CN1710676A - 漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种漏电保护器用电流互感器磁芯及其制造方法，该磁芯采用铁基纳米晶合金，包括如下步骤：母合金冶炼、制带、卷绕和退火，所述的铁基纳米晶合金的成分为(重量百分比)：Fe 80％～85％，Si 7％～9％，B 1.5％～2.5％，Cu 1％～2％，M 4％～9％，M’0.01％～0.05％，其中，M为V，Cr，Mo，Nb，W，Ta，Mn中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种；所述的退火步骤为如下的应力退火：将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带金属芯子的磁芯在510～580℃下退火预定的时间。本发明得到的磁芯具有优良的磁特性，尤其是在保持高磁导率的前提下具有更低的剩磁比和在正弦波、半波脉动及全波脉动条件下更高的磁感应强度增量。
Description
技术领域
本发明涉及一种漏电保护器用电流互感器磁芯及其制造方法，尤其是一种具有纳米晶和非晶混合组织的、具有抗直流偏磁能力的铁基纳米晶磁芯及其制造方法。
背景技术
漏电保护器是一种广泛使用的安全电器，其核心是电流互感器磁芯，其基本原理如图1所示。该互感器磁芯1的初级线圈由相线2和零线3并绕而成，次级线圈4连接后续处理电路5。在正常情况下，流过磁芯初级线圈中相线2和零线3的电流大小相等、方向相反，它们在磁芯1中产生的磁场相互抵消，磁芯不被磁化。当漏电保护器后面的线路中存在漏电流时，必然造成流过磁芯初级线圈中相线2和零线3电流大小不相等，在磁芯1中产生的磁场不能相互抵消，此时磁芯1便被磁化，在次级线圈4中产生感应电压，该电压经过后续处理再推动脱扣器6动作，断开线路。作为电流互感器磁芯，要求具有高的初始磁导率。坡莫合金、铁镍基非晶合金、铁基纳米晶合金都已经被广泛应用于这种互感器磁芯。
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，线路中的波形畸变日益严重，其中所包含的直流分量逐渐增大。另一方面，传统的漏电保护器只对一般的正弦波电流起作用，如果漏电流中含有较大的直流电流分量，传统的高磁导率互感器磁芯就会由于剩磁过高而不能输出足够的感应电压，严重时甚至磁化饱和，不能在次级线圈中产生感应电压，漏电保护器就失去了保护作用。因此，必须采取措施，使互感器磁芯在含有较大直流分量的漏电流作用下不至于被磁化饱和。为此，对普通正弦波、半波脉动、全波脉动等不同漏电流波形时漏电保护器的特性都作了规定。
为了解决含直流分量漏电流的检测问题，可以采用兼有低剩磁比和高磁导率的互感器磁芯，这种磁芯具有扁平的磁滞回线。磁芯具有高磁导率是为了在一定的正弦波漏电流下具有大的磁感应强度增量^B，以增大次级线圈的输出信号；而低的剩磁比Br/Bs是为了防止磁芯磁化饱和，而且提高磁芯在半波脉动和全波脉动情况下的磁感应强度增量ΔBstat和ΔBdyn，以增大次级输出。中国专利CN96194187公开了一种漏电保护装置，它采用具有0.3以下的剩磁比、ΔBdyn＞0.7T的铁基纳米晶合金作为互感器磁芯，其磁芯材料成分为：大于等于60％的铁、0.5-2％的铜、2-5％的铌、钨、钽、锆等、5-14％的硼、14-17％的硅。该合金具有如下磁性能：剩磁比＜0.3，ΔBdyn＞0.7T，ΔBdyn/^B＞0.7T。
但是，传统的铁基纳米晶合金以及其它软磁材料都存在一个缺陷：低剩磁比和高磁导率这两个磁性能指标无法兼顾。这是因为，作为抗直流分量的漏电保护器用互感器磁芯，首先要求它在正常的正弦波磁化条件下具有尽可能高的磁导率，以增强感应信号强度，同时，为了在含有直流分量的磁场磁化时不饱和，又必须同时具有扁平的磁滞回线，即低磁导率、低剩磁比。传统的磁芯要同时满足上述两个互相矛盾的条件是比较困难的。例如，在上面提到的中国专利CN96194187中，为了兼顾正常的正弦波和直流分量情况下的指标，采用的材料和热处理制度只能使磁芯的剩磁比小于0.3。由于铁基纳米晶合金的饱和磁感应强度一般在1.2T左右，这就意味着，传统的铁基纳米晶合金制造上述互感器磁芯时的剩余磁感应强度Br约为0.42T左右。这一方面导致磁芯总存在一部分磁感应强度增量未被使用，造成了实际上的材料功能浪费，增大了磁芯体积；另一方面互感器的检测灵敏度较低，为后续的信号处理增加了难度。
发明目的及发明内容
