CN112017857A - 一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，纳米晶铁芯的热处理采用四段加温保温法：第一段升温速率3.5‑4.2℃/min，保温温度400‑440℃，保温时间50‑70min；第二段升温速率0.4‑0.5℃/min，保温温度465‑475℃，保温时间120‑140min；第三段升温速率0.7‑0.9℃/min，保温温度520‑540℃，保温时间20‑40min；第四段升温速率0.8‑1.1℃/min，保温温度555‑565℃，保温时间80‑100min；然后冷却至230‑260℃，在铁芯端面涂覆环氧树脂，利用铁芯余温烘烤固化，直至自然冷却至室温。本发明：①采用四段加温保温热处理的方法，降低升温速率，调整保温时间，防止剧烈升降温造成的晶核异常，从而提高其性能；②简化工序，明显提升效率；③铁芯通过端面固化含浸，减小环氧固化所产生的应力，既能保证铁芯强度，又能明显提升性能。

Description

一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺
技术领域
本发明属于变压器铁芯技术领域，特别涉及一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺。
背景技术
传统的中高频变压器铁芯一般是由硅钢片或铁氧体制作的。在l-10kHz的中频范围，多采用硅钢片铁芯，可以充分发挥其饱和磁感应强度很高、磁导率比较高、居里温度高、良好的温度稳定性和对应力不敏感等特性；但是硅钢片在频率升高后损耗急剧增大，无法适用于频率逐步升高的现代中高频变压器铁芯制作。在10-50kHz的高频率范围，则多用铁氧体铁芯，可以发挥其高频损耗低、高频下磁导率比硅钢片高、对应力不敏感等特性；但铁氧体铁芯的饱和磁感应强度很低，做大功率变压器铁芯成本高，居里温度很低，温度稳定性差。
1988年Y.Yoshizawa研究组在铁基非晶合金的基础上首次开发出了新型的非晶纳米晶两相结构的FeSiNbBCu软磁材料(商品名FINEMET)，该材料中Fe-Si纳米晶粒均匀弥散在非晶基质中，相邻纳米晶粒通过层间的非晶层完成磁矩交换耦合，因此该材料呈现出低矫顽力、高磁导率等优异软磁性能；随着电子技术的不断发展，有源器件的进步，电子产品体积和重量大为减少，这就推动了包括电子变压器在内的电子元器件向轻薄、小的方向发展。电子变压器向高频化、低损耗、重量轻、体积小的方向发展是必然的趋势。具有高饱和磁感、高初始磁导率和高频损耗低的纳米晶软磁合金材料用作电子变压器铁芯将为电子变压器的小型化提供新的方案,满足电子行业的发展需要。
目前变压器用纳米晶铁芯的常规制备工艺包括以下两种：
制备工艺一：铁芯卷绕，使用模具成型，热处理，其中热处理通常采用三段加温保温法，热处理后冷却至200摄氏度以下，室温出炉，拆掉模具，含浸环氧树脂，二次成型，入烤箱150-170℃保温烘烤固化6h，进行切割。此工艺的缺点在于:①工序繁琐，铁芯制作效率低成本高；②切割后的铁芯，要通过调整气隙来改变性能，一定程度上增加了制备难度。
制备工艺二：铁芯卷绕，使用模具成型，热处理，其中热处理通常采用二段加温保温法，热处理后冷却至200摄氏度以下，室温出炉，拆掉模具，含浸环氧树脂，二次成型，入160℃保温烤箱烘烤固化6h，不进行切割。此工艺的缺点在于，①减掉切割工序，工序仍然很繁琐，效率低成本高；②铁芯未经切割，客户使用时，需要进行人工绕线，费时费力，间接增加了成本。
由于纳米晶材料是高导磁率材料，且应力敏感性较差，目前制备过程中的应力对其性能影响较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，包括铁芯卷绕、使用模具成型、热处理，所述热处理采用四段加温保温法：
第一段升温速率3.5-4.2℃/min，保温温度400-440℃，保温时间50-70min；
第二段升温速率0.4-0.5℃/min，保温温度465-475℃，保温时间120-140min；
第三段升温速率0.7-0.9℃/min，保温温度520-540℃，保温时间20-40min；
第四段升温速率0.8-1.1℃/min，保温温度555-565℃，保温时间80-100min；
然后冷却至230-260℃，在铁芯端面涂覆环氧树脂，利用铁芯余温烘烤固化，直至自然冷却至室温。
优选的，所述环氧树脂的涂覆时间为60-100s。
