CN116099741A - 一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法及其装备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法及其装备，镀膜过程中以及至少在镀膜液失去流动性前，带材宽度方向保持与水平面平行，在带材自下而上平稳移动中，将镀膜液附着在带材的两个表面，以及对带材表面的镀膜液进行加热直到至少使其失去流动性。本发明在镀膜时，带材宽度方向保持与水平面平行，带材自下而上平稳移动，镀膜液在自身重力作用下沿带材的延展方向流动或滴落，直至镀膜液被烘烤丧失流动能力，从而避免镀膜液在带材的宽度方向流动，从而最大程度地保证了带材上绝缘镀膜在带材的宽度方向上的均匀和一致性。
Description
技术领域
本发明涉及纳米晶磁芯带材加工技术领域，尤其是涉及一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法及其装备。
背景技术
脉冲功率磁芯的发展经历了三个重要时期：
第一阶段：磁性材料多使用薄硅钢合金薄带和Fe-Ni合金薄带，需要较严格的涂层和更薄的厚度，厚度多在0.05-0.2MM之间，甚至特别制造的有0.03MM的极薄合金带，工艺复杂，造价高昂，主要问题是铁芯的损耗较大，效率较低；绝缘电阻不够，层间放电问题突出。
第二阶段：快淬非晶合金薄带生产技术问世后，美国METGLAS公司开发出了18～22μm厚的非晶合金薄带2605Co和2605Sc。涂层采用6-10微米有机绝缘薄膜，大大改善了绝缘特性，脉冲损耗减小，效率得到提升。这种磁芯的缺点也很鲜明，首先就是绝缘薄膜太厚导致铁芯填充系数降低，增了体积。其次，由于使用有机薄膜后铁芯需要带膜热处理，对热处理温度有限定，使铁芯不能在太高的温度下进行热处理，使软磁材料的选用范围受到限制。
第三阶段：1988年纳米晶软磁合金问世后，日立金属推出FINEMET系列软磁材料，日立金属推出的FT-3纳米晶软磁合金材料厚度降低到14μm，并通过采用带材间无机物绝缘涂层新技术，使带间绝缘等级得到提高，填充系数大大提高，同时铁芯的脉冲损耗降低到更低水平；与此同时德国VACUUMSCHMELZE GmbH公司也推出了类似的铁芯商业牌号，使用的也是纳米晶薄带。目前德国和日本的相关产品代表了该领域产品的最高技术水平。
脉冲功率纳米晶磁芯的制备主要包括如下工序：
高品质非晶带材的制备；
带材表面绝缘处理(解决磁芯层间绝缘的问题)；
经表面绝缘处理后的带材卷绕成磁芯坯；
对磁芯坯施加特殊热处理；
磁芯封装；
磁芯电磁性能测试。
其中，带材表面绝缘处理是关键工序之一，本发明就是针对这一工序，提供铁基纳米晶合金带材表面镀膜技术。
目前，国内在高端领域中应用的脉冲功率磁芯依赖进口的局面仍未打破，突出问题是国内的脉冲功率磁芯在高压脉冲条件下层间放电严重，说明磁芯层间绝缘镀膜技术还未突破。公开技术资料显示，国内有企业、科研机构在搞脉冲功率铁基纳米晶合金磁芯的研发，在带材绝缘镀膜涂覆上做了大量工作，主要采取浸泡或喷淋方式，在铁基纳米晶合金带材表面涂覆氧化镁，取得一些进展：
浸泡方式涂覆绝缘镀膜，氧化镁(MgO)涂层厚度大于1μm，薄厚不均，且带材边缘不易附着，整体覆盖面积不足90％，单层绝缘电压小于30V DC。
以及，申请号201910397009.3名称为“高绝缘纳米晶磁芯带材镀膜设备及镀膜方法”公开了一种喷淋方式涂覆绝缘镀膜方法，如图1和2所示，其包括两个卧式盘，带材卷绕卧式盘上，工作台1有长度方向上中间设置有容纳镀膜装置，工作台1长度方向的两端分别设置有带材的收料装置2与带材的放料装置3，收料装置2和放料装置3上套接带材的卷筒，在收料装置2和放料装置3之间还设置有循环涂布装置4和干燥装置5，带材从放料装置3上的卷筒引出通过循环涂布装置4和干燥装置5并再次卷绕在收料装置2上，所述带材的卷筒在放料装置3和收料装置2上都是轴心为竖直的方向设置，带材在引出后带材的表面始终朝向侧边，即带材为竖向运行，所述循环涂布装置4包括有流出龙头6，流出龙头6的下部对应设置有接料斗7，带材竖向经过流出龙头6和接料斗7之间，接料斗7的下部连接有过滤器8，在过滤器8的下部设置有液体箱9，液体箱9连接有液体泵，液体泵的出口连接管道向上延伸并且连接到流出龙头6，形成涂布溶液循环回路，带材竖向经过流出龙头6的下部，并且两侧面同时解除流出龙头6流出的液流。