CN1255230A - 电扼流圈 - Google Patents

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Abstract

电扼流圈包括具有分布式间隙和分立间隙的组合的磁性非晶金属磁心。非晶金属是铁基快速固化合金。通过使磁心经历热处理、导致非晶合金的局部结晶来实现分布式间隙结构。这样的局部体积结晶把磁心的导磁率从几千降低到200至800范围内的值。通过切割磁心并且插入垫片来引入分立间隙。随间隙宽度和退火后的导磁率而定,可以获得200至40范围内的有效导磁率。其优点是,降低了导磁率的磁心在直流偏置磁场激励条件下保持其起始导磁率,并且呈现低的磁心损耗,使得它特别适合于功率因子校正应用场合。

Description

电扼流圈
本发明涉及包括非晶金属合金的磁心，它适合于诸如施加大直流偏置电流的功率因子校正(PFC)的电扼流圈应用场合。
电扼流圈是一种直流储能电感器。对于环形电感器，所储存的能量是W＝1/2[(B2Aclm)/(2μ0μr)]，其中，B是磁通密度，Ac是磁心的有效磁面积，lm是平均磁通路长度，而μ0是自由空间导磁率，μr是材料中的相对导磁率。
当在环形线中引入小的空气间隙时，该空气间隙中的磁通量保持与铁磁铁心材料中的相同。但是，由于空气的导磁率(μ～1)显著地低于典型的铁磁材料中的导磁率(μ～几千)，所以，间隙中的磁场强度(H)大大高于铁心的其余部分中的磁场强度(H＝B/μ)。磁场中每单位容积的储能是W＝1/2(BH)，因此，我们可以假定它主要集中在所述空气间隙中。换句话说，通过引入间隙而增大了铁心的储能容量。间隙可以是分立的或分布式的。
可以利用由非磁性的粘结剂粘结在一起的铁磁粉末或者通过使非晶合金局部结晶来引入分布式间隙。在第二种情况下，各铁磁结晶相分离，并且被非磁性基体包围。可以通过对非晶金属合金进行热处理来实现这种局部结晶方法。具体地说，根据这种方法，提供结晶程度和导磁率值之间的单值的相关性。为了获得在100到400范围内的导磁率，需要按体积计算的大约10％至25％的结晶程度。根据非晶金属合金的结晶温度和/或化学成分来选择退火时间和温度条件的适当组合。随着结晶程度的提高，铁心的导磁率降低。导磁率的降低导致铁心经受直流偏置磁场能力的提高和铁心损耗的增加。
通过切割铁心和插入非磁性垫片来引入分立间隙。间隙的大小决定于垫片的厚度。通常通过增加分立间隙的尺寸来降低有效的导磁率和提高铁心经受直流偏置磁场的能力。但是，对于100奥斯特或更高的直流偏置激励磁场，需要大约5-10毫米的间隙。这些大的间隙由于增加了间隙中的漏磁通而把导磁率降低到非常低的水平(10-50)，并且增加了铁心的损耗。
对于动力设备和装置中的功率因子校正应用场合，需要具有低导磁率、低铁心损耗、高饱和磁化的小尺寸电扼流圈，这种电扼流圈能够经受高的直流偏置磁场。
本发明提供一种电扼流圈，它具有通过将扼流圈退火而产生的分布式间隙和通过切割铁心而产生的分立间隙的组合。已经发现，使用分布式间隙和分立间隙的组合产生单独使用分布式间隙或分立间隙不易获得的独特的性能组合。令人惊奇的是，分别获得导磁率在80至120范围内、在50奥斯特或100奥斯特下保留95％或85％导磁率的磁心。在1000奥斯特激励和100KHz下，铁心损耗保持在100至150W/kg范围内。
当参考以下对本发明实施例的详细描述和附图时，将更全面地了解本发明并且明白本发明的其它优点，附图中：
图1是表示退火后的铁基磁心的作为直流偏置激励磁场的函数的起始导磁率的百分比的曲线图；
图2是表示铁基非晶金属合金铁心的作为直流偏置激励磁场的函数的起始导磁率的百分比的曲线图，所述铁心已被切割并且具有4.5毫米厚度的插入其中的分立垫片；
图3是表示具有1.25毫米分立间隙和分布间隙的铁基铁心的作为直流偏置激励磁场的函数的起始导磁率的百分比的曲线图；以及
图4是表示对于组合的分立和分布式间隙的有效导磁率的作为分立间隙尺寸的函数的曲线图，后者是一些用实验方法导出的轮廓线，不同的轮廓线表示对于分布式间隙的导磁率值。
电扼流圈性能中的重要参数是：铁心被直流磁场激励时保留的起始导磁率的百分比；在没有外偏置磁场的条件下起始导磁率的值；以及铁心损耗。通常，降低起始导磁率导致铁心经受加大的直流偏置磁场能力的提高和铁心损耗的增加。
可以通过退火或通过切割铁心和引入非磁性垫片来实现非晶金属铁心导磁率的降低。在这两种情况下，提高经受高直流偏置磁场的能力换来的都是高的铁心损耗。
本发明提供一种电扼流圈，它具有通过退火利用由粘结剂粘结在一起的铁磁粉末产生的分布式间隙和通过切割铁心而产生的分立间隙的组合。使用分布式间隙和分立间隙的组合在不显著增加铁心损耗和不大量降低起始导磁率的情况下提高铁心经受直流偏置磁场的能力。扼流圈的这些独特的性能是单独使用分立间隙或分布式间隙不易获得的。
图1中示出退火后的铁基磁心的起始导磁率的百分比随直流偏置激励磁场而变化的情况。利用适当的退火温度和时间组合对包括Fe-B-Si非晶金属合金的磁心进行退火。只要知道其结晶温度和/或化学成分，就可以为Fe-B-Si基非晶合金选择这样的退火时间和温度。对于图1中的磁心，非晶金属合金的成分是Fe80B11Si9，而退火温度是Tx＝507℃。利用微分扫描量热法(DSC)测量这种结晶温度。所述退火温度和时间分别是480℃和1小时，并且，退火是在惰性气体保护气氛中进行的。通过X射线衍射测定，非晶合金结晶到50％的程度。由于磁心的局部结晶的缘故，其导磁率降低到47。通过选择适当的温度和时间组合，容易获得40至300范围和更高的导磁率值。表1概括了退火温度和时间组合以及最后得到的导磁率值。导磁率是利用电感电桥，在10KHz频率、8周衰减波(8-turn jig)和100毫伏/交流(mVac)激励下测量的。
