CN1688003A

CN1688003A - 抗直流分量电流互感器磁芯及其制造方法和用途

Info

Publication number: CN1688003A
Application number: CNA2005100774183A
Authority: CN
Inventors: 刘宗滨; 于均; 周谦莉; 戴晓毅
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute; Advanced Technology and Materials Co Ltd
Current assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: CN1316521C

Abstract

本发明涉及一种抗直流分量电流互感器磁芯及其制造方法和用途，该磁芯由高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B复合而成，磁芯A为铁基纳米晶合金、坡莫合金中的一种，磁芯B为铁基非晶合金，所述的磁芯A为铁基纳米晶时，其合金成分为：(重量百分比)：Si 7～9％，B 1.3～2％，Cu 0.8～1.5％，M4～7％，M′0.001～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，M为Mo和/或Nb，M′为改进加工性能的元素Al和/或Ti；退火步骤为：将卷绕好磁芯A在530～560℃进行应力退火，将磁芯B在400～500℃进行表面晶化退火。该复合磁芯综合了高导磁合金和抗饱和合金的优点，既具有高饱和磁感应强度Bs，又同时兼有高磁导率、低铁损，具有比现有技术更好的综合磁特性，使互感器工作在有直流分量的情况下仍具有小的比差和角差。

Description

抗直流分量电流互感器磁芯及其制造方法和用途

技术领域

本发明涉及一种电流互感器磁芯及其制造方法和用途，尤其是一种应用于电子式电表、具有优良的抗直流分量能力的高导磁合金与铁基非晶合金复合而成的双磁芯及其制造方法和用途。

背景技术

电流互感器是电力生产和家用电表用电能计量、保护的关键设备。在电力生产过程中，发电、变电能够环节使用大量的电流互感器进行高压大电流电能的测量和安全保护。对于家用电能计量，从前一直采用转盘感应式电表，而近年来随着电能计量智能化尤其是远程抄表和分段计费系统的实施，已经开始普及电子式电表，电流互感器更是必不可少的。电流互感器的基本原理如图1所示。电流互感器的工作原理与普通变压器类似：在高磁导率的铁芯3上绕制两组线圈，其中次级线圈1的匝数远远大于初级线圈2，这样，根据变压器原理，初级线圈中的大电流就转换成了次级线圈中的小电流，可以用电流表4直接测量。在实际使用中，互感器的初级线圈往往采用电网母线穿心方式(只有一匝)。

但是，电流互感器与普通变压器的一个重要区别是它有很高的测量精度要求。由于实际的变压器总是非理想的，总存在一些损耗和漏磁，因此造成了互感器的测量误差。互感器在测量电流时的误差有比差和角差(相位差)两种。所谓比差指互感器初级线圈和次级线圈的电流比相对于理想变压器电流比的偏差，主要由互感器的漏磁通引起。为了减小漏磁通，应使用磁导率高的铁芯材料。为了保证在不同电流负荷下比差一致，还要求铁芯磁导率具有良好的线性度。所谓角差指次级线圈与初级线圈电流的相位差，来源于互感器铁芯在磁化过程中产生的损耗。因此，为了降低角差应使用铁损低的铁芯材料。由此可见，互感器铁芯的磁性能是影响互感器精度的主要因素之一。为了达到较高的精度，要求互感器铁芯材料具有低铁损、高而且线性度较好的磁导率。

近年来，随着电力电子设备的增多，尤其是大量整流、变频和开关电源设备的应用，线路中的电磁污染日益严重，尤其是整流设备使电网中的直流分量逐渐增大。在既有正常的50Hz交流电流、又有直流分量的情况下工作时，互感器铁芯实际上受到了直流和交流的叠加磁化。为了使互感器在含有较大直流分量的情况下仍然能够正常工作，必须保证互感器铁芯在交直流叠加磁化时不饱和。为此，作为抗直流分量的电流互感器，铁芯材料应具有高的饱和磁感应强度，同时还应具有高的初始磁导率，以保证在较小或没有直流分量时的测量精度。

