CN1300437A - 具有增强的操作电感的非晶体合金 - Google Patents

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Abstract

对大型磁性非晶体金属合金铁芯进行退火处理,用来降低励磁功率而不是铁芯损耗。在按照60Hz和1.40到1.45特斯拉的操作电感测量时,铁芯的励磁功率小于1VA/kg,测量是在环境温度下执行的。这种铁芯在运行中的操作电感比为了降低铁芯损耗而退火的铁芯要高。可以明显地缩小包括铁芯在内的变压器磁性部件的结构尺寸。

Description

具有增强的操作电感的非晶体合金
相关申请
本申请是1997年2月5日提交的名称为“Amorphous Alloy WithIncreased Operating Induction”的美国专利申请08/796011号的后续申请。
发明背景
1．发明领域
本发明涉及到具有增强的操作电感的非晶体金属变压器铁芯；特别涉及到能够显著提高大型变压器铁芯的操作电感的一种磁场退火工艺。
2．先有技术描述
非晶体金属变压器铁芯合金的软磁特性是在磁场中通过适当温度和时间的退火而形成的。退火的目的之一是要减少与非晶体合金制造工艺有关的快速冷却所产生的残余应力的有害影响。另一个目的是在采用退火处理的物体内部确定“易磁化轴”；也就是确定一个能够确保退火物体具有低铁芯损耗和励磁功率的最佳磁性定向。以往的磁场退火处理是为了减少退火物体的铁芯损耗，例如美国专利US4116728中所述。除了磁场退火之外，在拉伸应力下对非晶体合金进行退火也可以达到改善软磁特性的效果，参见美国专利US4053331和4053332。拉伸应力退火的样品结构是一成不变的平板条。在制造大型非晶体合金变压器铁芯时采用应力退火是不现实的。
变压器铁芯最主要的两个磁特性是铁芯材料的铁芯损耗和励磁功率。当退火金属玻璃的磁性铁芯受到激励时(也就是通过磁场作用被磁化)，铁芯会消耗一定量的输入能量，并且这种损失会不可避免地变成热量。这种能量消耗主要是非晶体金属合金内部的所有磁畴在磁场方向上的排列所需要的能量造成的。这种损失的能量被称为铁芯损耗，可以用这种材料在一个完整磁化循环期间产生的B-H环所包围的面积来表示它的定量。铁芯损耗的常用计量单位是W/kg，它实际代表了一千克材料在给定的频率、铁芯电感等级和温度条件下每一秒钟所消耗的能量。
铁芯损耗与非晶体金属合金的退火过程有关。简而言之，铁芯损耗取决于合金本身是欠退火，理想退火，还是过退火。欠退火的合金存在残余的淬火应力，在磁化过程中需要额外的能量，并且在磁化循环过程中会增加铁芯损耗和励磁功率。过退火的合金会显出最大的原子“包”并且/或者会包含晶相，其结果会失去延展性和/或较低的磁特性，为了移动磁畴而增大的阻力会造成铁芯损耗增加。理想退火的合金在延展性和磁特性之间具有一种良好的平衡。
在铁芯重量为40到400千克的大型变压器铁芯中难以达到理想的退火状态。铁芯的热质量过大将在退火过程中妨碍均匀加热。具体地说，大型铁芯的外层容易出现过退火，而铁芯的内部容易产生欠退火。在这样的条件下，变压器制造厂商普遍是按照使铁芯损耗最小来对铁芯进行退火的；但是铁芯的操作电感不能达到最大。按照这种工艺获得的典型的铁芯损耗值小于0.37W/kg(60Hz和1.4T)，操作电感的范围是1.26到1.4特斯拉。