本发明的目的在于：提供一种新的铁基纳米晶合金制造的抗直流分量漏电保护器中互感器磁芯，它具有优良的磁特性，尤其是在保持高磁导率的前提下具有更低的剩磁比和在正弦波、半波脉动及全波脉动条件下更高的磁感应强度增量。
本发明的另一目的在于：提供一种上述抗直流分量漏电保护器中互感器的铁基纳米晶磁芯的应力退火方法。
本发明的第三个目的在于：得到一种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：
一种漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯，该磁芯采用铁基纳米晶合金，所述铁基纳米晶合金的成分为(重量百分比)：Fe 80％～85％，Si 7％～9％，B 1.5％～2.5％，Cu 1％～2％，M 4％～9％，M’0.0 1％～0.05％，其中，M为V，Cr，Mo，Nb，W，Ta，Mn中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种。
该铁基纳米晶合金环状磁芯采用如下应力退火方式：将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带金属芯子的磁芯在预定的温度下退火预定的时间，所述的金属芯子为紫铜、黄铜、青铜、铝合金、纯铁或钢中的一种或其组合。
所述的铁基纳米晶合金磁芯具有如下磁特性：剩磁比Br/Bs(剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比)在0.002～0.1之间，初始磁导率μ0.08(在0.08A/m的磁化场下的磁导率)大于120000，矫顽力Hc小于0.5A/m；在10A/m磁场峰值下的正弦波磁感应强度增量^B大于1.2T，半波脉动条件下的磁感应强度增量ΔBstat大于0.9T，全波脉动条件下的磁感应强度增量ΔBdyn大于0.8T。
一种漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯的制造方法，该磁芯采用铁基纳米晶合金，包括如下步骤：母合金冶炼、制带、卷绕和退火，其中：所述的铁基纳米晶合金的成分为(重量百分比)：Fe 80％～85％，Si 7％～9％，B 1.5％～2.5％，Cu 1％～2％，M 4％～9％，M’0.01％～0.05％，其中，M为V，Cr，Mo，Nb，W，Ta，Mn中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种；
所述制带步骤为：将上述母合金溶成的钢水制成厚度0.015～0.025毫米的连续非晶薄带；
所述的退火步骤为如下的应力退火：将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带金属芯子的磁芯在510～580℃下退火预定的时间。
本发明提出的技术解决方案包括了以下几个方面：①在漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯的铁基纳米晶合金成分中，控制的加入改进工艺性能的元素Al、Ti，②对于漏电保护器用抗直流偏磁互感器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.在漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯的铁基纳米晶合金成分中，加入微量改进工艺性能的元素Al和/或Ti
根据本发明，提供一种以下的新型铁基纳米晶合金(重量百分比)：
Fe80-85Si7-9B1.5-2.5Cu1-2M4-9M’0.01-0.05
其中，M为V，Cr，Mo，Nb，W，Ta，Mn中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种。在本发明的合金中，Fe是基体元素，是获得铁磁性必不可少的，Fe含量应在80～85％之间。
Si和B等类金属是非晶形成元素，是利用快速凝固技术得到非晶带材的必要元素，Si的含量为7％～9％，B的含量为1.5％～2.5％。
Cu的添加是为了提高合金在热处理时的晶化相形核率，Cu的含量为1％～2％。
M为V，Cr，Mo，Nb，W，Ta，Mn中的一种或几种，其作用是阻止晶化相的晶粒长大，保持纳米晶组织特征，M的含量为4％～9％。