作为互感器的铁芯，其材料可有多种选择。硅钢片是广泛使用的软磁材料，其饱和磁感应强度最高，主要适用于各种低频变压器，由于铁损大、磁导率低，在互感器中会造成大的比差和角差，一般不采用。铁氧体是大量应用于高频的软磁材料，但由于它的饱和磁感应强度太低、温度特性太差，不能满足互感器使用环境的要求。也可以采用空心线圈制造互感器，但这种互感器对外磁场很敏感，必须采取屏蔽措施，增加了成本。

在现有技术中一般采用坡莫合金(铁和镍的合金)制造互感器铁芯。然而坡莫合金存在缺点，一是其磁导率线性度较差，需要在互感器后需线路中予以校正，二是价格较昂贵，三是饱和磁感应强度低，不能制造抗直流分量电流互感器。

近年来出现的铁基非晶和纳米晶合金具有良好的磁性能，而且成本低于坡莫合金，因此已经进行了在互感器铁芯中的应用开发。中国专利CN99124249.1以及美国专利US6507262分别介绍了一种铁基纳米晶合金的互感器铁芯及其制造方法。这种铁芯具有高的磁导率，并且磁导率线性度较好，温度特性优良。但因其较低的饱和磁感应强度且磁导率很高，在直流偏磁场下铁芯会很快饱和，只能应用于不含直流分量的普通电流互感器。

美国专利申请US20030151483公开了用铁基非晶合金制造的电流互感器铁芯。这种材料是目前非晶合金中饱和磁感应强度最高的，达1.5T以上。但其缺点是初始磁导率低、铁损大，所制造的互感器的比差和角差不能满足高精度要求(尤其在直流分量较小或没有直流分量时)。

中国专利97192424.4披露了一种钴基非晶合金及元器件的制造方法。这种钴基非晶合金具有1.0T左右的饱和磁感应强度，经过适当热处理可得到1000～2000的磁导率，应用于抗直流分量电流互感器铁芯。但是，钴基非晶合金的最大缺点是价格昂贵，阻碍了大规模应用。

综上所述，现有的软磁材料在单独使用在既有正常的50Hz交流电流、又有直流分量的情况下用于互感器铁芯时，都存在一定的缺陷。

此外，由于带材厚度对铁芯的铁损存在显著影响，为了降低铁损，必须设法抑制铁芯在磁化时的涡流，这就要求制造更薄的带材。目前均采用单辊快速凝固工艺在空气中制造非晶带材，产品的厚度一般在0.02～0.04mm之间。制造更薄的带材具有相当大的技术难度。其主要难点在于：制造带材时，空气不可避免地裹入带材与冷却介质之间的界面，结果在带材的贴辊面形成气泡。这种气泡一方面增大了带材的表面粗糙度，减小了卷绕铁芯时的有效截面积；另一方面气泡影响带材制造的稳定性和合格率，严重时气泡会贯穿整个带材横截面，出现孔洞；此外，表面粗糙非常不利于材料的磁化，增大了矫顽力，降低了磁导率。因此，减小带材制造时的气泡、降低带材表面粗糙度是稳定制造0.02mm以下带材的一个关键因素。现有技术已经进行了一些尝试，例如通过真空制带、在钢水周围形成还原性气氛等，但这些措施都无一例外地大幅度增加了设备和操作的复杂程度。因此，现有技术制造的铁基纳米晶合金作为电流互感器铁芯应用时的铁损进一步降低比较困难，影响了互感器精度的提高。

发明目的及发明内容

本发明的目的在于：提供一种新的由高导磁合金的磁芯和抗饱和合金的磁芯复合而成的双磁芯，它综合了高导磁合金和抗饱和合金的优点，既具有高饱和磁感应强度Bs，又同时兼有高磁导率、低铁损，具有比现有技术更好的综合磁特性，使互感器工作在有直流分量的情况下仍具有小的比差和角差，适用于高精度抗直流分量电流互感器。

本发明的另一目的在于：得到一种上述高精度抗直流分量电流互感器磁芯中纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法。

本发明的第三个目的在于：得到一种上述高精度抗直流分量电流互感器磁芯的制造方法。

为了实现上述目的，本发明提出了如下技术方案：

一种抗直流分量电流互感器磁芯，该磁芯由高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B复合而成，所述的高导磁磁芯A的饱和磁感应强度在0.6T以上，初始磁导率在60000以上；所述的抗饱和磁芯B的饱和磁感应强度在1.5T以上，磁导率在200～2000之间，磁导率线性段内的磁导率变化率小于10％，在800A/m的直流偏磁场下的电感量和无偏磁场时的电感量之比大于等于0.5。