以该专利为代表的现有技术在喷淋时带材处于侧立姿态，氧化镁混悬液喷于其上，在烘干固化前势必受重力作用向下流淌，随即进入烘干工段，固化后，镀膜厚度偏边，即在带材的宽度方向上厚度不均匀，直接影响磁芯的后续成型以及磁芯的抗层间放电能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法及其装备，以解决现有技术中存在的至少一个上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，镀膜过程中以及至少在镀膜液失去流动性前，带材宽度方向保持与水平面平行，在带材自下而上平稳移动中，将镀膜液附着在带材的两个表面，以及对带材表面的镀膜液进行加热直到至少使其(镀膜液)失去流动性。
本申请在镀膜时，带材宽度方向保持与水平面平行，带材自下而上平稳移动，镀膜液在自身重力作用下沿带材的延展方向流动或滴落，直至镀膜液被烘烤丧失流动能力，从而避免镀膜液在带材的宽度方向流动，从而最大程度地保证了带材上绝缘镀膜在带材的宽度方向上的均匀和一致性。
同时解决了带材边缘不易附着、整体覆盖面积不足90％、单层绝缘电压小于40VDC以及制成的磁芯不能胜任高压脉冲工作条件等问题。
进一步地，所述镀膜液通过浸泡或喷淋方式附着在所述带材两个表面上。
进一步地，所述镀膜液通过双面对称喷镀式喷涂在所述带材两个表面上。
进一步地，所述镀膜液为纳米二氧化硅(SiO2)溶液。
进一步地，所述二氧化硅的粒径小于50nm。镀膜层厚度均匀性远远优于现有技术，制成镀膜带的绝缘膜厚度为0.1-10微米，其中通过调节镀膜液浓度，可实现不同厚度的绝缘膜。
优选地，镀膜液为有机溶剂异丙酮和纳米二氧化硅(SiO2)粉体制成的透明分散液。
进一步地，所述镀膜液固化时，所述带材依次经过多个温度控制区，多个温度控制区的烘烤温度依次升高。从而使得镀膜液经过预热、稳定、升温固化。
进一步地，在整个镀膜过程中，所述带材被施加以恒定张力(即拉力)，直到镀膜固化。
进一步地，镀膜过程中以及至少在镀膜液失去流动性前，带材宽度方向保持与水平面平行，带材与水平面之间的夹角为10°-90°。
其中优选地，带材与水平面之间的夹角为60°-90°。
进一步地，带材表面的镀膜液经过多级升温加热后逐渐固化。
另外，本发明还公开一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜装备，其包括：带材输送机构、镀膜液涂覆机构和第一烘干机构；
所述带材输送机构用于输送带材，使得带材宽度方向保持与水平面平行，且自下而上平稳地依次通过所述镀膜液涂覆机构和第一烘干机构；
所述镀膜液涂覆机构用于将镀膜液涂覆在带材上；
所述第一烘干机构用于烘干带材上的镀膜液使其丧失流动性。
进一步地，所述镀膜液涂覆机构包括第一喷头和第二喷头，第一喷头和第二喷头分别布设在带材两侧，用于将镀膜液喷镀在带材两面上。
进一步地，所述第一喷头和第二喷头对称设置在所述带材两侧。
进一步地，在带材输送路径上，还包括第二烘干机构，用于对带材上的镀膜液进一步地升温烘干，所述带材依次通过所述第一烘干机构和第二烘干机构，第二烘干机构的烘干温度高于第一烘干机构的烘干温度。
进一步地，在带材输送路径上，还包括第三烘干机构，用于对带材上的镀膜液进一步地升温烘干，所述带材依次通过所述第一烘干机构、第二烘干机构和第三烘干机构，所述第一烘干机构、第二烘干机构和第三烘干机构的烘干温度依次升高。
