CN114551078B - 一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁芯技术领域，尤其涉及一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置和方法。本发明提供的制备装置，包括依次设置的第一张力轮、加热/磁化退火炉、第二张力轮和收带盘；所述加热/磁化退火炉包括依次交替重复设置的退火炉和磁体；所述磁体内侧设置有传输通道；所述交替重复的次数>1。所述制备装置可以使全部磁畴的方向垂直于纳米晶合金铁芯表面，使其在1KHz～30KHz范围内，单匝电感值衰减率小于2％，30匝电感值衰减率小于5％，有效磁导率为8000～11000。
Description
技术领域
本发明涉及磁芯技术领域，尤其涉及一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置和方法。
背景技术
铁基纳米晶软磁合金因为具有超高的磁导率，在电感领域的得到了广泛应用。随着电力电子技术的发展，提出了一种宽频恒电感的要求，即在工频到数十kHz范围内都要求磁芯具有恒定的电感值和大的电感值。采用常规纳米晶合金铁芯制备的电杆，电感值高，但通常随频率增加电感值下降非常快，进而限制了其应用。
在纳米晶合金磁芯领域，主要是通过特别的成分和工艺设计使其具有宽频恒电感特性。目前，提高恒导磁性的主要手段有：1)采用恒磁场热处理工艺；2)设计特别的合金成分，通常是增加镍和钴等元素；3)采用张应力退火工艺。
对于恒磁场热处理来说，其目的是为了在高温下能够偏转纳米晶合金的磁畴，使所有磁畴的方向平行于外磁场方向。经过恒磁场处理后纳米晶合金铁芯的剩余磁感应强度会变小。在常规的横磁场处理工艺中，其主要是将外加磁场与加热炉叠加在一起的，外加磁场有螺旋线圈提供。受限于螺旋线圈的匝数和电流的大小，外加磁场强度的带下也会受到限制，通常最大只能达到0.2T左右。因此，偏转磁畴的能力受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置和方法，所述制备装置可以使全部磁畴的方向垂直于纳米晶合金铁芯表面，使其在1KHz～30KHz范围内，单匝电感值衰减率小于2％，30匝电感值衰减率小于5％，有效磁导率为8000～11000。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置，包括依次设置的第一张力轮、加热/磁化退火炉和收带盘；
所述加热/磁化退火炉包括依次交替重复设置的退火炉和磁体；所述磁体内侧设置有传输通道；
所述交替重复的次数>1。
优选的，所述交替重复的次数≥6。
优选的，所述退火炉的长度为200～300mm；
相邻两退火炉之间的距离为150～250mm。
优选的，所述磁体包括磁极；所述磁极的长度为100～200mm；
依次连接的退火炉与磁体之间的距离为20～30mm；
所述加热/磁化退火炉的末端的磁体包括3对磁极。
优选的，依次连接的退火炉与磁体之间均设置有第一绝热层；
所述磁体内侧设置有第二绝热层；
所述第一绝热层和第二绝热层的厚度独立为0.5～1mm，室温下的导热系数独立≤0.02W/(m·K)。
优选的，所述第一张力轮前还连接有放带盘。
本发明还提供了一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备方法，包括以下步骤：
所述制备方法在上述技术方案所述的制备装置中进行
将非晶合金带通过第一张力轮施加拉应力，使所述非晶合金带通过加热/磁化退火炉依次重复进行退火和磁化后，收卷，得到所述具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯；
所述拉应力为30～50MPa。
优选的，所述退火在保护气氛中进行；
所述退火的温度为500～540℃。
优选的，所述磁化的温度为380～540℃，磁场强度≥0.6T。
优选的，所述非晶合金带通过所述加热/磁化退火炉的速率为0.5～2m/min。
本发明提供了一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置，包括依次设置的第一张力轮、加热/磁化退火炉和收带盘；所述加热/磁化退火炉包括依次交替重复设置的退火炉和磁体；所述磁体内侧设置有传输通道；所述交替重复的次数>1。
与现有技术相比，本发明所述的制备装置具有以下优势：