如图1中所示，在50奥斯特下保留起始导磁率的80％，而在100奥斯特下保留起始导磁率的30％。在1000奥斯特和100KHz下测定的磁心损耗是650W/kg。
                           表1退火条件           导磁率           直流偏置10KHz           磁心损耗(W/kg)
               在10KHz下     50奥斯特    80奥斯特       100KHz，0.035T下450℃/4小时           191          14           8450℃/4小时           213          11           7450℃/7小时           121          20           12450℃/8小时           212          13           7450℃/8小时           218          11           7450℃/10小时          207          12           7                19450℃/10小时          212          15           8                12450℃/6小时           203          18           10               14460℃/4小时           124          24           15460℃/4小时           48           74           41470℃/15分            500          6            1                2.5470℃/30分            145          17           8                13470℃/1小时           189          15           6                10470℃/1小时           132          23           11               14470℃/2小时           45           78           41470℃/2小时           47           76           40               53470℃/3.5小时         45           75           37480℃/15分            43           75           35               65480℃/15分            44           40           32               56480℃/1小时           46           77           37480℃/1小时           47           81           38               47490℃/15分            46           76           37490℃/15分            46           80           38490℃/30分            46           82           39490℃/30分            46           78           36合金Fe80B11Si9 Tx＝508℃
图2描绘铁基非晶磁心的作为直流偏置激励磁场的函数的起始导磁率的百分比，磁心已用摩擦锯切割过并且已经在其中插入厚度为4.5毫米的分立垫片。铁基磁心的起始导磁率是3000，而加了间隙的磁心的有效导磁率是87。磁心在100奥斯特下保留起始导磁率的90％。但是，在1000奥斯特和100KHz下磁心损耗是250W/kg。
图3描绘具有1.25毫米的分立间隙和分布式间隙的组合的铁基磁心的作为直流偏置激励磁场的函数的起始导磁率的百分比。可以利用适当的退火温度和时间组合使非晶铁基合金局部结晶，只要知道其结晶温度和/或化学成分。图3中所示的实施例具有主要包括Fe80B11Si9的成分和结晶温度Tx＝507℃。退火温度和时间分别是430℃和6.5小时，并且退火是在惰性气体的保护气氛中进行的。这种退火温度把导磁率降低到300。接着，磁心用环氧树脂和丙酮溶液浸渍，用摩擦锯切割以便产生分立间隙并且备有插入所述间隙中的1.25毫米的塑料垫片。为了在切割过程中和切割之后保持磁心的机械稳定性和整体性，需要对磁心进行所述浸渍。把磁心的最后的有效导磁率降低到100。在100奥斯特直流偏置磁场激励下保持起始导磁率的至少70％。在1000奥斯特和100KHz下磁心损耗是100W/kg。
图1，2和3说明，为了提高铁基非晶磁心的直流偏置性能、把起始导磁率保持在高值而把磁心损耗保持在低值，最好把分立间隙和分布式间隙结合起来。