优选的，所述环氧树脂对铁芯的浸渍深度≥30％。
优选的，对所述固化后的铁芯进行切割。
优选的，在所述进行热处理的期间加磁场，且磁场强度为0.1-2kA/m。0.2-1.85kA/m。
优选的，所述铁芯采用纳米晶带材绕制，所述纳米晶带材的厚度为18-20微米。
优选的，所述纳米晶带材的叠片系数为79-83％。
本发明的有益效果是：①采用四段加温保温热处理的方法，降低升温速率，调整保温时间，防止剧烈升降温造成的晶核异常，从而提高其性能；②简化工序，明显提升效率；③铁芯通过端面固化含浸，减小环氧固化所产生的应力，既能保证铁芯强度，又能明显提升性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但是本发明不局限于这些实施例。
实施例1
一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，包括铁芯卷绕、使用模具成型、热处理，纳米晶铁芯的热处理采用四段加温保温法：
第一段升温速率4℃/min，升保温温度440℃，保温50min；
第二段升温速率0.5℃/min，升保温温度470℃，保温120min，在此温度阶段，材料将越过能量势垒，大量α-Fe晶核将在材料的非晶基体上弥散析出，从无序结构向有序结构转变，反应放热会导致铁芯向周围释放大量的热量，因此需要降低升温速率，严格控制保温温度，延长保温时间，以保证材料可控的温度范围内完成纳米晶的形核，以获得最优的形核数量的状态，从而保证最终退火后的性能。
第三段升温速率0.8℃/min，升保温温度535℃，保温40min；
第四段升温速率0.9℃/min，升保温温度565℃，保温100min；
然后冷却至260℃，在铁芯端面涂覆环氧树脂，利用铁芯余温烘烤固化，直至自然冷却至室温。在纳米晶铁芯进行热处理的期间加磁场，且磁场强度为2kA/m。铁芯采用纳米晶带材绕制，纳米晶带材的厚度为20微米、叠片系数为83％。
实施例2
一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，包括铁芯卷绕、使用模具成型、热处理，纳米晶铁芯的热处理采用四段加温保温法：
第一段升温速率4.2℃/min，保温温度420℃，保温60min；
第二段升温速率0.55℃/min，升保温温度470℃，保温120min；
第三段升温速率0.67℃/min，升保温温度530℃，保温30min；
第四段升温速率1℃/min，升保温温度560℃，保温90min；
然后冷却至260℃，在铁芯端面涂覆环氧树脂，利用铁芯余温烘烤固化，直至自然冷却至室温。铁芯采用纳米晶带材绕制，纳米晶带材的厚度为20微米、叠片系数为83％。
实施例3
一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，包括铁芯卷绕、使用模具成型、热处理，所述纳米晶铁芯的热处理采用四段加温保温法：
第一段升温速率3.6℃/min，保温温度400℃，保温70min；
第二段升温速率0.6℃/min，保温温度465℃，保温140min；
第三段升温速率0.7℃/min，保温温度520℃，保温40min；
第四段升温速率1.1℃/min，保温温度555℃，保温100min；
然后冷却至260℃，在铁芯端面涂覆环氧树脂，利用铁芯余温烘烤固化，直至自然冷却至室温。在纳米晶铁芯进行热处理的期间加磁场，且磁场强度为0.3kA/m。铁芯采用纳米晶带材绕制，纳米晶带材的厚度为18微米、叠片系数为79％。
实施例4
采用实施例1的制备工艺，然后进行切割。
实施例5
采用实施例2的制备工艺，然后进行切割。
实施例6
采用实施例3的制备工艺，然后进行切割。
对照组1
采用常规制备工艺一：铁芯卷绕，使用模具成型，热处理，其中热处理通常采用二段加温保温法，热处理后冷却至200摄氏度以下，室温出炉，拆掉模具，含浸环氧树脂，二次成型，入160℃保温烤箱烘烤固化6h，进行切割。铁芯采用纳米晶带材绕制，纳米晶带材的厚度为20微米、叠片系数为83％。
对照组2
采用常规制备工艺一：铁芯卷绕，使用模具成型，热处理，其中热处理通常采用二段加温保温法，热处理后冷却至200摄氏度以下，室温出炉，拆掉模具，含浸环氧树脂，二次成型，入160℃保温烤箱烘烤固化6h，进行切割。铁芯采用纳米晶带材绕制，纳米晶带材的厚度为20微米、叠片系数为83％。
对照组3
