CN112086279A

CN112086279A - 一种磁性骨架的制备方法

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Publication number: CN112086279A
Application number: CN202010942722.4A
Authority: CN
Inventors: 刘明; 关蒙萌; 胡忠强; 毛若浩; 朱家训
Original assignee: Zhuhai Duochuang Technology Co ltd
Current assignee: Zhuhai Duochuang Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2020-12-15

Abstract

一种磁性骨架的制备方法，包括以下步骤：对软铁磁粉末进行表面改性预处理，使软铁磁粉末的表面由亲水性变为疏水性；将预处理后的软铁磁粉末与光固化树脂混合，得到混合物料；根据所需磁性骨架的尺寸和形状，使用三维建模软件建模；将混合物料送入3D打印机中根据所建模型进行打印，得到磁性骨架。本发明利用3D打印制备磁性骨架，磁性骨架的磁导率可以根据打印材料中软磁粉末的比例进行调节，增加了制备磁性骨架磁导率的灵活性，制得的磁性骨架和传统铁芯互感器相比，具有剩磁少、带宽较宽、动态范围大的优点，和传统空心互感器相比，具有抗干扰能力强、信噪比大的优点。

Description

一种磁性骨架的制备方法

技术领域

本发明属于电流互感器技术领域，尤指涉及一种利用3D打印技术制备磁性骨架的方法。

背景技术

电力系统中暂态电流传感器按检测原理一般可分为以电流输出的铁芯互感器和以电压输出的空心互感器(Rogowski线圈)。这两种互感器各有所长，可用在不同的应用场合。如空心互感器具有动态范围大、频带宽的优点，但其互感小、信噪比较大，需要有源积分器对信号进行放大，不适合长距离传输。相对来说，铁芯互感器中的铁芯有聚磁作用，互感大、信噪比高，抗干扰能力强，但铁磁材料有剩磁，存在磁饱和问题，容易引起信号失真。为了解决铁芯因非周期电流引起的磁饱和问题，常规的解决办法是在铁芯中开气隙，以减少剩磁，但会带来铁芯结构设计复杂，造价高的问题，而且铁芯受到铁磁材料性能的限制，存在测量频带窄，动态范围小的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的磁性骨架的制备方法，制得的磁性骨架可应用于电流互感器中。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种磁性骨架的制备方法，包括以下步骤：

对软铁磁粉末进行表面改性预处理，使软铁磁粉末的表面由亲水性变为疏水性；

将预处理后的软铁磁粉末与光固化树脂混合，得到混合物料；

根据所需磁性骨架的尺寸和形状，使用建模软件建模；

将混合物料送入3D打印机中根据所建模型进行打印，得到磁性骨架。

进一步的，所述软铁磁粉末为还原铁粉或坡莫合金粉末或铁硅合金粉末或铁铝合金粉末或铁钴合金粉末或软铁磁铁氧体粉末或硅钢粉末。

进一步的，采用偶联剂对软铁磁粉末进行表面改性预处理。

进一步的，所述偶联剂为硅烷系偶联剂或酞酸酯。

进一步的，所述偶联剂与软铁磁粉末的质量比为1:1000～1:50。

进一步的，混合软铁磁粉末与光固化树脂时，所述软铁磁粉末的用量为所有物料质量的20～70％，光固化树脂的用量为所有物料质量的30～80％。

进一步的，混合物料中还包括助剂，助剂的用量为所有物料质量的0～3％。

进一步的，所述助剂包括抗氧化剂、润滑剂、增塑剂、热稳定剂中的一种或多种。

进一步的，所述软铁磁粉末的剩余磁化强度小于0.4T。

进一步的，3D打印过程中使用紫外光对已打印出的结构进行固化，一层结构固化后，进行下一层物料涂覆过程，直至打印完成。

由以上技术方案可知，本发明采用软铁磁粉作为原料，利用3D打印技术制备电流互感器的磁性骨架，通过将铁磁材料粉末与光固化树脂均匀混合可以得到磁导率介于空心与铁芯之间的材料，而且可以通过改变软铁磁粉末的用量比例调节磁性骨架的磁导率，以适应不同磁导率的应用需求，灵活度高。采用本发明方法制得的磁性骨架具有较小的剩磁，相对于传统铁芯互感器，具有剩磁少、带宽较宽、动态范围大等优点，相对于传统空心互感器，具有抗干扰能力强、信噪比高等优点，可同时应用于空心互感器和铁芯互感器的应用领域，能够很好地满足现代电力系统对电流互感器的要求。而且采用3D打印技术，与浇筑方法相比，3D打印精度更高，不需原坯和模具，能够大幅缩减原材料，材料浪费少，打印出的产品仅需少量或不需要后期加工，使生产效率大大提高，降低了成本和生产周期，而且可以灵活改变器件外观尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明实施例1应用于罗氏线圈电流互感器的示意图；