用来计算加了间隙的扼流圈的有效导磁率的传统公式不适用于具有分立间隙和分布式间隙的组合的磁心。图4是描绘具有组合的分立和分布式间隙的磁心的、作为分立间隙尺寸的函数的有效导磁率的用实验方法导出的轮廓线。不同的轮廓线表示分布式间隙(退火后的)导磁率的各种不同的值。
表2显示退火后的导磁率和分立间隙尺寸的各种组合。列出对应的有效导磁率，100奥斯特下的百分比导磁率和磁心损耗，以及切割方法和垫片材料类型。
测定了塑料和陶瓷两种不同类型的垫片材料。未观察到最后得到的性能方面的差别。通常，所述磁心被设置在塑料盒中。由于塑料垫片可以用于间隙，所以，可以把垫片直接模塑在塑料盒中。
评估了包括摩擦锯、线放电加工(线放电加工)和水射流的若干种切割方法。所有这些方法都是成功的。但是，在切割表面光洁度方面有差别，其中，线放电加工最好，而水射流最差。由表2的结果可以得出以下结论：在其它条件相同的情况下，用线放电加工法生产的磁心呈现最小的损耗，而用水射流方法生产的磁心呈现最大的损耗。研磨方法产生具有令人满意的表面光洁度和磁心损耗。由以上结果可以得出以下结论：切割表面的光洁度对于实现低磁心损耗是重要的。
以上已经相当详细地描述了本发明，但是，显然，不必严格地遵守这样的细节，对于本专业的技术人员来说，可以有进一步的变化和修改，所有这些都落在由所附的权利要求书所限定的本发明的范围之内。
表2退火后的  垫片(mm)  有效导磁率   百分比导磁率   百分比导磁率  磁心损耗  切割方法  垫片类型导磁率                            50奥斯特下     100奥斯特下  (W/kg)300      1.25        107.2          93.4            74.4        87     摩擦锯    塑料300      1.25        103.4          91.6            74.6        91     摩擦锯    塑料300      1.25        101.5          93.1            74.6        86     摩擦锯    塑料300      1.25        97.3           93.6            77.6        100    摩擦锯    塑料300      1.25        97             94              78          34*    摩擦锯    塑料300      1.5         96             94              79          34*    摩擦锯    塑料300      2           87             94              82          40*    摩擦锯    塑料300      2.5         81             94              84          45*    摩擦锯    塑料300      3           75             95              86          51*    摩擦锯    塑料300      4.5         65             97              91          63*    摩擦锯    塑料300      8.25        53             98              93          68*    摩擦锯    塑料300      12.75       43             99              96          79*    摩擦锯    塑料300      1.25        105.2          92              72.4        86     摩擦锯    塑料1000     3.75        88.3           97.1            88.3        115    摩擦锯    塑料1000     3.75        85.3           97.2            89.4        109    摩擦锯    塑料250      0.5         129.3          82.3            50.4        105    摩擦锯    塑料250      0.75        111.8          84.4            58.7        170    摩擦锯    塑料250      1.5         91.8           92.5            73.4        212    摩擦锯    塑料450      0.5         117.6          89.9            18.3        108    摩擦锯    塑料450      0.75        158.9          91.9            33.3        101    摩擦锯    塑料450      1.5         118.8          