CN1954394A - 电流变换器芯以及制造电流变换器芯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流变换器芯，其芯外径Da与内径Di之比小于1.5，具有饱和磁致伸缩系数λs≤|4|ppm和圆滑的磁滞回线，该磁滞回线的参数为：0.50≤Br/Bs≤0.85和H_{c max}≤20mA/cm。所述电流变换器芯由一种软磁的铁基合金构成，所述软磁的铁基合金结构的至少50％由平均料颗粒大小100nm或者以下的细小微晶颗粒构成，并且所述铁基合金主要保含一种组合成分。本发明还涉及这种电流变换器芯的制造方法。

Description

电流变换器芯以及制造电流变换器芯的方法

本发明涉及一种电流变换器芯以及一种制造电流变换器芯的方法。

采用电能计数器在工业和家居环境中对电气装置和设备的耗电进行计量。在此公知例如电机的费拉里斯感应计数器的原理等各种原理。所述费拉里斯感应计数器是基于对由与电流或者电压成比例的场所驱动的一个圆盘的旋转的测量。

现代计数器完全以电子方式进行工作。有各种基于感应原理测取电流的方法，其中按照数字方式处理电感的电流变换器和电压变换器的输出信号，并提供所述输出信号用于测取耗电并且还可以用于远程读取。

感应电流变换器的电子能量计数器越来越多地应用于家居环境中。在此，这种计数器在低成本制造性方面比其在技术上的考虑起更大的作用。这使得需要研发这种电流变换器特别经济的制造方法。需要测量的耗电电流在数毫安(mA)与100A之间的范围内或者在该范围之外，其中需要能够进行简单而精确的电能测量而同时要求与要测量的初级电流相比，该测量信号具有相对小的相位误差和幅度误差。除了精度要求以外，在较高生产能力的情况下，这种电流变换器材料成本也是非常重要的，尤其是电流变换器芯材料的成本是非常重要的。

对于一个电流变换器的相位误差，一般有

式中

R_B＝负载电阻；

R_Cu＝次级绕组电阻，δ＝变换器材料的损耗角

L＝电流变换器的次级绕组电感量。

对于幅度误差，有

$F\left(I\right)\≈-\frac{R_{\mathrm{Cu}}+R_B}{\mathrm{\ω}\·L}\·\sin \mathrm{\δ}---\left(2\right)$

式中L定义为：

$L=$ ${N_2}^2$ $\·\mathrm{\μ}\′\·{\mathrm{\μ}}_0\·\frac{A_{\mathrm{Fe}}}{l_{\mathrm{Fe}}}---\left(3\right)$

N₂＝次级绕组匝数

μ’＝变换器材料的磁导率(实部)

μ₀＝真空磁导率常数

A_Fe＝铁芯的横截面面积

L_Fe＝铁芯的平均磁路长度。

在此为了实现体积较小并因而价格低廉但精度高的电流变换器就需要有尽可能高的磁导率芯。

为了计取较大的电流，变换器芯需要有一个较大的内径，这在小的铁芯横截面积A_Fe的情况下导致一种较小的芯外径D_a与芯内径D_l之比，所述比通常小于1.5，甚至小于1.25。然而这样小的直径比会导致芯的机械不稳定性较大，并且使之对各种机械操作敏感。

由于上述原因，这样的电流变换器芯至今都使用高磁导率的材料，例如铁氧体或者玻莫合金材料。在此，铁氧体的缺点是，磁导率相对较低并且相对强烈地与温度相关。玻莫合金材料的特点是，尽管可以达到较低的相位误差，然而其特性却强烈地随着要测量的电流或者磁芯的饱和程度而改变。尽管这种改变可以通过变换器的电子电路或者测量值的数字后处理进行补偿，但是这却产生额外的高成本费用。由于铁氧体的易折断性以及这两种材料高的磁致伸缩系数和低的饱和感应强度，所以不能够实现节省材料的小铁芯横截面积的电流变换器芯，即：小直径比Da/Di的电流变换器芯。

从现有技术中，例如EP0504674 B1，还公知采用有较高的饱和感应强度的纳米晶体材料制造的高磁导率磁芯，而且所述磁芯与上述本发明技术方案不同，仅仅拥有一个平坦的磁滞回线。由此得出在可实现磁导率(μ约为60,000至120,000)的情况下对具有大A_Fe的电流变换器芯的尺寸的束缚。尽管有其它的(尤其是在相位特性方面的)良好性质，但是在却不能够经济地投入大规模生产。

本发明所要解决的技术问题是，提出一种在宽感应强度范围上有非常高的磁导率且成本低廉的电流变换器芯以及制造这样一种高磁导率的电流变换器芯的方法。

该技术问题是独立权利要求主题。有利的扩展由从属权利要求得出。

本发明所要解决的技术问题通过提供芯外径Da与芯内径Di之比小于1.5的电流变换器芯得以解决，所述芯具有一个饱和磁致伸缩系数λs≤|6|ppm和圆滑的磁滞回线，该圆滑的磁滞回线的参数为：0.50≤Br/Bs≤0.85和H_cmax≤20mA/cm的，其中所述电流变换器芯由一种软磁的铁基合金构成，所述软磁的铁基合金结构的至少50％由平均料颗粒大小100nm或者以下的细小微晶颗粒构成，并且所述铁基合金主要具有以下的组成：