1)与传统的恒磁场热处理装置相比，本发明提供的制备装置中的加热/磁化退火炉中的退火炉和磁体是独立设置的，这样能够保证提供更大的外加磁场强度，而更大的外加磁场强度能够产生更好的恒磁场退火效果，其能够缩短恒磁场的处理时间；但是在去掉外加磁场后，由于会存在部分磁畴的方向出现反弹的现象，即偏离预定的偏转方向，并最终导致当加热和磁化只进行一次时，能够实现大部分磁畴的方向垂直于薄带表面，但是不能实现全部磁畴的方向垂直于薄带表面。因此，本发明通过对退火炉和磁体进行交替重复设置，可以实现全部磁畴的方向垂直于薄带表面；
2)本发明所述的制备装置可以使磁畴偏转的动力主要来自于磁极，而张应力仅仅是起到辅助作用，因此，所述制备装置可以实现在更小的拉应力值的作用下，实现磁畴的偏转，同时解决了传统的张应力退火工艺通过施加非常大的张应力(≤300MPa)来实现磁畴偏转时导致的非晶合金带断裂的问题；
本发明还提供了一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备方法，包括以下步骤：所述制备方法在上述技术方案所述的制备装置中进行；将非晶合金带通过第一张力轮施加拉应力，使所述非晶合金带通过加热/磁化退火炉依次重复进行退火和磁化后，收卷，得到所述具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯；所述拉应力为30～50MPa。利用本发明所述的制备方法制备得到的纳米晶合金铁芯的磁畴几乎全部垂直与合金带的表面，而所述纳米晶合金铁芯服役时的外加磁场是沿着环状磁芯的圆周方向的，所以磁畴几乎全部垂直于外加磁场方向，这样，当外加磁场变为0时，剩余磁感应强度也会接近于0(如图2和图3所示)；另外，随着频率增加，磁化曲线不易变宽。因此，磁芯具有宽频恒电感特性，在1KHz～30KHz范围内，单匝电感值衰减率小于2％，30匝电感值衰减率小于5％，有效磁导率为8000～11000。
附图说明
图1为实施例1～5所述的具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置的结构示意图；其中，1-放带盘，2-第一张力轮，3-加热/磁化退火炉，4-退火炉，5-第一绝热层，6-磁体，7-第二张力轮，8-收带盘，9-非晶合金带，10-第二绝热层；
图2为实施例1所述的磁芯的磁滞回线图；
图3为实施例2所述的磁芯的磁滞回线图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置，包括依次设置的第一张力轮、加热/磁化退火炉和收带盘；
所述加热/磁化退火炉包括依次交替重复设置的退火炉和磁体；所述磁体内侧设置有传输通道；
所述交替重复的次数>1。
作为本发明的具体实施例，所述第一张力轮前还连接有放带盘。
在本发明中，所述退火炉的长度优选为200～300mm，更优选为250～300mm。作为本发明的具体实施例，所述退火炉的长度为250mm或300mm。
在本发明中，相邻两退火炉之间的距离优选为150～250mm，更优选为200～250mm。作为本发明的具体实施例，所述相邻两退火炉之间的距离为200mm或250mm。
在本发明中，所述磁体优选包括磁极；所述磁极的长度优选为100～200mm，更优选为130～160mm。作为本发明的具体实施例，所述磁极的长度为150mm。
在本发明中，所述磁极优选为钕铁硼永磁体；所述钕铁硼永磁体施加外加磁场的磁场强度为0.6～0.8T。
在本发明中，所述加热/磁化退火炉的末端的磁体优选包括3对磁极，其余磁体包括1对磁极。上述设置的作用是适当延长最后一次磁化过程的时间，保证非晶带材离开最后一对磁极时的温度在300℃以下。
在本发明中，所述3对磁极与收带盘之间还设置有第二张力轮，所述第二张力轮的尺寸优选与所述第一张力轮的尺寸相同。在本发明中，所述第二张力轮起到导带的作用。
在本发明中，依次连接的退火炉与磁体之间的距离优选为20～30mm，更优选为20～25mm。作为本发明的具体实施例，所述依次连接的退火炉与磁体之间的距离为20mm。
在本发明中，依次连接的退火炉与磁体之间均设置有第一绝热层；所述磁体内侧设置有第二绝热层。在本发明中，所述第一绝热层和第二绝热层的厚度独立优选为0.5～1mm，室温下的导热系数独立优选≤0.02W/(m·K)。在本发明中，所述第一绝热层和第二绝热层的材料优选为气凝胶耐火纤维毡；本发明对所述气凝胶耐火纤维毡的种类没有任何特殊的限定，只要能够满足上述对厚度和导热系数的要求即可。
在本发明中，所述第一绝热层的设置可以避免磁化处理过程中的温度下降；所述第二绝热层的设置可以解决磁体不耐高温的问题。
在本发明中，所述交替重复的次数优选≥6。作为本发明的具体实施例，所述交替重复的次数为6或7。