高导磁磁芯A的材料为铁基纳米晶合金、坡莫合金中的一种，抗饱和磁芯B的材料为铁基非晶合金。

磁芯A为铁基纳米晶合金时，其饱和磁感应强度在1.1T以上，初始磁导率在80000以上；磁芯A为坡莫合金时，其饱和磁感应强度在0.6T以上，初始磁导率在100000以上。

磁芯B为铁基非晶合金时，其饱和磁感应强度在1.5T以上，磁导率在200～2000之间。

该复合磁芯磁导率线性段内的磁导率变化率小于10％，在800A/m的直流偏磁场下的电感量和无偏磁场时的电感量之比大于等于0.5。形状为圆形、椭圆形、矩形、正方形、梯形和三角形之一。

一种纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法，将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带芯子的磁芯在预定的温度下退火预定的时间。磁芯为铁基纳米晶合金时，采用的芯子为紫铜、黄铜、纯铁或钢中的一种或其组合，磁芯在500～600℃下退火30～60分钟。

一种抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其关键在于：该磁芯由高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B以轴线重合的方式复合而成。复合方式为至少下列之一：(1)磁芯A与磁芯B叠放，(2)磁芯A位于磁芯B的内部、(3)磁芯A位于磁芯B的外部。

该抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，包括如下步骤：母合金冶炼、制带、卷绕和退火，其特征在于：所述的磁芯A为铁基纳米晶时，

其合金成分为：(重量百分比)：Si 7～9％，B 1.3～2％，Cu 0.8～1.5％，M4～7％，M’0.001～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，M为Mo和/或Nb，M’为改进加工性能的元素Al和/或Ti；

所述的退火步骤为：将卷绕好磁芯A在530～560℃进行应力退火，将磁芯B在400～500℃进行表面晶化退火。

当所述的磁芯A为铁基纳米晶合金时，进行如下应力退火：将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯A，然后将带芯子的磁芯A在530～560℃退火20～30分钟。

该复合磁芯置于保护盒中，复合磁芯上、下端面与保护盒上、下内端面之间两个接触面的至少一个接触面有柔性减震层。保护盒由塑料、树脂、金属或胶木制成。所述的柔性减震层为：在所述接触面之间涂敷选自硅脂、绝缘胶、密封胶的柔性物质，或者衬垫选自海绵、橡胶、绝缘纸的柔性减振垫。磁芯A与磁芯B分别用绝缘物质包裹或复合磁芯用绝缘物质包裹后置于所述绝缘保护盒中。磁芯A与磁芯B分别用树脂、塑料等绝缘物质喷涂、注塑或浸渍，或复合磁芯用树脂、塑料等绝缘物质喷涂、注塑或浸渍。

采用该磁芯制造的抗直流分量电流互感器，其初级线圈电流从零到200A范围内，互感器的比差小于0.1％，角差小于0.6度。

本发明提出的技术解决方案包括了以下几个方面：①采用高导磁合金磁芯和抗饱和合金磁芯复合的双磁芯，②在复合磁芯的铁基纳米晶合金成分中，控制的加入改进加工性能的元素Al、Ti，③对于复合磁芯中的铁基纳米晶合金磁芯采用独特的应力退火方法进行热处理，下面分别介绍：

1.采用高导磁合金磁芯和抗饱和合金磁芯复合的双磁芯

现有技术中，高导磁合金如铁基纳米晶合金、坡莫合金Bs值高，初始磁导率高，例如，坡莫合金及铁基纳米晶合金FeCuNbSiB的Bs值一般在0.6～1.3T，初始磁导率达100000以上，可以制造普通的电流互感器磁芯。然而，如果互感器所检测的初级回路中不但包含普通的正弦波电流，而且含有一定的直流分量，那么互感器磁芯承受的是交流磁场和直流偏磁场的叠加磁化。由于铁镍合金(又称为坡莫合金)和铁基纳米晶合金的高磁导率和较低Bs，在直流偏磁场下磁芯会很快饱和，互感器次级线圈中的磁通量便不再随初级线圈而变化，互感器不能起到测量电流的作用。因此，坡莫合金及铁基纳米晶合金均不能单独应用于抗直流分量电流互感器。