励磁功率是为了在金属玻璃中获得给定的电感等级(B)而产生足够强度的磁场所需要的电能。励磁功率与需要的磁场(H)成正比，因而也就与原线圈中的电流成正比。一种铸态富铁非晶体金属合金具有一个稍有剪切的B-H环。在退火期间，铸态各向异性和铸造应力被减轻了，B-H环与铸态环形状相比变得更方和更窄，直至达到理想退火。达到过退火时，B-H环趋向展宽，这是应变公差减少的结果，并且取决于现存晶相的过退火程度。因此，随着对给定合金的退火过程从欠退火进展到理想退火再到过退火，对于给定磁化强度等级的励磁功率值最初会减小，然后达到一个理想(最低)值，此后又会增大。然而，在非晶体金属合金中产生励磁功率理想(最低)值的退火条件和形成最小铁芯损耗的条件并不是一致的。其结果是，退火到最小铁芯损耗的非晶体金属合金不能获得理想励磁功率。
应该指出的是，理想退火条件对于不同成分和所需各种性质的非晶体合金是不同的。因此，“理想”退火通常被认为是在针对给定用途所需的特性组合之间能够达到最佳平衡的退火过程。对于大型变压器铁芯的制造来说，制造商需要确定对所采用的合金进行“理想”退火的具体时间和温度。
发明概述
本发明提供了一种在由磁性非晶体合金构成的大型变压器中获得最大操作电感的方法。概括地说，就是对磁性非晶体合金进行退火，用来增大操作电感而不是减小铁芯损耗。本发明的方法可以减小励磁功率，明显地减少提高操作电感所带来的“热损失”的可能性。利用提高的操作电感又能够明显地减小变压器铁芯尺寸及其成本。
令人惊异的是，如果用一个比减少铁芯损耗所需的时间更长的浸透时间(soak time)对铁芯退火，铁芯的操作电感最大。概括地说，这一退火过程包括以下步骤(a)在施加磁场的条件下将铁芯加热到一个峰值温度；(b)在磁场中将铁芯保持在峰值温度下一段比减小功率损耗所需时间至少长50％的浸透时间；以及(c)按照从0.1到10℃/分钟的冷却速度将铁芯冷却到比峰值温度低大约100℃的温度。
本发明还提供了一种大型磁性非晶体金属合金铁芯，在按照60Hz和1.40到1.45特斯拉范围的操作电感测量时，铁芯的励磁功率小于1VA/kg。本发明进一步提供了一种铁磁非晶体金属合金铁芯，其功率损失小于约0.25w/kg。
附图简述
参照以下的说明和附图就可以充分地理解本发明及其优点，在附图中：
图1a表示铁芯损耗的温度函数曲线，该曲线表示在磁场中用各种温度执行2小时等时线退火时的直条实验室取样与铁芯损耗的关系；
图1b是励磁功率的温度函数曲线，该曲线表示在磁场中用各种温度执行2小时等时线退火时的直条实验室取样与励磁功率的关系；
图2a表示一种铁芯损耗的温度函数曲线，该曲线表示在磁场中用各种温度执行2小时等时线退火时的实际变压器铁芯与铁芯损耗的关系；
图2b是励磁功率的温度函数曲线，该曲线表示在磁场中用各种温度执行2小时等时线退火时的实际变压器铁芯与励磁功率的关系；
图3是励磁功率的电感函数曲线，该曲线表示直条取样在三种不同条件下退火时的励磁功率与电感等级的关系；
图4是励磁功率的测试温度函数曲线，该曲线表示按照三种不同条件退火之后的直条取样的测试温度与励磁功率的关系；
图5是励磁功率的浸透时间函数曲线，该曲线表示励磁功率与变压器铁芯浸透时间的关系；
图6是励磁功率的电感函数曲线，该曲线表示实际变压器铁芯在磁场中用不同的浸透时间退火时的励磁功率与电感等级的关系。
发明详述
本文中采用的术语“非晶体金属合金”是指这样一种金属合金，它基本上没有任何长范围次序(order)并且具有X-射线衍射强度最大的特性，其性质与液体或无机氧化物玻璃中观察到的情况相似。
本文中采用的术语“条”是指一种微薄的物体，其横断面尺寸比它的长度小得多。这种条包括具有规则或不规则截面的导线，带状物和薄片。