本发明还提供了一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备方法，包括以下步骤：
所述制备方法在上述技术方案所述的制备装置中进行
将非晶合金带通过第一张力轮施加拉应力，使所述非晶合金带通过加热/磁化退火炉依次重复进行退火和磁化后，收卷，得到所述具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯；
所述拉应力为30～50MPa。
本发明对所述非晶合金带的组成没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的组成即可。在本发明的具体实施例中，所述非晶合金带为厚度为18～22μm的国标1K107系列B配方的非晶合金带材，具体组成为：按照原子个数计，包括73.5份的铁、15.5份的硅、7份的硼、3份的铌和1份的铜。
施加所述拉应力前，本发明优选将非晶合金带置于放带盘中，然后将放带盘中的非晶合金通过第一张力轮施加拉应力。
在本发明中，所述拉应力为30～50MPa，优选为35～45MPa，更优选为40MPa。
在本发明中，所述退火在保护气氛中进行，所述保护气氛优选为氮气气氛或氩气气氛。在本发明中，所述退火的温度优选为500～540℃，更优选为510～530℃。
在本发明中，所述磁化的温度为优选为380～540℃；磁场强度优选≥0.6T，更优选为0.6～0.8T。
在本发明中，所述非晶合金带通过所述加热/磁化退火炉的速率优选为0.5～2m/min，更优选为0.5～1m/min，最优选为1m/min。
下面结合实施例对本发明提供的具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置和方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
制备装置：
如图1所示，包括依次设置的放带盘、第一张力轮、加热/磁化退火炉(包括退火炉和磁体，所述退火炉和磁体交替重复设置的次数为6次)、第二张力轮和收带盘；
所述退火炉的长度为300mm，相邻两退火炉之间的距离为250mm；所述磁体包括磁极(钕铁硼永磁体)；所述加热/磁化退火炉的末端的磁体包括3对磁极，其余磁体包括1对磁极，所述磁极为钕铁硼永磁体；磁极的长度为150mm；依次连接的退火炉与磁体之间的距离为20mm；依次连接的退火炉与磁体之间设置有第一绝热层；所述磁体内侧设置有第二绝热层；所述第一绝热层和第二绝热层为厚度为1mm，室温下的导热系数为0.02W/(m·K)的气凝胶耐火纤维毡；
制备方法：
原料：选用国标1K107系列B配方的非晶合金薄带，合金的组分按原子个数比组成：铁73.5份、硅15.5份、硼7份、铌3份和铜1份，所述非晶合金薄带的厚度为20μm；
将非晶合金带置于放带盘中，然后将放带盘中的非晶合金通过第一张力轮施加拉应力(50MPa)，使所述非晶合金带通过加热/磁化退火炉依次重复进行退火(氮气气氛保护，540℃)和磁化(温度380～540℃，0.6T)6次后，使所述非晶合金薄带在离开末端磁极时的温度为280℃，通过第二张力轮带动所述非晶合金薄带的运动速率为1m/min进行收卷，得到所述具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯；
从收带轮上取下退火后的薄带盘，再卷绕得到内径为10mm，外径为18mm，高度为10mm的磁芯；
将所述磁芯进行磁滞回线测试，测试结果如图2所示，由图2可知，当外加磁场变为0时，剩余磁感应强度也会接近于0。
实施例2
制备装置：
如图1所示，包括依次设置的放带盘、第一张力轮、加热/磁化退火炉(包括退火炉和磁体，所述退火炉和磁体交替重复设置的次数为6次)、第二张力轮和收带盘；
所述退火炉的长度为300mm，相邻两退火炉之间的距离为250mm；所述磁体包括磁极(钕铁硼永磁体)；所述加热/磁化退火炉的末端的磁体包括3对磁极，其余磁体包括1对磁极所述磁极为钕铁硼永磁体；磁极的长度为150mm；依次连接的退火炉与磁体之间的距离为20mm；依次连接的退火炉与磁体之间设置有第一绝热层；所述磁体内侧设置有第二绝热层；所述第一绝热层和第二绝热层为厚度为1mm，室温下的导热系数为0.02W/(m·K)的气凝胶耐火纤维毡；
制备方法：
原料：选用国标1K107系列B配方的非晶合金薄带，合金的组分按原子个数比组成：铁73.5份、硅15.5份、硼7份、铌3份和铜1份，所述非晶合金薄带的厚度为18μm；