另一类广泛应用的材料为抗饱和合金，包括铁基非晶合金、钴基非晶合金、硅钢，其中铁基非晶合金FeSiB的Bs值高达1.5T以上，是常用非晶合金中最高的，经过适当热处理可以得到数百至数千的磁导率，具有良好的抗直流分量电流的能力。但是其最大缺点是初始磁导率低、铁损大，所以这种材料单独制造的互感器的比差和角差不能满足高精度要求。

针对上述问题，本发明人发现，如果将高导磁合金与抗饱和合金组合在一起，形成复合磁芯，将高导磁合金的高初始磁导率与抗饱和铁基非晶合金的高Bs巧妙地结合起来，即可实现具有抗直流分量能力的高精度电流互感器磁芯。这样，在电网中没有直流分量电流时，高导磁合金的高磁导率发挥作用，使得互感器具有小的比差和角差。而在电网中具有直流分量电流时，高导磁合金虽然已经磁化饱和，但低磁导率的铁基非晶合金并未饱和，仍然可以准确测量电流。这样，就同时满足了高精度与抗直流分量两个要求。

为了进一步介绍本发明内容，提供由下列两种材料组合而成的复合磁芯：

高导磁合金A：它可以是坡莫合金或者铁基纳米晶合金FeCuSiBMM’

铁基非晶合金B：FeSiB

对于合金A，当采用坡莫合金时，具有下列成分(重量百分比)：

Fe_余量Ni_79～86M_0～8

其中，M为Mo、Nb、V、Cu的一种或几种。

现有技术中，坡莫合金已经具有成熟的工艺，一般首先将合金轧制到厚度小于0.3毫米，卷绕成磁芯，将磁芯在高纯氢气或者真空中进行1000-1200℃的退火处理。对于本发明，为了减小磁芯的铁损，进而减小互感器角差，需要采用厚度在0.2毫米以下、初始磁导率在100000以上的坡莫合金作为磁芯A。

对于合金A，当采用铁基纳米晶合金FeCuSiBMM时，其成分设计将结合其热处理工艺在下面进行介绍。

该磁芯由高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B以轴线重合的方式复合而成，轴线一般指几何轴线。

2.铁基纳米晶的合金成分中含有改进加工性能的元素Al和/或Ti

对于合金A，当采用铁基纳米晶合金时，它具有如下的化学成分(重量百分比)：Si 7～9％，B 1.3～2％，Cu 0.8～1.5％，M 4～7％，M’0.001～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，M为Mo和/或Nb，M’为改进加工性能的元素Al和/或Ti。

铁基纳米晶合金作为合金A时，制备过程如下：

母合金冶炼：将铁、硅、硼铁、电解铜、铌铁或纯铌、钼、铝、钛、铈等按照所要求的比例称量，装入真空感应炉，在真空或者惰性气体保护下冶炼母合金，形成钢水熔液。

制带：将钢水熔液导入底部带有狭长喷嘴的钢水包中，钢水喷射到快速运动的冷却介质上，形成厚度约0.015-0.022毫米的连续非晶薄带。

退火：将非晶薄带卷绕成所需尺寸的磁芯，放入退火炉中，在保护气氛中进行500～600℃退火，使合金析出一定体积分数的bcc相晶粒，形成纳米晶和非晶的混合组织。

在现有技术中，FeCuNbSiB系列合金(如美国专利US4881989)已经大量应用于高频变压器、共模电感、普通电流互感器等元器件的磁芯。本发明中合金A的特点在于控制的加入微量的改进加工性能元素Al和/或Ti，微量Al和/或Ti的加入可以改善纳米晶合金带材的表面质量，有利于制造更薄的带材。