(Fex-aCoaNib)×CuyMzSivBw

其中M选自一个V、Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti、Mo的组中的一种元素或者其中某些元素的组合并且另外有

X+y+z+w＝100％且

Fe+Co+Ni＝x＝100％-y-z-v-w

Co    a≤1.5％

Ni    b≤1.5％

Cu    0.5≤y≤2％

M     1≤z≤5％

Si    6.5≤v≤18％

B     5≤w≤14％

其中v+w＞18％，比例Br/Bs是剩磁Br与饱和感应强度Bs之比。

最好该芯具有一个饱和磁致伸缩系数λs≤|2|ppm和圆滑的磁滞回线，该圆滑的磁滞回线的参数为：0.50≤Br/Bs≤0.85以及H_cmax≤12mA/cm，其中所述电流变换器芯由一种软磁的铁基合金构成，平均料颗粒大小为100nm或者以下的细小微晶颗粒构成了所述合金结构的至少50％，并且所述铁基合金主要具有以下的组成：

(Fe_x-aCo_aNi_b)_xCu_yM_zSi_yB_w

其中M是选自V、Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti、Mo的组中的一种元素或者是其中某些元素的组合并且另外有

X+y+z+w＝100％，且

Fe+Co+Ni＝X＝100％-y-z-v-w

Co    a≤0.5％

Ni    b≤0.5％

Cu    0.75≤y≤1.25％

M     2≤z≤3.5％

Si    13≤v≤16.5％

B     5≤w≤9％

其中20≤v+w≤25％。

最好，电流变换器芯具有饱和磁致伸缩系数λs≤|0.8|ppm和圆滑的磁滞回线，该圆滑的磁滞回线的参数如下：0.65≤Br/Bs≤0.80和Hc_max≤10mA/cm，其中所述电流变换器芯由一种软磁的铁基合金构成，平均料颗粒大小100nm或者以下的细小微晶颗粒构成了所述合金结构的至少50％，并且所述铁基合金主要具有以下的组成：

(Fe_x-aCo_aNi_b)_xCu_yM_zSi_yB_w

其中M是选自V、Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti、Mo的组中的一种元素或者其中某些元素的组合并且另外有

x+y+z+w＝100％且

Fe+Co+Ni＝x＝100％-y-z-v-w

Co    a≤0.5％

Ni    b≤0.5％

Cu    0.75≤y≤1.25％

M     2≤z≤3.5％

Si    13≤v≤16.5％

B     5≤w≤9％

其中20≤v+w≤25％。

典型地电流变换器芯在50Hz或者60Hz的频率时在H＝4mA的情况下，具有μ₄＞90,000的磁导率，并且在在频率为50Hz或者60Hz的情况下最大磁导率μ_max＞350,000。此外电流变换器具有Bs≤1.3特拉斯的饱和感应强度。在优选的扩展中，电流变换器芯在1mA/cm²的情况下，具有磁导率μ₁＞90,000并且优选地μ₁＞140,000，并且理想地μ₁＞180,000。

这样的电流变换器芯非常适用于一种相位误差小于1°的电流变换器。在此所述电流变换器芯通常被构成为环带芯，拥有至少一个初级绕组和至少一个次级绕组。

此外本发明还提出一种用于制造具有圆滑磁滞回线由纳米晶体材料构成的环形电流变换器芯的方法。目前采用至今公知的方法制造这种高度机械敏感的芯，尤其是在馏炉内的堆叠中进行热处理的方法，并不能够在技术和经济方面令人满意。本发明的技术问题通过制造环形变换器芯的方法得以解决，所述电流变换器芯由一种软磁的铁基合金构成，所述芯外径D对芯内径Di之比＜1.5，其中平均料颗粒大小100nm或者以下的细小微晶颗粒构成了所述合金结构的至少50％，其包括以下的步骤：

a)制备一种合金熔液；

b)借助于快速凝固技术由所述合金熔液制造一种非晶合金带；

c)无张力地把所述非晶带卷成非晶电流变换器芯；

d)热处理不堆叠的非晶电流变换器芯，例如在最大程度地排除磁场影响的条件下，在制造纳米晶体的电流变换器芯过程中进行热处理。然后通常进行下列步骤：

e)例如通过浸渍、涂层、用适当的塑料包裹和/或而封装制造成芯。

从而可以制造带有高磁导率的圆滑的磁滞回线的电流变换器芯。由于Bs＝1.1至1.4特拉斯的高饱和感应强度，因而感应强度范围存在较大的使用空间。该电流变换器芯在磁导率方面有良好的频率特性而且具有较低的磁滞损耗。

对于电流变换器，通过“优选地”采用上述合金组成可以达到特别优良的特性，因为用一个适当的热处理公知地可以产生饱和磁致伸缩的一个过零点。

利用这样一种磁性材料可以制造带有圆滑的磁滞回线的纳米晶体芯，其中Br/Bs之比(剩磁密度被饱和磁通密度除)大于0.5至0.85。此外，磁导率μ_i＞100000，μ_max＞350000并且达到可以在1.1特拉斯至1.4特拉斯之间的饱和感应强度。通过高的起始磁导率和最高磁导率可以实质上降低转换器芯的横截面积并且从而为大规模生产降低电流变换器芯的重量和成本。