Al和/或Ti的微量加入可以显著改善合金的工艺性能，M’的含量为0.01％～0.05％，是本发明必不可少的元素；Al和/或Ti的含量大于0.05％时，一方面会造成合金的饱和磁感应强度下降过多，另一方面会使钢液的表面张力增加过多，反而对制带不利。Al和/或Ti的含量小于0.01％时，起不到上述作用。另外，Al和Ti的同时添加比单独添加Al或Ti时具有更好的效果。
本发明的新型铁基纳米晶合金带材的制备过程如下：
母合金冶炼：将铁、硅、硼铁、电解铜、铌铁或纯铌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0.015～0.025毫米的连续非晶薄带。
本发明的一个必要条件是微量Al和/或Ti的加入，其作用是通过改善合金制带时的工艺性能，从而降低矫顽力。
矫顽力是互感器磁芯的一个重要指标。在漏电保护器的使用中，不可避免地会遇到偶然的大电流冲击。为了保证磁芯在大电流冲击后仍然能够正常工作，必须尽可能使用低矫顽力的磁芯，以确保磁芯在大电流冲击后恢复到磁中性状态。现有技术一般可以制造矫顽力在1A/m左右的铁基纳米晶合金磁芯。纳米晶磁芯的矫顽力与卷绕磁芯所用的带材的表面平整度有关。造成带材表面不平整的主要原因之一是带材制造过程中贴辊面气泡的形成。由于常规的带材制造过程是在空气环境中进行的，空气会卷入钢水与冷却介质之间的界面，形成气泡。为了限制气泡的形成，现有技术尝试过采用还原性气氛或真空制造带材，但这使得设备和工艺复杂化，大大增加了带材制造成本，不适于大量生产。
本发明人发现，含有微量Al和/或Ti的铁基纳米晶合金在制带时，这些元素的加入改变了钢水的表面张力，阻止了气泡的形成，而且这些容易氧化的元素能够很快地吸收气泡中的氧，形成表面氧化物，因此可以缩小贴辊面气泡的尺寸。现有技术可以制造有效表面粗糙度Ra(eff)(带材上下表面粗糙度之和与带材厚度之比)在2％～10％的带材，而本发明的技术制造的带材的Ra(eff)在1.5％以下。由于本发明的带材表面更加平整，所卷绕磁芯的矫顽力在0.5A/m以下。
2.铁基纳米晶合金的应力退火
本发明人发现，退火制度的选择对于本发明磁芯的磁特性有明显影响。在现有技术中，铁基纳米晶合金一般在500～600℃退火。但是对于本发明的合金来说，适用的退火温度在510～580℃，最佳的退火温度范围在520℃～560℃之间。
实现本发明的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，使磁芯具有很低的剩磁比，进而具有大的磁感应强度增量。
根据现有技术，为了获得低的剩磁比，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螺线管，螺线管通常需要水冷。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，因而具有低的剩磁比，产生了与横向磁场退火相似的效果。作为卷绕铁基纳米晶合金环状磁芯用的芯子，可以采用紫铜、黄铜、青铜、铝合金、纯铁或钢等材料。
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(510～580℃)下退火30～60分钟，磁芯的剩磁比Br/Bs(剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比)低于0.1，在0.002-0.1之间；初始磁导率μ0.08(在0.08A/m的磁化场下的磁导率)大于120000，使得磁芯保持了在正弦波磁化时的较大输出，^B最大值大于1.2T，半波脉动条件下的磁感应强度增量ΔBstat大于0.9T，全波脉动条件下的磁感应强度增量ΔBdyn大于0.8T。。磁芯的剩磁比低于0.1，使半波脉动磁化时的最大磁感应强度增量ΔBstat高达0.9T以上，全波脉动磁化时的最大磁感应强度增量ΔBdyn高达0.8T以上。
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为漏电保护器基本原理图。
图2为本发明的Fe83.38Si7.8B1.9Cu1.2Nb5.7Al0.02Ti0.03制造的磁芯与作为比较例的Fe83.4Si7.8B1.9Cu1.3Nb5.6合金经应力退火后不同磁场强度幅值时的正弦波、半波脉动和全波脉动磁化时的磁感应强度增量^B、ΔBstat和ΔBdyn对比。
具体实施方式：