在现有技术中，Al、Ti等历来都被看作合金中的杂质，对非晶带材的制造有不利影响，所以一般都在母合金冶炼时设法去除。然而本发明人发现，在铁基纳米晶合金中添加微量Al、Ti，可以明显减小带材制造时的气泡尺寸，从而制造出厚度更薄、表面粗糙度更小的带材，同时，它们对磁性能并无明显的不利影响。这种作用的原因在于：微量Al、Ti的加入明显改变了母合金钢水的表面张力，可以更好地抵抗制带时气泡的形成。这样，所制造的带材贴辊面具有更小的气泡，表面粗糙度Ra减小到2μm以下，可以更加稳定地制造厚度在0.015～0.025毫米的超薄带，从而有效降低涡流和铁损。经过最佳温度的退火，磁芯的损耗比现有技术降低了10％以上，这样减小了互感器在不含直流分量时的角差。

3.铁基纳米晶合金的应力退火

本发明中，当应用铁基纳米晶合金作为合金A时，另一个必要条件是将带材卷绕成的磁芯在晶化温度以上进行应力退火，其目的在于：其一，使合金析出一定体积分数的bcc相晶粒，形成纳米晶和非晶的混合组织；其二，利用外部应力使合金内部形成沿磁芯轴向的应力感生各向异性，使磁芯具有良好的磁导率线性度，以利于互感器后续电路对比差和角差的补偿。

根据现有技术，为了获得良好的磁导率线性度，纳米晶磁芯一般都进行横向磁场退火。为了得到较好的磁场退火效果，磁芯退火一般要在1000A/m以上的横向磁场中进行，这就要求退火炉外面必须装配一个巨大的水冷螺线管。这样，整个退火炉结构复杂，造价很高。

已有研究工作表明，非晶纳米晶合金的条带在退火过程中施加拉应力可以产生感生各向异性。但由于非晶纳米晶合金一般都以环形磁芯的形式使用，上述施加拉应力的方法不能适用。

为了使得磁芯在晶化退火过程中产生拉应力，本发明采用将磁芯紧绕在金属芯子上的方法。本发明发现，如果将纳米晶磁芯卷绕在具有较大热膨胀系数的金属芯子上进行晶化退火，由于退火过程中磁芯发生晶化，由无序的非晶态结构转变为体心立方的纳米晶粒，导致1％～2％的体积收缩，而金属芯子没有收缩现象，因此磁芯被紧紧地箍在芯子上，产生了一个沿圆周方向的拉应力。这样，磁芯相当于进行了应力退火，因而具有良好的磁导率线性度，产生了与横向磁场退火相似的效果。作为卷绕磁芯用的芯子，可以采用紫铜、黄铜、纯铁或钢等材料。退火以后，再将磁芯从芯子上退下。

经过上述工艺，本发明的新型铁基纳米晶合金具有优良的应力退火效果。在最佳温度(530～560℃)下退火30分钟以上，磁芯的初始磁导率大于100000，磁导率非线性度小于5％。这样，保证了互感器在不含直流分量时具有小的比差和角差。

但是，即使合金A经过了应力退火，也因为磁导率过高，易于磁化饱和，无法单独应用于抗直流分量电流互感器。

对于合金B，它具有如下化学成分(重量百分比)：

Fe_余量Si_5.2～5.5B_2.7～2.9

在现有技术中，合金B已被广泛应用于低频变压器磁芯。该合金的饱和磁感应强度高达1.5T以上。为了得到良好的磁性能，合金B一般要进行400℃以下的纵向磁场退火，目的是消除磁芯内部应力，并得到沿纵向的磁场感生各向异性，提高磁导率。

然而在本发明中，上述退火工艺不适用，原因是用上述工艺退火的合金B磁导率高，易于磁化饱和，不具有足够的抗直流偏磁能力。

众所周知，非晶合金处于热力学亚稳态，在高温下有晶化趋势。同时，非晶合金在晶化过程中，体积会发生1～2％的收缩。因此，本发明中采用了另一种退火方法：将合金B在400～500℃进行表面晶化退火。在退火过程中，合金B大约0.1～2μm的表面层会发生晶化，析出FeB晶化相。由于晶化使得表面层发生收缩。但由于此时合金B的内部并未晶化，体积未收缩。这样，晶化了的表面层就会对未晶化的内部产生压应力。已知铁基非晶合金的饱和磁致伸缩系数大约为25～30×10^-6，这样，内部的未晶化层在上述应力的作用下将产生沿垂直于表面方向的横向感生各向异性，使合金B磁导率降低到仅有100～1000。经过上述退火的合金B由于磁导率低，不易磁化饱和，因此具有良好的抗直流偏磁能力。