已经公知了纳米晶体的软磁的铁基合金并且例如在EP0271657B1以及在WO03/007316A2中进行了说明。

在这两个于WO03/007316A2中说明的合金系中，平均料颗粒大小100nm或者以下的细小微晶颗粒构成了所述合金结构的至少50％。这种软磁的纳米晶体合金越来越多地作为电感磁芯用于各种电子应用领域。例如这可以参阅EP0299498B1。

可以借助于所谓的快速凝固技术(例如借助熔化旋转或者平面流浇铸)制造所述纳米晶体合金。在此，首先制备一种合金熔液，接着通过从熔化状态进行快速淬火制造一种首先是非晶的合金带。以上说明的合金要求约10⁶K/sec的冷却速度。这借助于熔化旋转方法达到，其中通过一个狭窄的喷嘴把熔液喷到一个快速旋转的冷却辊上，并且在此凝固成一种薄带。这种方法使得能够用一个工作进程以10至50m/sec的速度直接从熔液连续地制造薄带和薄膜，其中带厚可以是14至50微米并且带宽可以是几个厘米。

然后把这种借助于快速凝固技术制造的初步非晶的带卷成几何上宽松可变的磁芯，其中这种磁芯可以是椭圆、矩形或者圆形的。

实现良好软磁特性的中心步骤是至此还是非晶的合金带的“纳米结晶”。这种合金带的软磁特性仍然欠佳，因为它有约25×10^-6的相对高的磁致伸缩系数|λ_s|。在进行针对所述合金的结晶热处理时出现一种精细结构，也就是出现一种其中至少50％的体积由一个立方空间集中的FeSi微晶占据的合金结构。这种微晶嵌入在一个金属和类金属非晶的残余相中。例如在G.Herzer，IEEE Transaction onMagnetics，25(1989)，第3327页中说明了出现精细结晶结构以及从而大幅度改善软磁特性的固体物理学基础。然后通过得到的随机取向纳米晶体“结构”的结晶各向异性K₁出现良好的软磁特性，譬如高的磁导率或者小的磁滞损耗。

根据从EP0271657B1或者0299498B1公知的现有技术把所述非晶带首先在特殊的卷带机上尽可能无张力地卷成环带芯。为此首先把非晶带卷成圆带芯并且(如果需要)借助于适当的成型工具制成不同于圆形的形状。然而通过采用适当的卷体还可以直接地在卷制中达到所述与圆形不同的环带芯形状。

然后根据该现有技术在一个所谓的淬火炉中对所述无张力卷制的环带芯进行结晶热处理，所述热处理有助于所述纳米晶体结构的老化。在此上下叠放所述环形芯并且送进一个这样的炉中。事实表明这样的方法的缺点在于，由于弱的杂散磁场，例如地磁场，在磁芯堆叠中感生出磁性值的位置相关性。例如在堆叠边缘有高的磁导率值的同时还有一种内在性决定的高于60％的剩磁率，而在堆叠中心区域由于或多或少突出的平坦的磁滞回线体现出磁导率和剩磁的较低磁性值。此外，在电流变换器专用芯尤其是用小的Da/Di比实施的堆叠加热可导致显著地积械形变，这引起磁特性劣化。

在所说明的纳米合金系中典型地在Ta＝440℃至620℃的温度下进行所述纳米晶体结构的调整，其中所需要的加热时间可以在几分钟至大约12小时之间。尤其是从US 5,911,840中公知，如果在为结晶所要求的250℃至480℃的温度以下采用0.1至10小时持续时间的静态温度曲线平台来松驰磁芯，在具有圆滑的B-H回线的纳米磁芯中就可以达到μ_max＝76,000的最高磁导率。然而这增加了热处理的持续时间并且从而降低经济性。

由于根据本发明在热处理时分散电流变换器芯，使得每一单个的环带芯有相同的磁性条件。在这种情况下，与芯堆叠相反的单个芯的大退磁系数防止了轴向磁化。这种对每个单个电流变换器芯相同的静磁结晶条件得到对任何特定的几何的和/或热力学原因的磁性值分散的限制。从而可以排除堆叠决定的场聚束效应。

为了使导致磁导率降低的磁弹性各向异性最小化，按照以下方式确定所述合金组成的热处理：使得相互平衡细结晶颗粒的磁致伸缩量和非晶残余相的磁致伸缩量，并且从而达到一种最小的λ_s＜2ppm，优选地甚至＜0.8ppm的磁致伸缩。另一方面，与在淬火炉中的堆叠加热相反所说明的工艺方法使之能够进行芯的无张力加热。最后一点正是对于在此考虑大多数情况的小直径比例Da/Di的机械上不稳定的电流变换器芯具有很大的优点。这一方面降低了磁晶各向异性，另一方面，所述芯尽管有很小的机械稳定性却保持其多数情况下圆的形状。此外在单个电流变换器芯的连续工艺过程中不在相互之间或者不与其它部分发生可能变形或者形成张力的接触是重要的，并且另一方面实现保护气体环境也是重要的，所述保护气体环境防止表面氧化或者表面结晶。为此目的可以设置一种还原性气体环境，尤其是设有一种干燥气体。

为了满足应用决定的对小的复数磁导率虚部的要求，事实表明在卷制以前电绝缘地涂覆所述非晶形的带是有利的，在降低磁滞损耗方面需要所述小的磁导率虚部。这导致小的损耗角δ并且从而导致公式(2)中的幅度误差的最小化。