图3a、3b、3c分别为本发明实施例1、实施例2及对比例的磁滞回线图；

图4为本发明实施例3应用于铁芯线圈电流互感器的示意图。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

本发明采用软铁磁粉作为原料，基于3D打印技术制备用于电流互感器的磁性骨架，步骤具体如下：

对软铁磁粉末进行表面改性预处理，可将软铁磁粉末与少量偶联剂混合，偶联剂与软铁磁粉末的(质量)比例为1:1000～1:50，采用偶联剂对软铁磁粉末进行表面改性预处理，使软铁磁粉末的表面由亲水性变为疏水性；

将预处理后的软铁磁粉末与光固化树脂混合，其中，软铁磁粉末的用量为所有物料(所有物料质量＝软铁磁粉末质量+光固化树脂质量)质量的20～70％，光固化树脂的用量为所有物料质量的30～80％；为了改善物料的流动性和稳定性，可加入作为辅助材料的助剂与软铁磁粉末和光固化树脂一起混合，助剂可以是本领域常用的助剂，包括但不限于抗氧化剂、润滑剂、增塑剂、热稳定剂等中的一种或多种；助剂的用量为所有物料质量(所有物料质量＝软铁磁粉末质量+光固化树脂质量+助剂质量(含助剂时))的0～3％；

根据所需磁性骨架的尺寸和形状，使用三维建模软件进行3D建模；

将物料送入3D打印机中根据所建模型进行打印，打印过程中使用紫外光对已打印出的结构进行固化，一层结构固化后，进行下一层物料涂覆过程，直至打印完成。

本发明所使用的软铁磁粉是具有低剩磁特性的软磁材料粉末，即软磁材料的剩余磁化强度小于0.4T，如还原铁粉、坡莫合金粉末、铁硅合金粉末、铁铝合金粉末、铁钴合金粉末、软铁磁铁氧体粉末、硅钢粉末；偶联剂为硅烷系偶联剂或酞酸酯。

本发明所使用的光固化树脂可为γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)，其CAS号为2530-85-0。

可以通过改变软铁磁粉末、光固化树脂的用量比例来改变磁性骨架的磁导率，由此增加了磁性骨架磁导率调节的灵活性，所制得的磁性骨架可以适应不同磁导率的需求，从而在具有抗干扰、信噪比高的特性的同时适应不同带宽和动态范围。

下面通过具体实施例和对比例对本发明作进一步的说明。下述说明中所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均为常规试剂、常规材料以及常规仪器，均可商购获得，所涉及的试剂也可通过常规合成方法合成获得。

实施例1

本实施例以硅钢为软铁磁材料，制备应用于罗氏线圈电流互感器的磁性骨架，步骤如下：

将2g硅烷偶联剂(KH-550)溶于200ml乙醇(溶剂)中，搅拌均匀后，加入1000g硅钢粉末并充分混合均匀，然后去除溶剂，完成对硅钢粉末的表面预处理；通过对硅钢粉末进行表面预处理，使硅钢粉末表面由亲水性变为疏水性，从而可以均匀分散到光固化树脂中，形成内部磁导率均匀的材料；硅钢具有很高的弱磁场导磁率，其磁导率为7000～10000，饱和磁感应强度在2T左右；偶联剂采用硅烷系KH-550，KH-550为氨基官能团硅烷，呈碱性，可溶于有机溶剂、水，是优异的粘结促进剂；

将表面预处理后的硅钢粉末与光固化树脂和助剂按40％：58％：2％比例进行混合；本实施例的光固化树脂采用环氧丙烯酸酯树脂，环氧丙烯酸酯树脂的光固化速度在各类低聚物中是最快的，并且环氧丙烯酸酯原料来源广，价格低廉，合成工艺简单；助剂采用抗氧化剂、润滑剂、增塑剂、热稳定剂中的一种或多种；

根据所需磁性骨架的尺寸和形状，使用三维建模软件进行3D建模，建立一个圆环形磁性骨架3D模型，本实施例使用Solidworks软件进行建模，磁性骨架的截面半径为10mm，圆环的内径为40mm，磁性骨架为实心结构；

将物料送入打印机中进行打印，对由打印机喷嘴输出的物料进行固化，一层树脂固化后，继续进行下一层物料涂覆过程，直至打印完成。本实施例采用的3D打印机为纵维立方公司生产的PHOTON型3D打印机，打印xy方向分辨率为47μm，z轴的分辨率为1.25μm，层厚为25～100μm，打印速度为20mm/h。在其他的实施例中，可根据打印材料粘度系数的大小，选用普通3D打印和流延法打印。