合金B的制备过程如下：

制带：将钢水熔液导入底部带有狭长喷嘴的钢水包中，钢水喷射到快速运动的冷却介质上，形成厚度约0.020～0.030毫米的连续非晶薄带。

退火：将非晶薄带卷绕成所需尺寸的磁芯，放入退火炉中，在保护气氛中进行400～500℃退火，使合金表面析出一定体积分数的FeB相晶粒，形成表明晶化组织。

但是，合金B也不能单独应用于抗直流分量电流互感器磁芯，原因是它的磁导率太低，会大大增加在不含直流分量时的测量比差和角差。

本发明人发现，如果将合金A和合金B形成互感器复合磁芯，则这种复合磁芯即具有较高的磁导率，有具有良好的抗直流偏磁能力，兼顾了互感器的测量误差和抗直流偏磁能力两方面的要求，可以应用于抗直流分量电流互感器。因此，合金A和合金B在本发明中都是必不可少的。

根据本发明，用合金A和合金B制造复合磁芯有不同方式。首先分别用合金A和合金B各自卷绕成相同内径和外径的磁芯A和磁芯B。然后分别用合适的热处理制度分别对磁芯A和磁芯B进行退火。

随后将磁芯A和磁芯B叠放在一起，形成复合磁芯，如图2(a)所示。

也可以使磁芯A的外径恰好等于或稍微小于磁芯B的内径，将磁芯A套入磁芯B内部，形成复合磁芯，如图2(b)所示。

还可以使磁芯B的外径恰好等于或稍微小于磁芯A的内径，将磁芯B套入磁芯A内部，形成复合磁芯，如图2(c)所示。

尽管附图中描绘的磁芯为圆形，可以理解，磁芯A、B的形状也可以是其他的形状，如椭圆形、矩形、正方形、梯形和三角形等等。

然后将复合磁芯置于保护盒中，C为下保护盒，C’为上保护盒，保护盒可以用塑料、树脂、胶木或者金属制造。为了防止磁芯受到外力破坏或者受到冲击振动时损坏，在复合磁芯与保护盒的上下两个接触面的至少一个接触面上涂敷硅脂、绝缘胶、密封胶等软性物质或者衬垫海绵、橡胶、绝缘纸等软性减振垫。或者将磁芯A与磁芯B分别用绝缘纸、绝缘胶带、黄蜡绸或其它绝缘物质包裹或复合磁芯用前述绝缘物质包裹后置于塑料、树脂、金属或胶木保护盒中。

制成的复合磁芯也可以用树脂、塑料等绝缘物质喷涂、注塑或浸渍。

最后，根据预先的设计，以适当的方式在复合磁芯保护盒或者保护层外面绕制一定匝数的线圈，形成电流互感器。

与现有技术相比，本发明具有两个明显的优点：其一是在甚至200A的初级电流下仍然具有低的比差和角差，其原因在于采用了具有高磁导率的铁基纳米晶合金和抗饱和的铁基非晶合金组成的复合磁芯。其二是本发明不含有昂贵的金属钴，大大降低了磁芯以及互感器的成本。

下面结合图表和实施例对本发明作进一步说明，但这种说明并不限制本发明的适用范围。

附图说明

图1为电流互感器基本原理图。

图2为本发明的复合磁芯制造方式。

图3为本发明的Fe_余量Si₇B_1.4Cu_0.8Nb_5.78Al_0.02和Fe_余量Si_5.2B_2.9的复合磁芯所制成互感器的比差和角差。

具体实施方式：

分别用铁、硅、硼铁、铌铁、钼、电解铜、铝、钛等配制坡莫合金Fe_余量Ni_79～86M_0～8(重量百分比，M为Mo、Nb、V、Cu的一种或几种)的合金A、铁基纳米晶合金Fe_余量Si_7-9B_1.3-2Cu_0.8-1.5M_4-7M’_0.001-0.05(重量百分比，M为Mo和/或Nb，M’为Al和/或Ti)的合金A和Fe_余量Si_5.2-5.5B_2.7-2.9(重量百分比)的合金B原材料。

