CN113299452A - 复合材料结构、磁芯本体及高压脉冲变压器用磁芯 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种复合材料结构，以及具有该复合材料结构的磁芯本体和磁芯，用于解决现有磁芯在应用于高功率脉冲技术中存在的易击穿、烧毁等技术问题。本申请通过采用兼具液态绝缘介质和固态绝缘介质的复合材料结构制作磁芯本体，利用固态绝缘介质与磁性带材非附着式接合结构，并由液态绝缘介质填充磁芯本体内部空隙，从而保证磁芯本体具有高绝缘强度和低能量传输损耗。由该磁芯本体以较高的封装率、灌注填充固定于壳体内形成的磁芯，具有可靠、稳定的性能，精确的尺寸，耐冲击，易维护等特点，能够稳定、安全地应用于超高电场、快脉冲、高功率等环境中。

Description

复合材料结构、磁芯本体及高压脉冲变压器用磁芯

技术领域

本申请涉及磁芯技术领域，涉及一种磁芯本体，以及构成该磁芯本体的复合材料及其结构，同时，还涉及一种使用该磁芯本体的高压脉冲磁芯。

背景技术

王淦昌院士曾指出“高功率脉冲技术是当代高科技的主要基础学科之一”。高功率脉冲技术就把慢储存起来的、具有较高密度的能量经过快速压缩、转换，最后有效地释放给负载的电物理技术，该技术最早因国防科研需求而发展起来，主要应用于可控聚变、模拟核爆、高功率微波、高功率激光、电磁轨道炮、强电磁脉冲武器、x射线照相等方面，而随着我国科技的发展和国力的壮大，高功率脉冲技术也逐渐被用于工业、民用事业中，如人工电磁环境的产生、脱硫脱硝及除尘、处理污水、灭菌消毒、爆炸物检测、油井解堵疏通、去除人体结石、岩石破碎等。

为不断提高该技术效果，目前，高功率脉冲技术所传输的电信号兼具百千伏至兆伏超高压、纳秒量级快脉冲、太瓦量级脉冲功率等特征，由此，对所涉及的电气设备的性能要求极为苛刻。

磁芯作为核心能量储存、传递与转化的器件，其在高功率脉冲技术中应用时，脉冲信号将以极高的电压和重复频率、极陡的脉冲前沿、较窄的脉冲宽度，以一种类似于冲击波的变化方式，在磁芯本体带材间形成涡流。涡流产生的热量在带材处不断积累，最终导致带材的击穿，并最终发展为磁芯、变压器的损毁。因此，用于高功率脉冲的磁芯，必须有效解决绝缘强度及能量传输损耗问题，以此提高其可靠性、稳定性、安全性。

发明内容

本申请的目的在于提供一种磁芯，通过其磁芯本体绝缘性能的提高以及对涡流形成的抑制，配合封装结构对磁芯本体使用效率的提升，使磁芯在超高电场、快脉冲等条件下，具有极高的可靠性和稳定性。本申请的另一目的在于提供一种复合材料结构，被用于制备上述磁芯本体。该复合材料结构中，软磁材料表面复合有多层绝缘介质，绝缘介质兼具固态、液态两种形态，能够显著提高磁芯本体的绝缘强度。

本申请的目的之一在于提供一种复合材料结构。

该复合材料结构，包括贴合相接的磁性层和绝缘薄膜层，所述磁性层与所述绝缘薄膜层的间隙中填充有绝缘溶液层；其中，绝缘薄膜层具有柔性，贴合于磁性层的一侧表面，采用非附着的方式与磁性层活动固定；绝缘薄膜层与磁性层等宽或绝缘薄膜层两侧均匀超宽磁性层。

现有技术中，绝缘介质与软磁带材的复合通常包括两种方式。一种是采用涂覆、涂布的方式，在软磁带材表面制作绝缘膜；另一种是采用粘合剂固定绝缘介质与软磁带材。两者的共同点均是采用附着的方式对绝缘介质与软磁带材进行固定。然而，附着固定的方式要求相接表面绝对平整才能保证其贴合度。现有技术难以实现上述要求。同时，采用涂覆、涂布方式制作的绝缘膜厚度，以及采用粘合剂固定柔性绝缘介质的厚度均难以保持均一。在应用复合材料叠加、绕制磁芯本体时，厚度不均的带材间必然形成空隙。空隙处绝缘强度改变、损耗增加、热量聚集，形成高温。复合材料处较高的温度又易于导致绝缘膜材料、黏合剂成分的变化，从而发生失效，进一步恶化复合材料内部及复合材料间的贴合度，形成恶性循环，加速磁芯本体击穿、烧毁的发展进程。同时，绕制磁芯本体过程中，复合材料发生弯转。现有技术采用附着的方式固定了软磁带材与绝缘介质，因此，为保证弯转处两者的贴合度，就要求软磁带材与绝缘介质应具有相似的伸缩度。然而，现有技术也难以实现上述要求。从而进一步影响了现有磁芯本体的工作性能。