95.9            77          110    摩擦锯    塑料450      2.25        100            95.7            86.4        96     摩擦锯    塑料350      1.5         104            95              78          110    摩擦锯    塑料350      1.5         105            94              77          117    摩擦锯    塑料350      1.5         103            95              79          114    摩擦锯    塑料350      1.5         104            95              79          115    摩擦锯    塑料350      1.5         99             95              79          112    摩擦锯    塑料450      2.25        94             97              87          98     摩擦锯    塑料450    2.25    95     95    81    111    摩擦锯    塑料450    2.25    94     96    83    105    摩擦锯    塑料450    2.25    96     95    82    120    摩擦锯    塑料580    3       89     97    85    106    摩擦锯    塑料580    3       89     97    90    103    摩擦锯    塑料580    3       92     98    90    110    摩擦锯    塑料580    3       89     97    88    104    摩擦锯    塑料250    0.75    110    85    58    89   线放电加工  塑料250    0.75    91     93    74    101**  水射流    塑料250    0.75    118    82    57    89***  摩擦锯    陶瓷250    0.75    124    82    54    99***  摩擦锯    塑料250    0.75    117    84    57    89***  摩擦锯    陶瓷250    0.75    115    85    58    90***  摩擦锯    塑料
除了
*激励磁场500奥斯特
**激励磁场850奥斯特
***激励磁场900奥斯特
之外，磁心损耗是在1000奥斯特和100KHz下测量的。

Claims (14)

1.一种具有包括铁磁非晶金属合金的磁心的电扼流圈，所述磁心是局部结晶的并且具有分布式间隙和分立间隙。
2.权利要求1的电扼流圈，其特征在于：所述分布式间隙是通过使所述合金局部结晶产生的。
3.权利要求2的电扼流圈，其特征在于具有在100至800范围内的退火后的导磁率。
4.权利要求1的电扼流圈，其特征在于：通过对所述局部结晶的磁心进行浸渍和切割以便在其中形成开口来形成所述分立间隙，并且把非磁性垫片插入所述开口中，所述间隙具有由所述垫片的厚度确定的间隙尺寸。
5.权利要求4的电扼流圈，其特征在于：所述局部结晶后的导磁率(退火后的导磁率)在大约200至1000的范围内，间隙宽度尺寸在大约0.75mm至12.75mm的范围内，以及有效导磁率在大约40至200的范围内。
6.权利要求5的电扼流圈，其特征在于：有效导磁率在大约40至大约200的范围内，在100KHz和1000奥斯特激励磁场条件下磁心损耗在80至200W/kg的范围内，并且，在100奥斯特直流偏置磁场下，直流偏置(DC bias)在大约50％至95％范围内。
7.权利要求6的电扼流圈，其特征在于：所述磁心具有其宽度在大约0.75mm至12.75mm范围内的分立间隙以及在40和200之间的有效导磁率。
8.权利要求6的电扼流圈，其特征在于：所述磁心的所述有效导磁率是100，并且是通过把铁基非晶金属合金退火到300导磁率并且接着切割所述磁心和插入1.25mm厚度垫片而产生的。
9.权利要求8的电扼流圈，其特征在于：在100奥斯特的直流偏置激励的条件下，所述磁心保持所述有效导磁率的至少75％。
10.权利要求8的电扼流圈，其特征在于：在1000奥斯特激励和100KHz下，所述磁心的磁心损耗在80至100W/kg的范围内。
11.权利要求1的电扼流圈，其特征在于：所述非磁性垫片包括陶瓷或塑料并且直接模制在包含所述磁心的塑料盒中。
12.权利要求1的电扼流圈，其特征在于：所述分立间隙是利用摩擦锯、线放电加工或水射流切割所述磁心而产生的。
13.权利要求1的电扼流圈，其特征在于：所述磁心涂有用于电绝缘和维护磁心整体性的薄的高温树脂。
14.权利要求1的电扼流圈，其特征在于：所述扼流圈用于功率因子校正应用场合。
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