在说明书和权利要求书中通篇使用的术语“退火”是指在磁场环境下加热一种材料，例如是为了传递热能，从而获得有用的特性。为了获得这些特性可以采用各种退火技术。
本文中采用的术语“直条”是指用来测量磁特性的一种取样的结构。受测试的取样可以纯粹是一个直条，在这种情况下，其长度远远大于磁场/电感线圈的长度。或者是，如果受测试的材料是一个简单的变压器铁芯中的第四个支腿，还可以采用一种更加理想的取样长度。无论在怎样的情况下，受测试的材料都是一个直条。
本文中采用的术语“大磁性铁芯”是指一种能够在电气设备和装置中使用的重量范围从40到400kg的磁性部件。磁性铁芯通常是用磁性条或是粉末构成的。
本文中采用的术语“峰值温度”是指变压器铁芯的任一部位在退火循环中所达到的最高温度。
本文中采用的术语“浸透时间”是指铁芯实际上处在退火温度的时间段，这其中不包括铁芯加热和冷却时间。
本文中采用的术语“饱和电感”和“操作电感”是指与变压器铁芯材料及其操作有关的两种磁电感等级。饱和电感是材料中的可获得电感的最大值。操作电感是变压器铁芯的操作时的磁电感量值。非晶体金属合金的饱和电感是由合金的化学性质和温度所确定的。饱和电感随着温度的增加而下降。
磁性材料的操作电感是由饱和电感来确定的。为变压器设计的操作磁感等级小于其饱和电感。这一设计需要的主要原因是磁性铁芯材料的导磁率(μ)。导磁率被定义为磁感(B)与驱动这种材料产生磁感所需的磁场(H)之比；也就是μ=B/H。导磁率随着磁感的增大而下降到接近饱和电感的水平。如果变压器铁芯工作的磁感过于接近铁芯材料的饱和电感，就需要有一个不成比例的大磁场才能获得额外的磁感。在变压器中，磁场是由通过原线圈的电流来产生的。因此，大大增加所需的磁场就需要大大增加通过原线圈的电流。
出于多方面的原因，大大增加变压器原边电流是不希望的。通过单个变压器的大电流变化会使通过相邻电力网的供电质量出现恶化。原边电流的增加还会造成原线圈内部发热的焦耳(I2R)增大。这种电能损失转化成热量，使变压器的效率降低。另外，过大的电流会使原线圈过热，从而导致线圈内部使用的电绝缘出现本质上的劣化和故障。电绝缘故障会直接导致变压器的故障。原线圈发热还会使变压器的磁性铁芯发热。
造成变压器磁性铁芯发热的上述结果会导致一种被称为“热散失”的状态。随着磁性铁芯温度的增加，磁性材料的饱和电感会下降。对于按照固定的操作电感工作的变压器来说，发热引起的饱和电感下降所产生的效果和额外增大操作电感的效果是一样的。额外的电流要通过原线圈，产生额外的焦耳热。变压器磁性铁芯的温度进一步增加，更加剧饱和。变压器温度与“热散失”有关的这种无法控制的增加是变压器铁芯在磁场中发生故障的另一个常见原因。
为了避免出现这些有害状态，变压器往往是这样设计的，即：使铁芯在标准状态下的操作电感不要大于铁芯材料的饱和电感的约80到90％。
本发明为由非晶体金属合金构成的大型磁性铁芯提供了一种退火方法，能够增加操作电感并降低励磁功率，同时又不会导致热散失。在操作中应该尽量提高大型磁性铁芯的电感等级，这样就能缩小铁芯的截面。也就是说，变压器铁芯的工作是根据磁通线的数量而不是磁通密度(电感)决定的。如果增加操作磁通密度，就能够使用比较小的磁性铁芯截面，同样维持给定的磁通。由此获得的明显优势是能够为给定额定值的变压器制造出尺寸更小的磁性铁芯。
如上所述，对变压器制造业中目前使用的非晶体金属合金的最佳退火温度和时间应该是，温度范围应该比合金的结晶温度低140℃-100℃，最小铁芯损耗的时间周期范围是1.5-2.5小时。