本申请中，磁性层与绝缘薄膜层采用表面贴合方式活动接合，两者结合面中的空隙由液态的绝缘溶液层进行填充。绝缘溶液层的液态形式，使该层能够在完成磁芯本体退火、定型后再进行，有利于保证绝缘溶液层对复合材料结构内部以及磁芯本体叠加材料间进行充分填充，避免了磁芯本体因内部空隙而产生的不良后果；同时，还有利于保证磁芯本体尺寸的精确。

本申请中，磁性层与绝缘薄膜层采用非附着的方式接合，并由绕制形成的压合作用固定，因此，无需对磁性层与绝缘薄膜层的伸缩度进行约束，具有广泛的材料选取空间。

本申请中，磁性层采用软磁带材，包括但不限于极薄硅钢钢带、坡莫合金钢带、非晶钢带、铁基纳米晶钢带中的任意一种；绝缘薄膜层采用无机绝缘薄膜带材或有机绝缘薄膜带材。磁性层厚度为10μm~100μm；薄膜层厚度为4μm~15μm。

磁芯本体绕制后要进行退火定型处理。现有技术中，退火温度、工艺等受限于复合材料的粘合剂及附着层物质的理化性质，难以实现磁芯本体的最优性能。本申请中，不涉及附着固定层或粘合剂，因此，退火定型处理更加纯粹，易于以理想的条件使磁芯本体获得最优的工频和高频磁性能。

本申请中，磁性层表面复合有液态的绝缘溶液层和固态的绝缘薄膜层两种形态的绝缘介质，不仅能够避免空隙的产生，而且通过绝缘介质的复合也能够有效地提高所制磁芯本体的绝缘强度。

本申请的目的之二在于提供一种磁芯本体。

该磁芯本体采用一种或多种上述复合材料结构叠加并以任意形状绕制而成，任意形状包括但不限于圆形、方形、环形、C形、E形、I形、其他异形。当磁芯本体以一种复合材料结构叠加时，其横截面呈现为所述复合材料结构紧密贴合、依次排列的结构；当以多种复合材料结构叠加时，其横截面呈现为对应的多种复合材料结构紧密贴合、交错排列的结构。

本申请中，磁芯本体内部没有空隙，磁性层间可靠绝缘，有利于保证磁芯本体的片间抗电强度。

本申请公开的一个实施例中，磁芯本体的上、下两端表面具有绝缘封闭层。

由于本申请磁芯本体内部具有液态的绝缘溶液层，其形态是控制磁芯本体内部无空隙的关键，因此，须采用封闭的方式使绝缘溶液层的形态保持稳定。封闭方式可以是对磁芯本体进行的单独处理，也可以是在采用磁芯本体进行磁芯组装过程中进行的封闭。

本申请中，采用液态绝缘制剂对磁芯本体的上、下两端表面进行涂刷、固化，以使磁芯本体两端表面形成质地致密的绝缘封闭层，避免磁芯本体内液态物质的形态改变，同时，也能够进一步限定磁芯本体的尺寸和外形。

本申请的目的之三在于提供一种高压脉冲变压器用磁芯。

该磁芯包括上述磁芯本体，以及封装磁芯本体的壳体。

本申请中，采用胶体灌注填充的方式，将磁芯本体稳定的固定在壳体内部。磁芯本体借助灌注胶体和壳体的固定、减振、抗冲击性能，在贮运、安装、维护等操作中避免发生破坏性形变或损伤，辅助提高了磁芯的使用可靠性、稳定性，便于日常操作。

本申请中，由于采用胶体灌注填充固定的方式，保证了磁芯本体具有较高的封装率，增加了磁芯本体的有效截面占比，有利于精确控制磁芯本体尺寸、缩减磁芯整体大小、提高磁芯的整体性能。

本申请中，胶体灌注填充方式较之现有组装固定的方法更易实施，有利于缩减人工成本，减低产品造价。

本申请通过采用兼具液态绝缘介质和固态绝缘介质的复合材料结构制作磁芯本体，利用固态绝缘介质与磁性带材非附着式接合结构，并由液态绝缘介质填充磁芯本体内部空隙，从而保证磁芯本体具有高绝缘强度和低能量传输损耗。由该磁芯本体以较高的封装率、灌注填充固定于壳体内形成的磁芯，具有可靠、稳定的性能，精确的尺寸，耐冲击，易维护等特点，能够稳定、安全地应用于超高电场、快脉冲、高功率等环境中。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例1所提供的复合材料结构示意图。

