含硅量为5～8wt.％；所应用的中高频电机频率为400Hz～1kHz，中高频变压器或中高频电感的应用频率为1kHz～100kHz。
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