采用常规制备工艺一：铁芯卷绕，使用模具成型，热处理，其中热处理通常采用二段加温保温法，热处理后冷却至200摄氏度以下，室温出炉，拆掉模具，含浸环氧树脂，二次成型，入160℃保温烤箱烘烤固化6h，进行切割。在纳米晶铁芯进行热处理的期间加磁场，且磁场强度为2kA/m。铁芯采用纳米晶带材绕制，纳米晶带材的厚度为20微米、叠片系数为83％。
对照组4
采用常规制备工艺二：铁芯卷绕，使用模具成型，热处理，其中热处理通常采用二段加温保温法，热处理后冷却至200摄氏度以下，室温出炉，拆掉模具，含浸环氧树脂，二次成型，入160℃保温烤箱烘烤固化6h，不进行切割。在纳米晶铁芯进行热处理的期间加磁场，且磁场强度为2kA/m。铁芯采用纳米晶带材绕制，纳米晶带材的厚度为20微米、叠片系数为83％。
对照组5
采用常规制备工艺一：铁芯卷绕，使用模具成型，热处理，其中热处理通常采用二段加温保温法，热处理后冷却至200摄氏度以下，室温出炉，拆掉模具，含浸环氧树脂，二次成型，入160℃保温烤箱烘烤固化6h，进行切割。在纳米晶铁芯进行热处理的期间加磁场，且磁场强度为0.3kA/m。铁芯采用纳米晶带材绕制，纳米晶带材的厚度为18微米、叠片系数为79％。
对照组6
用常规制备工艺二：铁芯卷绕，使用模具成型，热处理，其中热处理通常采用二段加温保温法，热处理后冷却至200摄氏度以下，室温出炉，拆掉模具，含浸环氧树脂，二次成型，入160℃保温烤箱烘烤固化6h，不进行切割。在纳米晶铁芯进行热处理的期间加磁场，且磁场强度为0.3kA/m。铁芯采用纳米晶带材绕制，纳米晶带材的厚度为18微米、叠片系数为79％。
对实施例1至实施例6以及对照组1到六进行性能测试，测试结果如表1-表2：
表1热处理后未经固化的性能测试结果
有效磁导率/1 铁芯损耗(10kHz，0.1T)/W.kg<sup>-1</sup>
实施例1 68300 0.31
实施例2 47500 0.43
实施例3 56100 0.38
对照组1 59900 0.39
对照组2 41200 0.51
对照组3 49600 0.41
表2热处理后经固化的性能测试结果
Figure BDA0002656550070000061
Figure BDA0002656550070000071
从上述可以看出，本发明的高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，相对于常规制备工艺，铁芯的性能有明显的提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，包括铁芯卷绕、使用模具成型、热处理，其特征在于，所述热处理采用四段加温保温法：
第一段升温速率3.5-4.2℃/min，保温温度400-440℃，保温时间50-70min；
第二段升温速率0.4-0.5℃/min，保温温度465-475℃，保温时间120-140min；
第三段升温速率0.7-0.9℃/min，保温温度520-540℃，保温时间20-40min；
第四段升温速率0.8-1.1℃/min，保温温度555-565℃，保温时间80-100min；
然后冷却至230-260℃，在铁芯端面涂覆环氧树脂，利用铁芯余温烘烤固化，直至自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，其特征在于，所述环氧树脂的涂覆时间为60-100s。
3.根据权利要求2所述的一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，其特征在于，所述环氧树脂对铁芯的浸渍深度≥30％。
4.根据权利要求1所述的一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，其特征在于，对所述固化后的铁芯进行切割。
5.根据权利要求2所述的一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，其特征在于，在所述铁芯进行热处理的期间加磁场，且磁场强度为0.1-2kA/m。
6.根据权利要求1或2所述的一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，其特征在于，所述铁芯采用纳米晶带材绕制，所述纳米晶带材的厚度为18-20微米。
7.根据权利要求4所述的一种中高频变压器用纳米晶铁芯的制备工艺，其特征在于，所述纳米晶带材的叠片系数为79-83％。
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