图2为本申请实施例1所提供的复合材料结构局部放大示意图。

图3为本申请实施例2所提供的复合材料结构局部放大示意图。

图4为本申请实施例3所提供的复合材料结构局部放大示意图。

图5为本申请实施例4所提供的磁芯本体结构示意图。

图6为本申请实施例6所提供的磁芯本体局部结构示意图。

图7为本申请实施例7所提供的磁芯的局部剖面结构示意图。

图8为本申请实施例7所提供的磁芯剖面处的放大结构示意图。

图9为本申请实施例8所提供的磁芯的局部剖面结构示意图。

图10为本申请实施例4所提供的磁性本体的绕制设备的使用示意图。

图11为本申请实施例5所提供的磁性本体的绕制设备的使用示意图。

附图标记：

1.磁性层，2.绝缘薄膜层，3.绝缘溶液层，4.绝缘封闭层；

10.磁性层带材，20.绝缘薄膜层带材；

31.第一复合材料，32.第二复合材料，33.第三复合材料；

100.壳体，200.磁芯本体，300.胶体；

101.内保护盒，102.外保护盒。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本申请实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，“若干”、“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“相接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请实施例的不同结构。为了简化本申请实施例的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请实施例。

此外，本申请实施例可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

实施例1

本申请实施例提供了一种复合材料结构，用于叠加、绕制获得能够应用于超高电场、快脉冲、高功率环境的磁芯本体。

如图1和图2所示，本实施例所提供的复合材料结构为一带材结构，包括：等宽且贴合相接的磁性层1和绝缘薄膜层2，两者间存在极薄、类似于膜层的绝缘溶液层3。

其中，

磁性层1采用极薄硅钢钢带，厚度40μm~100μm；

绝缘薄膜层2采用无机绝缘薄膜带材，厚度4μm~10μm；

绝缘溶液层3的成分为无机绝缘溶液。

实施例2

本申请实施例提供了一种复合材料结构，用于叠加、绕制获得能够应用于超高电场、快脉冲、高功率环境的磁芯本体。

如图3所示，本实施例所提供的复合材料结构，包括：贴合相接的磁性层1和绝缘薄膜层2，绝缘薄膜层2两侧均匀超宽1.5mm于磁性层1；两者间存在不连续的空隙，该空隙由绝缘溶液层3充分填充。

其中，

磁性层1采用坡莫合金钢带，厚度20μm~50μm；

绝缘薄膜层2采用有机绝缘薄膜带材，厚度13μm~15μm；

绝缘溶液层3的成分为无机绝缘溶液。

实施例3

本申请实施例提供了一种复合材料结构，用于叠加、绕制获得能够应用于超高电场、快脉冲、高功率环境的磁芯本体。

如图4所示，本实施例所提供的复合材料结构，包括：磁性层1、绝缘薄膜层2和绝缘溶液层3。

其中，

磁性层1采用铁基非晶钢带或铁基纳米晶钢带，厚度14~25μm；

绝缘薄膜层2采用无机绝缘薄膜带材，厚度6μm~15μm；

绝缘溶液层成分为无机绝缘溶液；

绝缘薄膜层2两侧均匀超宽2.5mm于磁性层1；两者间存在毛细管状空隙，该空隙由绝缘溶液层3充分填充。

作为上述实施例1~3的优选方案，各实施例中，复合材料结构的磁性层的棱边均进行了钝化处理。

实施例4

本申请实施例提供了一种磁芯本体，具有高绝缘强度和低能量传输损耗。

该磁芯本体具有实施例1的复合材料结构，具体由以下步骤制得：

（1）超声清洗磁性层带材，去除其表面的杂质并脱脂；

（2）高温干燥后，采用如图10所示的设备，将磁性层带材10（含/不含绝缘覆膜层）与绝缘薄膜层带材20压制复合，并同步旋转叠加绕制成型；

（3）对绕制所得结构在直流磁场中，以接近磁性层材料的居里温度进行真空退火处理，获得定型结构；

（4）采用无机绝缘溶液对定型结构进行真空浸渍处理，在带材内部及带材间隙充分填充形成绝缘溶液层。

本申请实施例中所制得的磁芯本体如图5所示，为一圆环形。图中示出的是磁芯本体的松散结构，以便于区分层间结构，实际使用时，磁芯本体为图7中的横截面所示出的，为一压紧结构。