根据不同的要求，所述涂层可以选地通过一个浸渍方法、直通方法、喷溅方法或者电解方法进行。还可以拟定在卷制以后把所述电流变换器芯浸渍在一种绝缘介质中。

选择所述绝缘介质使其在一个方面良好地粘附在带表面上，另一方面不会造成可能导致损害磁体特性的表面反应。与如本发明所述的合金系相关联，建议使用元素Ca、Mg、Al、Ti、Zr、Hf、Si的氧化物、丙烯酸盐、磷酸盐、硅酸盐和铬酸盐。

特别有利地是：事实表明在所述带表面上设置一种液体含镁的中间产品，所述液体含镁中间产品在一个特殊的不影响合金的热处理中转变成一个厚的氧化镁层，其厚度大致可以在30nm至1mm之间并且所述氧化镁层牢固地粘附在所述带表面上。

在热处理以后接着制造所述磁芯，例如通过浸渍、涂层、用适当的塑料包裹和/或封装。

在例如通过在保护槽中粘贴的封装过程中必须注意由张力决定的幅度误差和相位误差随着温度的变化而发生变化。在采用一种软弹性胶合材料时，事实表明不论是高于室温还是低于室温，任何温度变化都会导致附加的电流变换器误差的附加的线性偏离。因此在芯上出现拉张力和压长力，所述张力由于的槽材料的胶合材料的弹性性能传递。可以通过用一种软塑料的不反应的糊膏取代一种软弹性的反应胶合材料作为填充物。从而可以在-40℃至+85℃的测量范围内近似恒定地保持线性值。

本发明除了涉及制造如权利要求1所述的电流变换器芯的方法以外还涉及按照该方法制造的相位误差＜1°的电流变换器用电流变换器芯。

事实表明，通过以同时说明环境条件和用所指出的合金系进行的所述温度处理，可以在具有这样制造的电流变换器芯的电流变换器的情况下实现特别小的相位误差。

然而在制造一个电流变换器时还分别需要设置初级绕组和次级绕组。

综上所述，为了在高的起始磁导率和最高磁导率的情况下达到圆滑的磁滞回线或者一个很小的矫顽磁场(Hc＜15mA/cm)尤其是为了要在热处理后产生各向异能K_ges＞21/m³的小的各向异性，下面的条件是重要的或者说是有利的：

I.在热处理过程中必须防止外部的磁场，还必须防止由于地磁场的通量聚束产生的外部磁场。

II.避免所述带材料内部的张力，例如由于表面氧化或者结晶产生的带材料内部的张力。

III.在热处理过程中避免在芯内部或者外部由于无张力的卷制、放置加热和在热处理中平衡磁致伸缩而作用在芯上的张力

IV.避免在固化时的张力

V.避免在使用电流变换器芯时的张力，也就是说在绕线和安装进电流变换器时的张力。

通过如本发明所述的方法，能够制造外径与内径之比＜1.5的机械上不稳定的电流变换器芯。用常规的方法，尤其是用热处理时堆叠的常规方法，无法制造这样的电流变换器芯，因为在操作进或者传送进炉中时芯容易受损害或者产生内部张力。

在结晶过程中，就是说在所说明的热处理过程中必须注意，这涉及一种放热反应，并且必须从芯导出所释放出的结晶热。优选地不堆叠的非晶环芯的热处理在热沉上进行，所述热沉有高的热容和高的热导率。所述热沉的原理已经从JP03 146 615 A2所公知。然而在该专利中却只在静态加热的情况下使用所述热沉。在此热沉材料尤其考虑金属或者金属合金。事实表明尤其是金属铜、银以及导热的钢特别适用。

然而还可能在一种陶瓷制造的热沉上进行所述热处理。此外还可以设想一种本发明的扩展，其中把要热处理的非晶环带芯放在陶瓷粉末或者金属粉末尤其是金属铜粉末的成型床中。

作为陶瓷材料，事实表明尤其是氧化镁、氧化铝和氮化铝特别适合用作大陶瓷板或者陶瓷粉末床。

在大约450℃至约620℃的温度区间进行结晶热处理。在此，该流程通常在不同的温度阶段进行以引入结晶过程和老化所述结构，就是说平衡磁致伸缩。

优选地采用一种炉进行按照本发明的热处理，其中该炉具有一个炉壳，所述炉壳有至少一个热处理区和一个加热源、用不堆叠的非晶磁芯给所述热处理区装料的装置、用于穿过所述热处理区传送不堆叠的非晶磁芯的装置和从所述热处理区取出不堆叠的热处理了的纳米晶体磁芯的装置。

优选地在这种炉的热处理区中充以一种保护气体。

在本发明的一个第一实施方式中，所述炉壳具有一个塔炉的构形，其中热处理区竖直地伸展。用于穿过所述竖直的热处理区传送不堆叠的非晶磁芯的装置在此优选地是一种竖直伸展的传送带。

所述竖直伸展的传送带在此具有垂直于所述传送带的由较高热容的材料制造的接触面，也就是说或用开篇部分所说明的金属或用开篇部分所说明的陶瓷制造的高热容和高热导率的接触面。在此，所述环带芯放置在所述接触面上。