图1a表示METLAS合金2605SA-1的直条取样在经过2小时退火之后的磁性铁芯损耗与退火温度的关系曲线。在低温处，由于退火不足，铁芯损耗高，导致易磁化轴的不确定。与此相反，在高温处，由于非晶体金属合金开始结晶，铁芯损耗高。直条取样的最低铁芯损耗出现在大约360℃处。图1b表示METLAS合金2605SA-1的直条取样在经过2小时退火之后的励磁功率与退火温度的关系曲线。在这种情况下，退火2小时后的最佳(最小)励磁功率出现在大约375℃处。最佳温度的这一差别是非常明显的，因为现有的技术和专利文献都仅仅说明了将非晶体技术合金退火到最佳铁芯损耗的情况，而变压器铁芯的故障原因是高励磁功率。
图2a和2b的数据与图1a和1b相似，只不过是适合电力变压器的磁性铁芯。对于这种磁性铁芯也可以获得直条取样在高温退火时的明显优点。这就证明了本发明的通用性。
在图3中用另一种方式说明了本发明的作用。图3表示直条取样按照图中指示的温度和时间退火后的励磁功率与电感等级的关系曲线。高温退火具有明显的优点。例如，如果选定一个给定的励磁功率，经过高温退火的取样的操作电感比较高。图3的数据表明可以使操作电感提高5％。
图4可以说明本发明进一步的优点，它表示了直条取样的励磁功率与取样测试温度的关系曲线。从图4中可以看出，取样温度越高，本发明所获得的优点就越大。这一点很重要，因为变压器的操作温度比环境温度要高，并且在进入过负荷状态时有可能达到更高的温度。因此，本发明的技术具有特别有效的意义。
退火是一种时间/温度过程。图5表示在磁性铁芯退火过程中的励磁功率与“浸透时间”的关系曲线。从图中可见，励磁功率随着浸透时间的增加而下降。这一点说明，只要选择使用退火循环浸透时间或温度，就可以实际应用本发明的方法。图3和图6表示用不同的浸透时间退火之后的铁芯的磁性铁芯励磁功率和电感的关系。
例1
用化学成分为Fe80B11Si9的6.7”宽的METGLAS合金SA-1制成用于商用配电变压器的十六个单相绕组磁性铁芯。每个铁芯的重量大约是75kg。将这十六个铁芯分成四组，按照不同的浸透时间用355℃对每一组进行退火。达到最小铁芯损耗的基线退火浸透时间大约是20分钟。其他三组分别按照30,40和60分钟的浸透时间进行退火，分别将浸透时间增加50％,100％和150％。在图5和6中表示了所有这些铁芯所获得的结果。每一次增加浸透时间，励磁功率都有明显的下降。另外还发现延长浸透时间可以降低励磁功率。
例2
用化学成分为Fe80B11Si9的6.7”宽的METGLAS合金SA-1制成用于商用配电变压器的三个单相绕组磁性铁芯。每个铁芯的重量大约是118kg，并且在加热和冷却期间注意尽量减少热梯度效应。按照20分钟的浸透时间对这些铁芯进行退火，采用的峰值温度是大约370℃而不是通常采用的355℃。测量这些经过高温退火的铁芯所获得的励磁功率和铁芯损耗，分别与图2a和2b中按照惯用方法退火的铁芯进行比较。从中可以看出，如果增加在铁芯退火过程中使用的峰值温度，励磁功率就会明显地下降，而铁芯损耗仅是稍有增加。例2中通过提高退火的峰值温度所达到的结果与例1中通过延长退火的浸透时间而产生的效果相似。
例3
用化学成分为Fe80B11Si9的6.7”宽的METGLAS合金SA-1制成直条实验室取样。在磁场环境中按照各种的温度对直线取样执行2小时等时线退火。测量这些直条实验室取样所获得的励磁功率和铁芯损耗，用图1a和1b的温度函数来表示。从中可以看出，如果退火的峰值温度至少增加5℃，励磁功率就会明显地下降。