将打印得到的磁性骨架装配到罗氏线圈电流互感器中，如图2所示，用导线在磁性骨架上均匀缠绕，形成反馈线圈，反馈线圈的一端接地、另一端与积分电路(运算放大器)相连，反馈线圈产生的电压信号经过积分后输出所测电流值。传统罗氏线圈为空心线圈，线圈磁导率约为1，本发明的磁性骨架的磁导率可根据软磁粉末的比例在为1～100之间变化，从而增加了罗氏线圈的互感，具有更强的抗干扰能力。和铁芯相比，磁性骨架采用低剩磁特性的软磁材料粉末制成，可以减少剩磁，避免出现磁饱和。

实施例2

本实施例和实施例1不同的地方在于：硅钢粉末与光固化树脂和助剂的混合比例为20％：77％：3％。

对比例

对比例和实施例1不同的地方在于：采用硅钢块作为反馈线圈的骨架。

图3a至图3c分别为实施例1、2及对比例的磁滞回线图，从图3a和图3b可以看出，当减少软铁磁粉末的用量时，磁性骨架的磁导率会变小，磁滞回线变小，剩磁变小；和采用硅钢块制成的磁性骨架相比，采用软铁磁粉末制得的磁性骨架由于磁导率的降低，不存在磁饱和问题，从而可以避免电流互感器副边电流数值的失真和波形的畸变的问题。

实施例3

本实施例和实施例1不同的地方在于：以坡莫合金粉末为软铁磁材料，制备应用于铁芯线圈电流互感器的磁性骨架。

将2g硅烷偶联剂(KH-550)溶于200ml乙醇中，搅拌均匀后，加入1000g坡莫合金粉末充分混合均匀，然后将乙醇挥发，完成对坡莫合金粉末的表面预处理；坡莫合金作为具有很高的弱磁场导磁率，磁导率为20000～200000，饱和磁感应强度在1T左右；

将表面预处理后的坡莫合金粉末与光固化树脂和助剂按30％：69％：1％比例混合；

根据所需磁性骨架的尺寸和形状，使用三维建模软件进行3D建模，建立一个方环形磁性骨架3D模型，磁性骨架的截面为正方形，边长为10mm，方环内部的正方形边长为80mm；

将打印物料送入打印机中进行打印对由打印机喷嘴输出的物料进行固化，一层树脂固化后，继续进行下一层物料涂覆过程，直至打印完成。

如图4所示，将打印得到的磁性骨架装配到铁芯线圈电流互感器，用导线在磁性骨架上均匀缠绕，形成反馈线圈，输入电压与输出电压成正比，通过测量互感器输出电压从而测得电流大小。传统铁芯电流互感器通常以硅钢作为聚磁环，线圈磁导率为700～10000，本发明的磁性骨架的磁导率可根据软磁粉末的比例在为1～100之间变化，大大减小了相对磁导率，有足够的测量裕度，不会出现磁饱和现象。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims

1.一种磁性骨架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据所需磁性骨架的尺寸和形状，使用建模软件建模；

2.如权利要求1所述的磁性骨架的制备方法，其特征在于：所述软铁磁粉末为还原铁粉或坡莫合金粉末或铁硅合金粉末或铁铝合金粉末或铁钴合金粉末或软铁磁铁氧体粉末或硅钢粉末。

3.如权利要求1所述的磁性骨架的制备方法，其特征在于：采用偶联剂对软铁磁粉末进行表面改性预处理。

4.如权利要求3所述的磁性骨架的制备方法，其特征在于：所述偶联剂为硅烷系偶联剂或酞酸酯。

5.如权利要求3所述的磁性骨架的制备方法，其特征在于：所述偶联剂与软铁磁粉末的质量比为1:1000～1:50。

6.如权利要求1所述的磁性骨架的制备方法，其特征在于：混合软铁磁粉末与光固化树脂时，所述软铁磁粉末的用量为所有物料质量的20～70％，光固化树脂的用量为所有物料质量的30～80％。

7.如权利要求1所述的磁性骨架的制备方法，其特征在于：混合物料中还包括助剂，助剂的用量为所有物料质量的0～3％。

8.如权利要求7所述的磁性骨架的制备方法，其特征在于：所述助剂包括抗氧化剂、润滑剂、增塑剂、热稳定剂中的一种或多种。

9.如权利要求1所述的磁性骨架的制备方法，其特征在于：所述软铁磁粉末的剩余磁化强度小于0.4T。

10.如权利要求1所述的磁性骨架的制备方法，其特征在于：3D打印过程中使用紫外光对已打印出的结构进行固化，一层结构固化后，进行下一层物料涂覆过程，直至打印完成。