在此所述竖直伸展的热处理区优选地分成多个分开的热处理区，所述分开的热处理区设有分开的加热调节装置。

如本发明所述炉的一个可供选择的替代方案中，所述炉具有一种塔炉的构形，其中热处理区水平地伸展。在此所述水平伸展的热处理区还是分成多个分开的热处理区，所述分开的热处理区设有分开的加热调节装置。作为穿过水平伸展的热处理区传送不堆叠的非晶环带芯的装置设置至少一个，但是优选地多个转盘样绕塔炉放置的接触面平板。

在其上放置电流变换器芯的所述接触面平板还是全部或者部分地由较高热容和较高热导率的材料构成。在此特别考虑由开篇部分所说明的金属，例如铜、银或者导热钢构成的平板，或者由陶瓷构成的平板。

在所述炉的一个第三可供选择的实施方式中所述炉具有一个炉壳，所述炉壳具有水平直通的构形，其中热处理区还是水平伸展。该实施方式尤其是优选的，因为这样一种炉可以相时简单地制造。

在此，设置一个传送带作为用于穿过水平伸展的热处理区传送不堆叠的非晶环带芯的装置，其中所述传送带还是设有接触面，所述接触面由较高热容和较高热导率的材料构成，在其上放置环带芯，在此还是考虑开篇部分所说明的金属和/或陶瓷材料。

典型地在此所述水平伸展的热处理区还是分成多个分开的热处理区，所述分开的热处理区设有分开的加热调节装置。

下面借助于附图举例地说明本发明。在附图中：

图1示意地用横向剖视图示出一个带有竖直伸展的传送带的塔炉，

图2示出多件的转盘炉，

图3示出带有水平伸展的传送带的直通炉，

图4示意地示出一个电流变换器，

图5示出一个电流变换器的电原理图，

图6示出一个如本发明所述的电流变换器芯的相位特性，

图7示出按照不同的热处理用不同的磁性材料制造的电流变换器芯的磁导率特性的概况，

图8a、图8b、图8c示出按照直通加热(图8a)和按照堆叠加热无磁场(图8b)和有磁场(图8c)的，拥有小的Da/Di之比的电流变换器典型的环带芯的状态，而

图9a和图9b示出用不同的材料制造的电流变换器芯电流变换器的幅度误差和相位误差。

尤其是为产生所谓圆滑的磁滞回线需要在尽可能无磁场并且设定精确的温度条件下，允许出现精细纳米晶体结构并使精细纳米晶体结构老化的加热方法。所开篇部分所说明，根据现有技术加热通常在所谓的淬火炉中进行，电流变换器芯上下叠放地馈入所述淬火炉中。

这种方法的决定性的缺点是，通过弱的杂散磁场，例如地磁场或者类似的杂散磁场由于磁场偏转效应或者集束效应会导致磁芯堆叠中磁特性值与位置相关。

除了静磁效应以外，在淬火炉中的堆叠加热还有其它的缺点：随着磁芯重量的增加，结晶过程中放出的热只能够不完全地向环境释放。其结果导致堆叠的磁芯过热，这种过热可能导致较低的磁导率并且导致高的矫顽磁场强度。为了克服这些问题必须置于在进入结晶的的范围，也就是约450℃的温度进行非常长时间的加热，这是不经济的。在此典型升温速度在0.1至0.2K/min，由此仅运行达到490℃的范围就要7个小时之久。

可以较比经济地实现的对淬火炉中堆叠加热的可供选择的大技术替代方案在于直通加热单个的分开的电流变换器芯。通过由所述直通方法分散电流变换器芯为每个单个的电流变换器芯创建相同的静磁和热力学条件。

对于直通加热典型的快速升温速度本身可以在分散的磁芯的情况下导致放热的热进程，这可以随着芯重量而损害磁体特性。这种效应可以通过慢的加热对抗。

然而因为延迟加热会导致不经济地加倍直通路段的长度，这个问题可以通过引入用良好导热的金属的吸热的基底(热沉)解决或者通过金属的或者陶瓷的粉末床解决。事实表明，铜板特别适用，因为铜板有高的热容和非常高的传导率。由此可以对磁芯在额侧刻吸取放热产生的结晶热。此外这种热沉降低了芯的实际加热速率，由此可以进一步地限制放热的过温。

所述热沉的热容例如可以通过改变板厚适配芯的质量和高度。在理想的匹配情况下可以如此在一个宽的重量范围上得突出的磁特性值(μ_max(50Hz)＞350000；μ₄＞90000)。在如本发明所述的制造情况下，如图7所示这进一步地考虑至今用NiFe或者用纳米晶体材料制造的带有平坦的磁滞回线的电流变换器芯。

图1示意地图示出一个用于实施如本发明所述的热处理的塔炉。在此所述塔炉有一个炉壳，其中热处理区竖直地伸展。在此不堆叠的非晶电流变换器芯通过一个竖直伸展的传送带穿过一个竖直伸展的热处理区传送。

在此所述竖直伸展的传送带具有垂直于传送带的热沉，所述热沉用有较高的热容的材料制造，优选地用铜制造。在此所述电流变换器芯以其额面贴放在接触面上。在此所述竖直伸展的热处理区划分成多个分开的加热区，所述加热区设有分开的加热控制装置。