用真空感应炉熔炼上述成分的母合金，用传统的轧制和退火工艺制备坡莫合金磁芯，用快速凝固工艺(单辊急冷法)制备不同宽度的非晶带材。

将非晶带材分别卷绕成圆环磁芯，其尺寸如表1所列。将铁基纳米晶磁芯A进行550℃、30分钟的应力退火，芯子为黄铜，用氮气作为保护气氛，保温结束后随炉冷却。将磁芯B进行450℃、120分钟的表面晶化退火，用氮气作为保护气氛，保温结束后随炉冷却。

表1为本发明的复合磁芯与作为比较例的钴基非晶磁芯互感器的主要特性对比。将磁芯采用不同方式封装，用细漆包线绕制次级线圈2500匝，做成额定电流为120A的电流互感器。用专用测量仪测量磁芯绕制成互感器后在50Hz、初级线圈为一匝、不同电流负载下的比差和角差，如图3所示。

对比本实施例和比较例的数据可见，本发明的互感器磁芯磁性能明显优于现有技术，所制造的互感器具有小的比差和角差，特别是在初级线圈负载电流为200A时的比差和角差仍低于现有技术的钴基非晶合金。这种改善正是由于本发明采用了高导磁合金(坡莫合金或铁基纳米晶合金)和铁基非晶合金组成的复合磁芯。同时，由于本发明的磁芯不含有昂贵的金属钴，使互感器的成本大大降低。

表1实施例与比较例的对比

序号	化学成分		磁芯尺寸mm			复合方式	封装方式	1KHz单匝电感量μH		比差％	200A时角差°
			磁芯尺寸mm					1KHz单匝电感量μH				外径	内径	高度	无偏磁	偏磁场800A/m
			1	磁芯A	坡莫合金Fe_余量Ni₇₉Mo₄			30	20			外径	内径	高度	无偏磁	偏磁场800A/m	6	叠放	树脂保护盒	32.7	0	0.055	0.41
	磁芯B	铁基非晶合金Fe_余量Si_5.2B_2.9	1	磁芯A	坡莫合金Fe_余量Ni₇₉Mo₄	30	20	30	20	6	0.76	0.45					6			32.7	0
	磁芯B	铁基非晶合金Fe_余量Si_5.2B_2.9	2	磁芯A	铁基纳米晶合金Fe_余量Si₇B_1.4Cu_0.8Nb_5.78Al_0.02	30	20	30	20	6	0.76	0.45	6	叠放	树脂保护盒	27.2	0			0.001	0.45
磁芯B	铁基非晶合金Fe_余量Si_5.2B_2.9	30		磁芯A	铁基纳米晶合金Fe_余量Si₇B_1.4Cu_0.8Nb_5.78Al_0.02	20	6	30	20	0.76	0.48		6			27.2	0
磁芯B	铁基非晶合金Fe_余量Si_5.2B_2.9	30		3	磁芯A	20	6	铁基纳米晶合金Fe_余量Si₈B_1.6Cu_1.1Mo₇Ti_0.01	25	0.76	0.48	20	12			磁芯A套入磁芯B	树脂喷涂	33.3	0			0.094	0.49
磁芯B	铁基非晶合金Fe_余量Si_5.4B_2.78	30	25		磁芯A	12	0.61	铁基纳米晶合金Fe_余量Si₈B_1.6Cu_1.1Mo₇Ti_0.01	25	0.40		20	12					33.3	0
磁芯B	铁基非晶合金Fe_余量Si_5.4B_2.78	30	25		4	12	0.61	磁芯A	铁基纳米晶合金Fe_余量Si₉B_1.93Cu_1.3Nb₄Mo₂Al_0.01Ti_0.03	0.40	30	25	12	磁芯B套入磁芯A	注塑			28.1	0	0.086	0.38
磁芯B	铁基非晶合金Fe_余量Si_5.5B_2.71	25	20	12		0.72	0.46	磁芯A	铁基纳米晶合金Fe_余量Si₉B_1.93Cu_1.3Nb₄Mo₂Al_0.01Ti_0.03		30	25	12					28.1	0
磁芯B	铁基非晶合金Fe_余量Si_5.5B_2.71	25	20	12		0.72	0.46	比较例：钴基非晶合金(FeCoNi)_78.5(MnSiB)_21.5			30	20	12			～	树脂盒	53.2	0.19			0.18	0.61