进一步地，在所述第三烘干机构之后的带材输送路径曲折设置，用于不断弯折镀膜后的带材。
本申请镀膜工艺技术采取三级加热烘干，烘干温度逐级升高，烘干固化绝缘膜，把热应力对带材的影响降到最低，镀膜带材从第三烘干机构出来后，经过导向轮系及张力机构的调整，镀膜带几经弯曲，进一步释放应力。
进一步地，还包括张力机构，用于向所述带材施加张力。
其中，张力机构为现有技术，形式很多，例如为旋转张力架；或者，张力机构为可移动设置的转轴，转轴在复位弹簧的作用下趋向于拉紧带材，使得带材始终处于绷紧的状态。
进一步地，所述带材输送机构包括发料卷筒、收料卷筒和若干个导向轮13；
带材的原带缠绕在所述发料卷筒上；自发料卷筒引出的带材经过导向轮13、镀膜液涂覆机构以及烘干机构后被缠绕在所述收料卷筒上。
进一步地，所述带材输送机构还包括电机和执行机构，用驱动带材沿设定路径移动。例如电机通过减速机构带动收料卷筒转动等。
本申请中的带材为现有技术，例如为铁基纳米晶软磁合金薄带，其厚度为14—20μm。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法及其装备，在镀膜时，带材宽度方向保持与水平面平行，带材自下而上平稳移动，镀膜液在自身重力作用下沿带材的延展方向流动或滴落，直至镀膜液被烘烤丧失流动能力，从而避免镀膜液在带材的宽度方向流动，从而最大程度地保证了带材上绝缘镀膜在带材的宽度方向上的均匀和一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为现有技术中高绝缘纳米晶磁芯带材镀膜设备结构示意图；
图2为图1中循环涂布装置和干燥装置的结构示意图；
图3为本发明实施例2中纳米晶磁芯带材绝缘镀膜装备的工作原理图。
附图标记：
1-工作台；2-收料装置；3-放料装置；4-循环涂布装置；5-干燥装置；6-流出龙头；7-接料斗；8-过滤器；9-液体箱；10-带材；11-发料卷筒；12-收料卷筒；13-导向轮；14-张力机构；20-镀膜液涂覆机构；21-第一喷头；22-第二喷头；31-第一烘干机构；32-第二烘干机构；33-第三烘干机构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
实施例1
参照图3所示，本实施例公开一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜装备，其包括：带材输送机构、镀膜液涂覆机构20和第一烘干机构31；
所述带材输送机构用于输送带材10，使得带材10宽度方向保持与水平面平行，且自下而上平稳地依次通过所述镀膜液涂覆机构20和第一烘干机构31；所述镀膜液涂覆机构20用于将镀膜液涂覆在带材10上；所述第一烘干机构31用于烘干带材10上的镀膜液使其丧失流动性。
其中更为优选地，带材10的输送路径包括涂覆段，在涂覆段上，带材10宽度方向保持与水平面平行，且带材10与水平面呈10-90°的夹角设置，进一步优选地，带材10与水平面呈90°的夹角设置，即在涂覆段上带材10与水平面垂直设置。镀膜液涂覆机构20和第一烘干机构31布设在涂覆段上。
所述镀膜液涂覆机构20包括第一喷头21和第二喷头22，第一喷头21和第二喷头22分别布设在带材10两侧，用于将镀膜液喷镀在带材10两面上。更为优选地，所述第一喷头21和第二喷头22对称设置在所述带材10两侧。
进一步地，在带材10输送路径上，还包括第二烘干机构32和第三烘干机构33，用于对带材10上的镀膜液逐级升温烘干，所述带材10依次通过所述第一烘干机构31、第二烘干机构32和第三烘干机构33，所述第一烘干机构31、第二烘干机构32和第三烘干机构33的烘干温度依次升高。本申请镀膜工艺技术采取三级加热烘干，烘干温度逐级升高，烘干固化绝缘膜，把热应力对带材10的影响降到最低。
更为优选地，在所述第三烘干机构33之后的带材10输送路径曲折设置，用于不断弯折镀膜后的带材10。镀膜带材10从第三烘干机构33出来后，经过导向轮系及张力机构的调整，镀膜带几经弯曲，进一步释放应力。