图1中具体示出：加热物品取出装置104、保护气体闸105、110、加热物品进料装置109、带有还原性气体或者钝化保护气体的热处理区107、结晶区133、加热区134、老化区106、传送带108、炉壳132、作为电流变换器芯102的执热沉的接触面103、保护气体闸101。

图2中示出这样的炉的另一个实施方式。在此所述炉的构形仍然是一种塔炉，然而其中热处理区却是水平伸展的。在此所述水平伸展的热处理区还是划分成多个分开的加热区，所述加热区设有分开的加热控制装置。作为穿过该水平伸展的热处理区传输不堆叠的非晶环带芯的装置还是一个，但是优选地多个，绕所述塔炉轴线旋转的接触面平板，所述接触面平板起热沉的作用。

所述接触面平板还是全部或者部分地用较高热容和较高热导率的材料构成，所述磁芯以其额面贴放在接触面上。

图2详细中示出：作为热沉的旋转的接触面111、电流变换器芯112、加热物品进料装置113、带有还原性气体或者钝化保护气体的热处理区114、热处理区115、结晶区116、热处理区117、老化区118、带有还原性气体或者钝化保护气体的加热室120、加热物品取出装置121保护气体闸119。

图3最后示出一个炉的一个第三实施方式，其中所述炉壳具有一个水平直通炉的构形。该实施方式是特别优选的，因为这样一种炉与以上说明的两个炉相反，其可以用较低的成本制造。

在此把实施成环带芯的电流变换器芯通过一个传送带传送过所述水平伸展的热处理区，其中所述传送带优选地还是设有起热沉作用的接触面。特别优选地在此还是铜板。在传送装置的一个可供选择的替代扩展中，所述平板用辊子引导穿过所述炉壳作为热沉。

如从图3可以看出，所述水平伸展的热处理区还是划分成多个分开的加热区，所述加热区设有分开的加热控制装置。具体地在图3中示出：带有钝性气体的吹净区122、热处理区123、、结晶区124、热处理区125、老化区126、冷却区127、带有钝性气体的吹净区128、电流变换器芯129、带有保护气体的热处理区130传送带131。

图4大致示出一个电流变换器，所述电流变换器带有一个电流变换器芯1、一个初级电流线2以及一个以线圈形式绕在所述电流变换器芯上的次级导线3。所述电流变换器芯1构成为一种圆环并且具有在图中所示的直径Da(外径)和Di(内径)。在此所述Da和Di基于所述芯的磁性材料。如前文已经说明，所述芯的特点在于小的Da/Di比，其中Da/Di＜5，甚至＜1.25。在此，只能够用如本发明所述的热处理方法无张力和/或形变地制造具有这样小的直径比由纳米晶体材料制造的电流变换器芯。

初级导线2一方面可以被构成为穿过所述电流变换器的单个导线，另一方面作为可供选择的替代还可以构成为类似于次级导线3的绕组。

图5示出一个如图4中三维图示的电流变换器的电原理图，其中相同的标号指代相同的元件。

图6用第一曲线4示出初级磁场H_prim的场强。第二曲线5示出感应的反向磁场或者说电流变换器场H_sek，而第三曲线6示出在电流变换器芯中的通量密度。

在图中除了相位误差φ以外，还示出H_prim与H_sek之间的角差。

下面说明一些选取的实施例，用这些实施例表明本发明对现有技术的比较：

例1：根据现有技术用玻莫合金以87％的填充系数和7，45g的重量制造尺寸为11×16×5.5mm的一种电流变换器芯。从图7(曲线1)读出的磁导率在μ4＝170,000。根据图9a(曲线11)在初级绕组数为1和次级绕组数2500并且负载电阻12.5Ω时在60A的额定电流的情况下只在一个非常有限的电流范围达到如根据本发明的例3那样的精度：最大可映射的电流范围由于0.74T的较低的饱和感应强度只能够达75A；在1A以下相时于例3相位误差φ以不可接受的方式上升。

例2：用Fe_75.5Cu₁Nb₃Si_12.5B₈合金卷制一个尺寸为47×38×5mm(填充系数80％)的芯。热处理在一个淬火炉中按堆叠加热进行，其中结构老化和平衡磁致伸缩在567℃的温度下进行1小时。接着在横向场下于422℃的温度进行3小时的热处理。然而为了避免放热造成的过热在430℃至500是用0.1℃/min速度加热。由此整个在H₂中进行的热处理持续约19小时，然而却还是非常不经济的。由于在加热过程中力的作用导致如图8c中所示的芯形状。由于对应于现有技术的横向场，并且由于由场力造成的机械损伤相对小，根据从图7(曲线12)磁导率在μ₄＝140,000。根据图9a(曲线22)该芯远差于现有技术的晶体从而摒弃不用，因为所述电流变换器的相位角在一个宽的电流范围内过大。

例3：把组成为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_12.5B₈的快速凝固带切成6mm宽度，用MgO保护隔离并且无张力地卷制成一个尺寸为23.3×20.8×6.2mm(填充系数80％)且Da/Di之比很小的环带芯。接着把该3.16克重的芯在一个如图3所示的水平的直通炉中热处理，在此全部热处理时间为43分钟。作为支架采用4mm厚的铜板。在此从结晶区中的440℃的温度下上升到老化区中的568℃的温度，并且在该温度保持恒定20分钟。在图7中(曲线13)中示出的材料的磁导率在μ₄＝276,000。所述芯通过一种塑料树脂覆层无张力地固定并且根据图4绕有一个匝数N_sec＝2500的次级线圈，并且根据图5接有一个12.5Ω的负载电阻。最终获得的电流变换器非常适合于60A的额定电流。其中由于高Bs＝1.22T的饱和感应强度可以有达到129A的最高可映射的电流范围。如借助于图9a(曲线23)可看出的最高相位误差φ在0.17°。