Claims

1、一种抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于：该磁芯由高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B复合而成，

所述的高导磁磁芯A的饱和磁感应强度在0.6T以上，初始磁导率在60000以上；

所述的抗饱和磁芯B的饱和磁感应强度在1.5T以上，磁导率在200～2000之间，磁导率线性段内的磁导率变化率小于10％，在800A/m的直流偏磁场下的电感量和无偏磁场时的电感量之比大于等于0.5。

2、如权利要求1所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于：所述的高导磁磁芯A的材料为铁基纳米晶合金、坡莫合金中的一种，所述的抗饱和磁芯B的材料为铁基非晶合金。

3、如权利要求1或2之一所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于：所述的磁芯A为铁基纳米晶合金时，其饱和磁感应强度在1.1T以上，初始磁导率在80000以上。

4、如权利要求1或2之一所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于：所述磁芯A为坡莫合金时，其饱和磁感应强度在0.6T以上，初始磁导率在100000以上。

5、如权利要求1或2之一所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于：所述的磁芯B为铁基非晶合金时，其饱和磁感应强度在1.5T以上，磁导率在200～2000之间。

6、如权利要求1所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于：复合磁芯磁导率线性段内的磁导率变化率小于10％，在800A/m的直流偏磁场下的电感量和无偏磁场时的电感量之比大于等于0.5。

7、如权利要求1所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于：所述的复合磁芯的形状为圆形、椭圆形、矩形、正方形、梯形和三角形之一。

8、一种纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法，其特征在于：将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带芯子的磁芯在预定的温度下退火预定的时间。

9、如权利要求8所述的纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法，所述的磁芯为铁基纳米晶合金时，采用的芯子为紫铜、黄铜、纯铁或钢中的一种或其组合，磁芯在500～600℃下退火30～60分钟。

10、一种抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于：该磁芯由高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B以轴线重合的方式复合而成。

11、如权利要求10所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于：所述的高导磁磁芯A的材料为铁基纳米晶合金、坡莫合金中的一种，所述的抗饱和磁芯B的材料为铁基非晶合金。

12、如权利要求10、11之一所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于：所述的复合方式为至少下列之一：(1)磁芯A与磁芯B叠放，(2)磁芯A位于磁芯B的内部、(3)磁芯A位于磁芯B的外部。

13、如权利要求10、11之一所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，包括如下步骤：母合金冶炼、制带、卷绕和退火，其特征在于：所述的磁芯A为铁基纳米晶时，

其合金成分为：(重量百分比)：Si 7～9％，B 1.3～2％，Cu 0.8～1.5％，M 4～7％，M’0.001～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，M为Mo和/或Nb，M’为改进加工性能的元素Al和/或Ti；

14、如权利要求13所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于：当所述的磁芯A为铁基纳米晶合金时，进行如下应力退火：将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯A，然后将带芯子的磁芯A在530～560℃退火20～30分钟。

15、如权利要求10所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于：所述复合磁芯置于保护盒中，复合磁芯上、下端面与保护盒上、下内端面之间两个接触面的至少一个接触面有柔性减震层。

16、如权利要求15所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于：所述的保护盒由塑料、树脂、金属或胶木制成。

17、如权利要求15所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于：所述的柔性减震层为：在所述接触面之间涂敷选自硅脂、绝缘胶、密封胶的柔性物质，或者衬垫选自海绵、橡胶、绝缘纸的柔性减振垫。

18、如权利要求15所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于：磁芯A与磁芯B分别用绝缘物质包裹或复合磁芯用绝缘物质包裹后置于所述绝缘保护盒中。

19、如权利要求15所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于：磁芯A与磁芯B分别用树脂、塑料等绝缘物质喷涂、注塑或浸渍，或复合磁芯用树脂、塑料等绝缘物质喷涂、注塑或浸渍。

20、一种如权利要求1所述的抗直流分量电流互感器磁芯的用途，其特征在于：采用该磁芯制造的抗直流分量电流互感器，其初级线圈电流从零到200A范围内，互感器的比差小于0.1％，角差小于0.6度。