现有技术没有考虑镀膜后应力对磁芯性能的影响，本发明从镀膜液分多级升温加热、后续导向轮系调整弯曲带材10等方面，很好的解决了带材10镀膜后的应力问题，最大限度的减小应力影响，进而减低磁芯的磁滞损耗。
带材输送机构包括发料卷筒11、收料卷筒12和若干个导向轮13；带材10的原带缠绕在所述发料卷筒11上；自发料卷筒11引出的带材10经过多个导向轮13、以及镀膜液涂覆机构20以及第一烘干机构31、第二烘干机构32和第三烘干机构33后，最后被牵引被缠绕在所述收料卷筒12上。
为了保持带材10受拉绷紧的状态，进而更好地释放带材10内部应力，还设置了张力机构14，用于向所述带材10施加张力。在本实施例中，在靠近发料卷筒11和收料卷筒12的两端分别设置有一个张力机构14。
其中，张力机构14为现有技术，形式很多，例如为旋转张力架；或者，张力机构14为可移动设置的转轴，转轴在复位弹簧的作用下趋向于拉紧带材10，使得带材10始终处于绷紧的状态。张力机构14可保证带材10在恒定张力下平稳运行。
所述带材输送机构还包括电机和执行机构，用驱动带材10沿设定路径移动。例如电机通过减速机构带动收料卷筒12转动等。
本申请中的带材10为现有技术，例如为铁基纳米晶软磁合金薄带，其厚度为14—20μm。
下表为本实施例制备的带材10与对比例1制备的带材10的性能比较，对比例1工艺条件参见下表。
由以上数据对比可见，均优于对比例。
本发明提供的一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法及其装备，在镀膜时，带材10宽度方向保持与水平面平行，带材10自下而上平稳移动，镀膜液在自身重力作用下沿带材10的延展方向流动或滴落，直至镀膜液被烘烤丧失流动能力，从而避免镀膜液在带材10的宽度方向流动，从而最大程度地保证了带材10上绝缘镀膜在带材10的宽度方向上的均匀和一致性。
实施例2
参照图3所示，本实施例公开了一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，镀膜过程中以及至少在镀膜液失去流动性前，带材10宽度方向保持与水平面平行，在带材10自下而上平稳移动中，将镀膜液附着在带材10的两个表面，以及对带材10表面的镀膜液进行加热直到至少使镀膜液失去流动性。
镀膜过程中以及至少在镀膜液失去流动性前，带材10宽度方向保持与水平面平行，带材10与水平面之间的夹角为10°-90°。其中优选地，带材10与水平面之间的夹角为60°-90°。
本申请在镀膜时，带材10宽度方向保持与水平面平行，带材10自下而上平稳移动，镀膜液在自身重力作用下沿带材10的延展方向流动或滴落，直至镀膜液被烘烤丧失流动能力，从而避免镀膜液在带材10的宽度方向流动，从而最大程度地保证了带材10上绝缘镀膜在带材10的宽度方向上的均匀和一致性。
同时解决了带材10边缘不易附着、整体覆盖面积不足90％、单层绝缘电压小于40VDC以及制成的磁芯不能胜任高压脉冲工作条件等问题。
涂覆方式可以是多种，例如浸泡方式，在涂覆段设置有承装有镀膜液的容纳槽，带材10穿过容纳槽和镀膜液，镀膜液附着在带材10上。
更优选地，本实施例中镀膜液通过喷淋方式喷涂在所述带材10两个表面上。所述镀膜液通过双面对称喷镀式喷涂在所述带材10两个表面上。
本实施例采用喷镀法，镀膜液通过喷头在带材10表面形成均匀厚度的镀膜液，待有机溶剂经烘干挥发后，在带材10表面上固化形成厚度均匀的SiO2薄膜，最终镀膜带上SiO2薄膜的厚度与镀膜液SiO2的浓度、附着在带材10上的镀膜液厚度有关；带材10运行线速度Vd与喷头喷出镀膜液的流量Qm均可调，Vd和Qm相互匹配决定附着在带材10上的镀膜液厚度。
本实施例中所述镀膜液为纳米二氧化硅(SiO2)溶液。具体而言，镀膜液为有机溶剂异丙酮和纳米二氧化硅(SiO2)粉体制成的透明分散液。其中二氧化硅的粒径小于50nm。镀膜层厚度均匀性远远优于现有技术，制成镀膜带的绝缘膜厚度为0.1-10微米，其中通过调节镀膜液浓度，可实现不同厚度的绝缘膜。