用铁、硅、硼铁、铌铁、电解铜、金属铈、铝、钛等配制Fe83.38Si7.8B1.9Cu1.2Nb5.7M’0.02成分(重量百分比)的母合金原材料(M’分别为Al和/或Ti)。为了便于对比，以现有技术的Fe83.4Si7.8B1.9Cu1.3Nb5.6作为比较例。用真空感应炉熔炼上述成分的母合金，用快速凝固工艺(单辊急冷法)制备宽度为10毫米、厚度为0.020～0.025毫米的非晶带材。将非晶带材分别紧绕在外径为20毫米的黄铜芯子上，卷绕成外径25毫米、内径20毫米的圆环磁芯。将上述磁芯进行550℃、30分钟的应力退火，用氮气作为保护气氛，保温结束后随炉冷却。用冲击法测量磁芯的初始磁导率、剩磁比、矫顽力和磁滞回线。表1为本发明的合金制造的磁芯与作为比较例的Fe83.4Si7.8B1.9Cu1.3Nb5.6合金经横向磁场退火后的初始磁导率、剩磁比和矫顽力的对比。用专用测量仪测量磁芯在50Hz、不同磁场强度幅值时的正弦波、半波脉动和全波脉动时的磁感应强度增量^B、ΔBstat和ΔBdyn，如图2所示。可见，本实施例的新型铁基纳米晶合金具有比现有技术更佳的特性，尤其是在保证高磁导率(120000以上)的前提下剩磁比只有0.025以下，矫顽力仅有0.4A/m以下。其应用于漏电保护器用互感器磁芯时的结果是：在10A/m磁场峰值下的正弦波最大磁感应强度增量^B达到1.22T，半波脉动条件下的最大磁感应强度增量ΔBstat达到了0.95T，而全波脉动条件下的最大磁感应强度增量ΔBdyn达到了0.81T。
表1实施例与比较例的化学成分、初始磁导率、剩磁比和矫顽力的对比
| 序号 | 化学成分 | 初始磁导率μ0.08 | 剩磁比Br/Bs | 矫顽力Hc，A/m |
| 1 | Fe83.38Si7.8B1.9Cu1.2Nb5.7Al0.02 | 128000 | 0.017 | 0.288 |
| 2 | Fe83.35Si7.8B1.9Cu1.2Nb5.7Al0.05 | 131800 | 0.019 | 0.310 |
| 3 | Fe83.39Si7.8B1.9Cu1.2Nb5.7Ti0.01 | 121100 | 0.025 | 0.261 |
| 4 | Fe83.37Si7.8B1.9Cu1.2Nb5.7Ti0.03 | 128500 | 0.022 | 0.399 |
| 5 | Fe83.38Si7.8B1.9Cu1.2Nb5.7Al0.01Ti0.01 | 132000 | 0.020 | 0.180 |
| 6 | Fe83.35Si7.8B1.9Cu1.2Nb5.7Al0.02Ti0.03 | 137200 | 0.014 | 0.233 |
| 比较例 | Fe83.4Si7.8B1.9Cu1.3Nb5.6 | 119900 | 0.13 | 0.612 |
Claims (16)
1、一种漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯，该磁芯采用铁基纳米晶合金，其特征在于：
所述铁基纳米晶合金的成分为(重量百分比)：Fe 80％～85％，Si7％～9％，B 1.5％～2.5％，Cu 1％～2％，M 4％～9％，M’0.01％～0.05％，其中，M为V，Cr，Mo，Nb，W，Ta，Mn中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种。
2、如权利要求1所述的漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金环状磁芯采用如下应力退火方式：将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带金属芯子的磁芯在预定的温度下退火预定的时间。
3、如权利要求2所述的漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯，其特征在于：所述的金属芯子为紫铜、黄铜、青铜、铝合金、纯铁或钢中的一种或其组合。
4、如权利要求1所述的抗直流偏磁漏电保护器用电流互感器磁芯，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金磁芯具有如下磁特性：剩磁比Br/Bs(剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比)在0.002～0.1之间。
5、如权利要求1所述的抗直流偏磁漏电保护器用电流互感器磁芯，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金磁芯进一步具有如下磁特性：初始磁导率μ0.08(在0.08A/m的磁化场下的磁导率)大于120000。