例4：把同样的合金卷成为尺寸为47×38×5mm的芯。然而热处理却按堆叠加热在一个淬火炉中进行，其中结构老化和平衡磁致伸缩的热处理在567℃的温度下进行1小时。然而为了避免过变放热，在440℃与500℃之间以0.1℃/min的速度极慢地升温加热。由此全部热处理持续大约16小时因而是非常不经济的。由于在淬火炉中芯堆叠的机械压力因其几何形状机械上非常不稳定的芯如图8b所示表现出形变。由于这种损害和静磁的椎叠效应磁导率非常低并且如图7(曲线14)所示在μ₄＝77,000。从而这种芯差于现有技术的晶体并且加以摈弃，因为根据图9b(曲线24)相位误差φ过大。

例5：把组成为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si₁₄B_8.5的快速凝固带切成6mm宽度，用MgO保护隔离并且无张力地卷制成一个尺寸为23.3×20.8×6.2mm(填充系数80％)且Da/Di之比很小的环带芯。接着把该3.16克重的芯在一个如图3所示的水平的直通炉中热处理，在此全部热处理时间为43分钟。作为支架采用8mm厚的铜板。在此结晶区的温度是462℃并且在老化区中的温度是556℃。在图7中曲线15中示出的材料的磁导率在μ₄＝303,000。所述芯封装在塑料槽中，根据图4绕有一个匝数N_sec＝2500的次级线圈，并且根据图5接有一个12.5Ω的负载电阻。最终获得的电流变换器极其适用于60A的额定电流。其中由于高Bs＝1.22T的饱和感应强度可以有达到132A的最高可映射的电流范围。如借助于图9b(曲线25)可看出的相位误差φ最高在0.12°。

例6：把组成为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si₁₄B_8.5的快速凝固带切成6mm宽度，用MgO保护隔离并且如例2和例4那样无张力地卷制成一个尺寸为47×38×5mm(填充系数80％)且Da/Di之比很小的环带芯。接着把该芯在一个如图3所示的水平的直通炉中热处理，在此金部热处理时间为180分钟。作为支架采用2mm厚的铜板。在此结晶区的温度是455℃并且在进行150分钟的老化区中的温度是545℃。在图7中曲线16中示出的材料的磁导率在μ₄＝160,000。如图8a所示在直通加热以后该芯保持圆形。

所述芯用CVD方法包裹上一个薄的塑料层，并且根据图4绕有一个匝数N_sec＝2500的次级线圈并且根据图5接有一个12.5Ω的负载电阻。最终获得的电流变换器极其适用于60A的额定电流。其中由于高的Bs＝1.3T的饱和感应强度可以有达到172A的最高可映射的电流范围。如借助于图9b(曲线26)可看出的相位误差φ最高在0.27°。

例7：把组成为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si₁₄B_8.5的快速凝固带切成6mm宽度，用MgO保护隔离并且如例2和例4那样无张力地卷制成一个尺寸为47×38×5mm(填充系数80％)且Da/Di之比很小的环带芯。接着把该芯在一个如图3所示的水平的直通炉中热处理。采用6mm厚的铜板作为支架。在此用5分钟穿过整个加热区。调节的温度为490℃。该芯保持对应于图8a的圆的几何形状。磁导率与例6的磁导率可较。

所述芯通过浸渍环氧树脂固定并且如例6中那样进一步加工成电流变换器。对应地所述电流变换器数据与例6所说明的电流变换器数据可以相比较。

Claims (28)

1.电流变换器芯，所述芯的外径Da与芯的内径Di之比小于1.5，该电流变换器芯具有饱和磁致伸缩系数λs≤|4|ppm以及圆滑的磁滞回线，该圆滑的磁滞回线的参数为：0.50≤Br/Bs≤0.85以及H_cmax≤20mA/cm，其中所述电流变换器芯由软磁的铁基合金构成，所述软磁的铁基合金结构的至少50％由平均料颗粒大小为100nm或者以下的细小微晶颗粒构成，并且所述铁基合金主要具有以下的组成：

(Fex-aCoaNib)_xCu_yM_zSi_vB_w

其中M是选自V、Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti、Mo的组中的一种元素或者是其中某些元素的组合，并且：

x+y+z+w＝100％，和

Fe+Co+Ni＝x＝100％-y-z-v-w

Co    a≤1.5％

Ni    b≤1.5％

Cu    0.5≤y≤2％

M     1≤z≤5％

Si    6.5≤v≤18％

B     5≤w≤14％

其中v+w＞18％。

2.如权利要求1所述的电流变换器芯，所述电流变换器芯具有一个饱和磁致伸缩系数λs≤|2|ppm和圆滑的磁滞回线，该圆滑的磁滞回线的参数为：0.50≤Br/Bs≤0.70以及H_cmax≤10mA/cm，其中所述电流变换器芯由一种软磁的铁基合金构成，所述合金结构的至少50％由平均料颗粒大小100nm或者以下的细小微晶颗粒构成，并且所述铁基合金主要具有以下的组成：