所述镀膜液固化时，所述带材10依次经过2-5个温度控制区，多个温度控制区的烘烤温度依次升高。从而使得镀膜液经过预热、稳定、升温固化。在整个镀膜过程中，所述带材10被施加以恒定张力(即拉力)，直到镀膜固化。
下表为本实施例制备的带材10与对比例2制备的带材10的性能比较，对比例2工艺条件参见下表。
| 镀膜材料 | 工艺方式 | 镀膜厚度 | 镀膜均匀性 | 应力影响 | 绝缘耐压 | |
| 实施例2 | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | 喷镀 | 0.6μm | 好 | 小 | 130V DC |
| 对比例2 | MgO | 浸泡式 | 2.3μm | 偏边 | 大 | 40V DC |
可见本实施例方法明显优于对比例2。
现有镀膜技术存在镀膜层厚度不均，且带材10边缘不易附着，表面覆盖率不足90％，进而导致层间绝缘电压低等问题。
本发明采用由有机溶剂异丙酮和纳米二氧化硅(SiO2)粉体经化学方法制成的系列浓度透明分散液(即镀膜液)，实施双面对称喷镀式镀膜，镀膜厚度均匀，表面覆盖率达100％。
总之，实施例工艺方法很好的解决了带材10镀膜均匀性问题、应力问题，从而减小后续制成磁芯的磁滞伸缩系数，进而降低磁芯磁损耗。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，镀膜过程中以及至少在镀膜液失去流动性前，带材(10)宽度方向保持与水平面平行，在带材(10)自下而上平稳移动中，将镀膜液附着在带材(10)的两个表面，以及对带材(10)表面的镀膜液进行加热直到至少使其失去流动性。
2.根据权利要求1所述的纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，所述镀膜液通过浸泡或喷淋方式附着在所述带材(10)两个表面上。
3.根据权利要求1所述的纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，所述镀膜液通过双面对称喷镀式喷涂在所述带材(10)两个表面上。
4.根据权利要求1所述的纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，所述镀膜液为纳米二氧化硅溶液。
5.根据权利要求4所述的纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，所述二氧化硅的粒径小于50nm。
6.根据权利要求1所述的纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，所述镀膜液固化时，所述带材(10)依次经过多个温度控制区，多个温度控制区的烘烤温度依次升高。
7.根据权利要求1所述的纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，在整个镀膜过程中，所述带材(10)被施加以恒定张力，直到镀膜固化。
8.根据权利要求1所述的纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，镀膜过程中以及至少在镀膜液失去流动性前，带材(10)宽度方向保持与水平面平行，带材(10)与水平面之间的夹角为10°-90°。
9.根据权利要求1所述的纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，带材(10)与水平面之间的夹角为60°-90°。
10.根据权利要求1所述的纳米晶磁芯带材绝缘镀膜方法，其特征在于，带材(10)表面的镀膜液经过多级升温加热后逐渐固化。
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