将非晶合金带置于放带盘中，然后将放带盘中的非晶合金通过第一张力轮施加拉应力(40MPa)，使所述非晶合金带通过加热/磁化退火炉依次重复进行退火(氮气气氛保护，540℃)和磁化(温度380～540℃，0.6T)6次后，使所述非晶合金薄带在离开末端磁极时的温度为270℃，通过第二张力轮带动所述非晶合金薄带的运动速率为1m/min进行收卷，得到所述具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯；
从收带轮上取下退火后的薄带盘，再卷绕得到内径为10mm，外径为18mm，高度为10mm的磁芯；
将所述磁芯进行磁滞回线测试，测试结果如图3所示，由图3可知，当外加磁场变为0时，剩余磁感应强度也会接近于0。
实施例3
制备装置：
包括依次设置的放带盘、第一张力轮、加热/磁化退火炉(包括退火炉和磁体，所述退火炉和磁体交替重复设置的次数为6次)、第二张力轮和收带盘；
所述退火炉的长度为250mm，相邻两退火炉之间的距离为200mm；所述磁体包括磁极(钕铁硼永磁体)；所述加热/磁化退火炉的末端的磁体包括3对磁极，其余磁体包括1对磁极所述磁极为钕铁硼永磁体；磁极的长度为150mm；依次连接的退火炉与磁体之间的距离为20mm；依次连接的退火炉与磁体之间设置有第一绝热层；所述磁体内侧设置有第二绝热层；所述第一绝热层和第二绝热层为厚度为1mm，室温下的导热系数为0.02W/(m·K)的气凝胶耐火纤维毡；
制备方法：
原料：选用国标1K107系列B配方的非晶合金薄带，合金的组分按原子个数比组成：铁73.5份、硅15.5份、硼7份、铌3份和铜1份，所述非晶合金薄带的厚度为20μm；
将非晶合金带置于放带盘中，然后将放带盘中的非晶合金通过第一张力轮施加拉应力(50MPa)，使所述非晶合金带通过加热/磁化退火炉依次重复进行退火(氮气气氛保护，530℃)和磁化(温度380～530℃，0.6T)6次后，使所述非晶合金薄带在离开末端磁极时的温度为280℃，通过第二张力轮带动所述非晶合金薄带的运动速率为1m/min进行收卷，得到所述具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯；
从收带轮上取下退火后的薄带盘，再卷绕得到内径为10mm，外径为18mm，高度为10mm的磁芯。
实施例4
制备装置：
包括依次设置的放带盘、第一张力轮、加热/磁化退火炉(包括退火炉和磁体，所述退火炉和磁体交替重复设置的次数为6次)、第二张力轮和收带盘；
所述退火炉的长度为250mm，相邻两退火炉之间的距离为200mm；所述磁体包括磁极(钕铁硼永磁体)；所述加热/磁化退火炉的末端的磁体包括3对磁极，其余磁体包括1对磁极所述磁极为钕铁硼永磁体；磁极的长度为150mm；依次连接的退火炉与磁体之间的距离为20mm；依次连接的退火炉与磁体之间设置有第一绝热层；所述磁体内侧设置有第二绝热层；所述第一绝热层和第二绝热层为厚度为0.5mm，室温下的导热系数为0.02W/(m·K)的气凝胶耐火纤维毡；
制备方法：
原料：选用国标1K107系列B配方的非晶合金薄带，合金的组分按原子个数比组成：铁73.5份、硅15.5份、硼7份、铌3份和铜1份，所述非晶合金薄带的厚度为20μm；
将非晶合金带置于放带盘中，然后将放带盘中的非晶合金通过第一张力轮施加拉应力(40MPa)，使所述非晶合金带通过加热/磁化退火炉依次重复进行退火(氮气气氛保护，520℃)和磁化(温度380～520℃，通过第二张力轮带动所述非晶合金薄带的运动速率为0.5m/min进行收卷，得到所述具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯；
从收带轮上取下退火后的薄带盘，再卷绕得到内径为10mm，外径为18mm，高度为10mm的磁芯。
实施例5
制备装置：
包括依次设置的放带盘、第一张力轮、加热/磁化退火炉(包括退火炉和磁体，所述退火炉和磁体交替重复设置的次数为6次)、第二张力轮和收带盘；
所述退火炉的长度为300mm，相邻两退火炉之间的距离为250mm；所述磁体包括磁极(钕铁硼永磁体)；所述加热/磁化退火炉的末端的磁体包括3对磁极，其余磁体包括1对磁极所述磁极为钕铁硼永磁体；磁极的长度为150mm；依次连接的退火炉与磁体之间的距离为20mm；依次连接的退火炉与磁体之间设置有第一绝热层；所述磁体内侧设置有第二绝热层；所述第一绝热层和第二绝热层为厚度为0.5mm，室温下的导热系数为0.02W/(m·K)的气凝胶耐火纤维毡；
制备方法：