6、如权利要求1所述的抗直流偏磁漏电保护器用电流互感器磁芯，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金磁芯进一步具有如下磁特性：矫顽力Hc小于0.5A/m。
7、如权利要求1所述的抗直流偏磁漏电保护器用电流互感器磁芯，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金磁芯进一步具有如下磁特性：在10A/m磁场峰值下的正弦波磁感应强度增量^B大于1.2T，半波脉动条件下的磁感应强度增量ΔBstat大于0.9T，全波脉动条件下的磁感应强度增量ΔBdyn大于0.8T。
8、一种铁基纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法，其特征在于：在晶化退火过程中，将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带金属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所述的铁基纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法，其特征在于：所述磁芯在510～580℃下退火10～120分钟。
10、如权利要求8所述的铁基纳米晶合金环的应力退火方法，其特征在于：所述的金属芯子为紫铜、黄铜、青铜、铝合金、纯铁或钢中的一种或其组合。
11、一种漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯的制造方法，该磁芯采用铁基纳米晶合金，包括如下步骤：母合金冶炼、制带、卷绕和退火，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金的成分为(重量百分比)：Fe 80％～85％，Si 7％～9％，B 1.5％～2.5％，Cu 1％～2％，M 4％～9％，M’0.01％～0.05％，其中，M为V，Cr，Mo，Nb，W，Ta，Mn中的一种或几种，M’为Al、Ti的至少一种；
所述制带步骤为：将上述母合金溶成的钢水制成厚度0.015～0.025毫米的连续非晶薄带；
所述的退火步骤为如下的应力退火：将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带金属芯子的磁芯在510～580℃下退火预定的时间。
12、如权利要求11所述的漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯的制造方法，其特征在于：所述的应力退火使用的金属芯子为紫铜、黄铜、青铜、铝合金、纯铁或钢中的一种或其组合。
13、如权利要求11所述的漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯的制造方法，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金磁芯具有如下磁特性：剩磁比Br/Bs(剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比)在0.002～0.1之间。
14、如权利要求11所述的漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯的制造方法，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金磁芯进一步具有如下磁特性：初始磁导率μ0.08(在0.08A/m的磁化场下的磁导率)大于120000。
15、如权利要求11所述的漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯的制造方法，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金磁芯进一步具有如下磁特性：矫顽力Hc小于0.5A/m。
16、如权利要求11所述的漏电保护器用抗直流偏磁互感器磁芯的制造方法，其特征在于：所述的铁基纳米晶合金磁芯进一步具有如下磁特性：在10A/m磁场峰值下的正弦波磁感应强度增量^B大于1.2T，半波脉动条件下的磁感应强度增量ΔBstat大于0.9T，全波脉动条件下的磁感应强度增量ΔBdyn大于0.8T。
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