(Fe_x-aCo_aNi_b)_xCu_yM_zS_vB_w

其中M是选自V、Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti、Mo的组中的一种元素或者其中某些元素的组合，并且：

x+y+z+w＝100％，和

Fe+Co+Ni＝x＝100％-y-z-v-w

Co    a≤0.5％

Ni    b≤0.5％

Cu    0.75≤y≤1.25％

M     2≤z≤3.5％

Si    13≤v≤16.5％

B      5≤w≤9％

其中20≤v+w≤25％。

3.如权利要求2所述的电流变换器芯，其中，所述电流变换器芯具有一个饱和磁致伸缩系数λs≤|0.8|ppm和圆滑的磁滞回线，该圆滑的磁滞回线的参数为：0.65≤Br/Bs≤0.50以及H_cmax≤10mA/cm，其中所述电流变换器芯由一种软磁的铁基合金构成，所述合金结构的至少50％由平均料颗粒大小为100nm或者以下的细小微晶颗粒构成，并且所述铁基合金主要具有以下的组成：

(Fe_x-aCo_aNi_b)_xCu_yM_zSi_vB_w

其中M是一个V、Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti、Mo的组中的一种元素或者是其中某些元素的组合，并且：

x+y+z+w＝100％，和

Fe+Co+Ni＝x＝100％-y-z-v-w

Co    a≤0.5％

Ni    b≤0.5％

Cu    0.75≤y≤1.25％

M     2≤z≤3.5％

Si    13≤v≤16.5％

B     5≤w≤9％

其中20≤v+w≤25％。

4.如权利要求1至3之一所述的电流变换器芯，所述电流变换器芯具有μ₄＞90,000。

5.如权利要求1至3之一所述的电流变换器芯，所述电流变换器芯具有μ_max＞350,000。

6.如权利要求1至3之一所述的电流变换器芯，所述电流变换器的的饱和感应强度为Bs≤1.4特拉斯。

7.如权利要求1至3之一所述的电流变换器芯，所述电流变换器芯的相位误差小于1°。

8.如权利要求1至3所述的电流变换器芯，所述电流变换器芯被构成为环带芯，具有至少一个初级绕组和至少一个次级绕组。

9.环形电流变换器芯的制造方法，所述电流变换器芯由一种软磁的铁基合金构成，所述芯外径D与芯内径Di之比小于1.5，其中所述合金结构的至少50％由平均料颗粒大小100nm或者以下的细小微晶颗粒构成，该方法包括以下步骤：

a)制备一种合金熔液；

b)借助于快速凝固技术由所述合金熔液制造一种非晶合金带；

c)无张力地把所述非晶带卷成非晶电流变换器芯；

d)在最大程度排除磁场影响的条件下，在形成纳米晶体的电流变换器芯的实施过程中对不堆叠的非晶电流变换器芯进行热处理。

10.如权利要求9所述的方法，其中，在惰性气体环境中进行所述热处理。

11.如权利要求9所述的方法，其中，在还原性气体环境中进行所述热处理。

12.如权利要求9至11之一所述的方法，其中，在卷绕之前，以电绝缘方式涂覆所述非晶带。

13.如权利要求9至12之一所述的方法，其中，在卷绕之后，把所述电流变换器芯浸渍在绝缘材料中。

14.如权利要求9至13之一所述的方法，在高热容和高热导率的热沉上对不堆叠的非晶电流变换器芯进行热处理。

15.如权利要求14所述的方法，其中，采用一种金属或者一种金属合金、一种金属粉末或者一种陶瓷作为所述热沉的材料。

16.如权利要求15所述的方法，其中，采用铜、银或者一种导热性好的钢作为所述金属或者金属粉末。

17.如权利要求15所述的方法，其中，采用一种陶瓷粉末作为热沉材料。

18.如权利要求15或17所述的方法，其中，采用氧化镁、氧化铝或者氮化铝作为作为陶瓷或者陶瓷粉末。

19.如权利要求9至18之一所述的方法，其中，在大约440℃至大约620℃的温度区间内进行热处理。

20.如权利要求19所述的方法，其中，使热处理在500℃至约600℃之间在长达150分钟的时间内保持一个恒定温度。

21.如权利要求20所述的方法，其中，以0.1K/Min至100K/Min的升温速度达到所述恒定温度。

22.如权利要求19所述的方法，其中，在440℃和620℃的范围的所述热处理中包括一个第一升温阶段和一个第二升温阶段，所述第二升温阶段的升温速度低于第一升温阶段的升温速度。

23.如权利要求11至14所述的方法，其中，在热处理区整体的逗留时间为5至180分钟。

24.如权利要求9至23之一所述方法制造的电流变换器芯，所述电流变换器的相位误差小于1°。

25.如权利要求24所述的电流变换器芯，所述电流变换器芯具有μ₄＞90,000。

26.如权利要求25或26所述的电流变换器芯，所述电流变换器芯具有μ_max＞350,000。

27.如权利要求24至26之一所述的电流变换器芯，所述电流变换器的饱和感应强度Bs为1.1至1.4特拉斯。

30.如权利要求24至29之一所述的电流变换器芯，所述电流变换器具有相应于K_ges＜2J/m³的总的磁各向异性。

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