原料：选用国标1K107系列B配方的非晶合金薄带，合金的组分按原子个数比组成：铁73.5份、硅15.5份、硼7份、铌3份和铜1份，所述非晶合金薄带的厚度为22μm；
将非晶合金带置于放带盘中，然后将放带盘中的非晶合金通过第一张力轮施加拉应力(50MPa)，使所述非晶合金带通过加热/磁化退火炉依次重复进行退火(氮气气氛保护，520℃)和磁化(温度380～520℃，0.8T)6次后，使所述非晶合金薄带在离开末端磁极时的温度为270℃，通过第二张力轮带动所述非晶合金薄带的运动速率为0.5m/min进行收卷，得到所述具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯；
从收带轮上取下退火后的薄带盘，再卷绕得到内径为10mm，外径为18mm，高度为10mm的磁芯。
对比例1
选用国标1K107系列B配方的非晶合金薄带，合金的组分按原子个数比组成：铁73.5份、硅15.5份、硼7份、铌3份和铜1份，所述非晶合金薄带的厚度为20μm；
将所述非晶合金薄带卷绕成内径为10mm，外径为16mm，高度为10mm的磁芯；
将所述磁芯在恒磁场退火中进行恒磁场热处理，热处理过程为：由室温经过100min升至480℃，保温120min，开磁场，在70min升到540℃，保温100min，停止加热并打开冷却风，冷却到300℃，关磁场，出炉，期间先抽真空再通氮气循环进行保护然后再加磁场。
测试例
采用电感测量仪对实施例1～5得到的磁芯进行电感测试，电压设定为2V，采用线径为0.3mm的漆包线绕线30匝，测试结果如表1所示：
表1实施例1～5和对比例1所述的磁芯的电感值随频率的变化
由表1中数据可知，当频率从1K到30K之间变化时，实施例1～5所述的磁芯的单匝电感值非常恒定，衰减率仅为1％左右；而对于同一个磁芯，30匝电感值的恒定性有所下降，衰减率增加到3％～4％之间。
对比例1中磁芯的单匝电感值的恒定性较好，当频率从1K增加到30K时，衰减率为2％；但是30匝电感值的恒定性很差，衰减率剧增至18.67％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备装置，其特征在于，包括依次设置的第一张力轮、加热/磁化退火炉和收带盘；
所述加热/磁化退火炉包括依次交替重复设置的退火炉和磁体；所述磁体内侧设置有传输通道；
所述交替重复的次数>1；
依次连接的退火炉与磁体之间的距离为20～30mm；
依次连接的退火炉与磁体之间均设置有第一绝热层；
所述磁体内侧设置有第二绝热层。
2.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述交替重复的次数≥6。
3.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述退火炉的长度为200～300mm；
相邻两退火炉之间的距离为150～250mm。
4.如权利要求1或3所述的制备装置，其特征在于，所述磁体包括磁极；所述磁极的长度为100～200mm；
所述加热/磁化退火炉的末端的磁体包括3对磁极。
5.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述第一绝热层和第二绝热层的厚度独立为0.5～1mm，室温下的导热系数独立≤0.02W/(m·K)。
6.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述第一张力轮前还连接有放带盘。
7.一种具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述制备方法在权利要求1～6所述的制备装置中进行；
将非晶合金带通过第一张力轮施加拉应力，使所述非晶合金带通过加热/磁化退火炉依次重复进行退火和磁化后，收卷，得到所述具有宽频恒电感值特性的纳米晶合金铁芯；
所述拉应力为30～50MPa。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述退火在保护气氛中进行；
所述退火的温度为500～540℃。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述磁化的温度为380～540℃，磁场强度≥0.6T。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述非晶合金带通过所述加热/磁化退火炉的速率为0.5～2m/min。
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