例4
用化学成分为Fe80B11Si9的6.7”宽的METGLAS合金SA-1制成直条实验室取样。在磁场环境中按照各种的温度对直条取样执行2小时等时线退火。图4表示经过退火之后在指示温度测量的励磁功率。其结果表明，在高于室温的更高的变压器铁芯操作温度下，励磁功率还会进一步下降。
上文已经充分地说明了本发明的细节，需要指出的是，这些细节并不是对本发明的限制，本领域的技术人员还可以对此提出各种各样的修改和变更，这些修改和变更都属于权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (15)

1．一种非晶体金属合金铁芯，在按照60Hz和1.40到约1.45特斯拉的操作电感测量时，铁芯的励磁功率小于1VA/kg，上述测量是在环境温度下执行的。
2．按照权利要求1的磁性铁芯，其特征在于其铁芯损耗小于约0.25W/kg。
3．按照权利要求2的磁性铁芯，其特征在于使用比尽可能减少上述铁芯损耗所需的时间至少长50％的浸透时间对上述铁芯进行退火。
4．按照权利要求2的磁性铁芯，其特征在于使用比尽可能减少上述铁芯损耗所需的时间至少长100％的浸透时间对上述铁芯进行退火。
5．按照权利要求2的磁性铁芯，其特征在于使用比尽可能减少上述铁芯损耗所需的时间至少长150％的浸透时间对上述铁芯进行退火。
6．按照权利要求2的磁性铁芯，其特征在于使用比尽可能减少上述铁芯损耗所需的温度至少高5℃的峰值温度对上述铁芯进行退火。
7．按照权利要求2的磁性铁芯，其特征在于使用比尽可能减少上述铁芯损耗所需的温度至少高15℃的峰值温度对上述铁芯进行退火。
8．一种制造磁性非晶体金属合金铁芯的方法，其改进在于将上述铁芯退火以使其励磁功率达到最小。
9．一种对磁性非晶体金属合金铁芯进行退火的方法，包括以下步骤：
a．在存在磁场的条件下将上述铁芯加热到峰值温度；
b．在存在上述磁场的条件下将上述铁芯保持在上述峰值温度持续一段比尽量减少其铁芯损耗所需时间至少长50％的浸透时间；以及
c．按照从约0.1到10℃/分钟范围的冷却速度将上述铁芯冷却到比上述峰值温度低大约100℃的温度。
10．按照权利要求9的对磁性非晶体金属合金铁芯进行退火的方法，其特征是上述保持步骤的浸透时间比尽量减少其铁芯损耗所需的时间至少长100％。
11．按照权利要求9的磁性非晶体金属合金铁芯的退火方法，其特征是上述保持步骤的浸透时间比尽量减少其铁芯损耗所需的时间至少长150％。
12．一种对磁性非晶体金属合金铁芯进行退火的方法，包括以下步骤：
a．在存在磁场的条件下将上述铁芯加热到比尽量减少其铁芯损耗所需的温度至少高5℃的峰值温度；
b．在存在上述磁场的条件下将上述铁芯保持在上述峰值温度持续一个浸透时间；以及
c．按照从约0.1到10℃/分钟范围的冷却速度将上述铁芯冷却到比上述峰值温度低大约100℃的温度。
13．按照权利要求12的对磁性非晶体金属合金铁芯进行退火的方法，其特征是上述峰值温度比尽量减少上述铁芯损耗所需的温度至少高15℃。
14．按照权利要求1的磁性非晶体金属合金铁芯，其特征在于上述铁芯的基本构成成分是大约11原子百分数的硼和约9原子百分数的硅，其余是铁和附带的杂质。
15．一种磁性非晶体金属合金铁芯，在按照60Hz和大于1.40到约1.45特斯拉的操作电感测量时，铁芯的励磁功率小于1VA/kg，上述测量是在环境温度下执行的。
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