分别采用实施例1~3提供的磁性层材料，按照上述步骤、结构制备对比磁芯本体ⅰ、ⅱ、ⅲ；

按照上述步骤、结构分别制备具有实施例1~3的复合材料结构的磁芯本体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；

测定上述对比磁芯本与磁芯本体的首尾电阻，结果详见下表：

如表所示，具有本申请所提供的复合材料结构的磁芯本体所测定的首尾电阻值显著高于仅具有磁性层的磁芯本体，性能提升比例不低于500%。

实施例5

本申请实施例提供了一种磁芯本体，具有高绝缘强度和低能量传输损耗。

该磁芯本体由以下步骤制得：

（1）超声清洗磁性层带材，去除其表面的杂质并脱脂；

（2）高温干燥后，将磁性层带材与绝缘薄膜层带材压制复合制得复合材料；

（3）采用不同的磁性层带材（含/不含绝缘覆膜层）和绝缘薄膜层带材原料，通过步骤（2）分别压制获得第一复合材料31、第二复合材料32和第三复合材料33；

（4）采用如图11所示的设备，对第一复合材料31、第二复合材料32和第三复合材料33进行二次压制复合后，同步旋转叠加绕制成型；

（5）对绕制所得结构在直流磁场中，进行真空退火处理，获得定型结构；

（6）采用无机绝缘溶液对定型结构进行真空浸渍处理，在带材内部及带材间隙充分填充形成绝缘溶液层。

本申请实施例中所制得的磁芯本体，为图8所示出的、封装后的一压紧结构。

实施例6

本申请实施例提供了一种磁芯本体，具有高绝缘强度和低能量传输损耗。

该磁芯本体的制备步骤与实施例4相似，区别在于：

在形成绝缘溶液层后，在磁芯本体结构的上、下两端部表面涂刷可固化的液态绝缘制剂，恒温固化定型后，形成绝缘封闭层4（如图6所示）。

实施例7

本申请实施例提供了一种高压脉冲变压器用磁芯，能够应用于超高电场、快脉冲、高功率环境。

如图7和图8所示，该磁芯包括：实施例6所制得磁芯本体100和壳体200，磁芯本体100由胶体300灌注填充固定于壳体200的内部容置空间里。壳体100包括紧密贴合套接的内保护盒101和外保护盒102。

实施例8

本申请实施例提供了一种高压脉冲变压器用磁芯，能够应用于超高电场、快脉冲、高功率环境。

如图9所示，该磁芯包括：实施例5所制得磁芯本体、壳体和胶体。

Claims (10)

1.一种复合材料结构，其特征在于，包括贴合相接的磁性层和绝缘薄膜层，所述磁性层与所述绝缘薄膜层的间隙中填充有绝缘溶液层；

其中，

所述绝缘薄膜层具有柔性，贴合于所述磁性层的一侧表面，采用非附着的方式与所述磁性层活动固定；

所述绝缘薄膜层与所述磁性层等宽或所述绝缘薄膜层两侧均匀超宽所述磁性层。

2.根据权利要求1所述的复合材料结构，其特征在于，

所述磁性层采用软磁带材，包括硅钢钢带、坡莫合金钢带、非晶钢带、铁基纳米晶钢带中的任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的复合材料结构，其特征在于，所述绝缘薄膜层采用无机绝缘薄膜带材或有机绝缘薄膜带材。

4.根据权利要求1所述的复合材料结构，其特征在于，所述磁性层厚度为10μm~100μm；所述薄膜层厚度为4μm~15μm。

5.根据权利要求1所述的复合材料结构，其特征在于，所述绝缘薄膜层两侧均匀超宽所述磁性层1.5mm~2.5mm。

6.根据权利要求1~5中任意一项所述的复合材料结构，其特征在于，所述绝缘溶液层由绝缘溶液真空浸渍所述磁性层和所述绝缘薄膜层而形成。

7.一种磁芯本体，其特征在于，由权利要求1~6中任意一种所述复合材料结构叠加并以任意形状绕制而成，横截面呈现为所述复合材料结构紧密贴合、依次排列的结构。

8.一种磁芯本体，其特征在于，由权利要求1~6中任意若干种所述复合材料复合叠加并以任意形状绕制而成，横截面呈现为所述若干种复合材料结构紧密贴合、交错排列的结构。

9.根据权利要求7或8所述的磁芯本体，其特征在于，上、下两端表面具有绝缘封闭层。

10.一种高压脉冲变压器用磁芯，其特征在于，包括：

壳体，具有内部容置空间；

权利要求7~9中任意一项所述的磁芯本体；

其中，

所述磁芯本体与所述壳体的间隙由胶体灌注填充。

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