RU2041514C1

RU2041514C1 - Transformer

Info

Publication number: RU2041514C1
Application number: RU92010326A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Стародубцев; В.И. Кейлин; В.Я. Белозеров
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Гамма"
Priority date: 1992-12-07
Filing date: 1992-12-07
Publication date: 1995-08-09

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: proposed transformer has one or more strip-wound cores made of iron base magnetic alloy and several windings inductively coupled with cores; magnetic alloy has components in following proportion; at. percent: copper 0.5-2.0; one or more components of group containing niobium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, vanadium 2-5; silicon 5-18; boron 4-14; iron the rest. EFFECT: improved design of core. 11 cl, 7 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе железа, из которых изготавливают сердечники трансформаторов тока, силовых трансформаторов источников вторичного питания и высокочастотных трансформаторов различного назначения. The invention relates to metallurgy, in particular to iron-based magnetic alloys, from which the cores of current transformers, power transformers of secondary power sources and high-frequency transformers for various purposes are made.

Для трансформаторов тока, работающих в области слабых магнитных полей, важнейшим показателем является высокая индуктивность сердечника, которая линейно связана с начальной магнитной проницаемостью. Высокая индуктивность обеспечивает повышенную точность работы трансформатора тока. В силовых трансформаторах источников вторичного питания необходимо иметь сердечники с высокой магнитной проницаемостью и низкими магнитными потерями в области частот порядка 10 кГц. For current transformers operating in the field of weak magnetic fields, the most important indicator is the high inductance of the core, which is linearly related to the initial magnetic permeability. High inductance provides increased accuracy of the current transformer. In power transformers of secondary power sources, it is necessary to have cores with high magnetic permeability and low magnetic losses in the frequency range of about 10 kHz.

Известны трансформаторы, сердечники которых изготовлены из электротехнической стали и сплавов типа 45 НП с начальной магнитной проницаемостью до 4000 А/м [1]
Известен трансформатор, выбранный в качестве прототипа, сердечник которого изготовлен из аморфного сплава на основе железа с начальной магнитной проницаемостью 10000 А/м. Состав сплава определяется областью на тройной диаграмме железо-бор-кремний. Применение тонкой аморфной ленты (толщина 25 мкм) такого состава позволяет достигнуть хороших характеристик трансформаторов в области высоких частот [2]
С целью улучшения электромагнитных характеристик трансформаторов предложен трансформатор, в котором магнитопровод изготовлен из магнитного сплава на основе железа, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат. медь 0,5-2,0; один или несколько компонентов из группы, содержащей ниобий, тантал, вольфрам, молибден, хром, ванадий, 2-5; кремний 5-18; бор 4-12; железо остальное. Для получения наиболее высоких электромагнитных характеристик трансформатора сплав должен иметь структуру, в которой не менее 50% кристаллитов размером менее 100 нм.Known transformers, the cores of which are made of electrical steel and alloys of type 45 NP with an initial magnetic permeability of up to 4000 A / m [1]
A known transformer selected as a prototype, the core of which is made of an amorphous alloy based on iron with an initial magnetic permeability of 10,000 A / m. The composition of the alloy is determined by the region in the ternary diagram of iron-boron-silicon. The use of a thin amorphous tape (thickness 25 μm) of this composition allows us to achieve good characteristics of transformers in the high frequency region [2]
In order to improve the electromagnetic characteristics of transformers, a transformer is proposed in which the magnetic circuit is made of a magnetic alloy based on iron containing components in the following ratio, at. copper 0.5-2.0; one or more components from the group comprising niobium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, vanadium, 2-5; silicon 5-18; boron 4-12; iron the rest. To obtain the highest electromagnetic characteristics of the transformer, the alloy must have a structure in which at least 50% of crystallites with a size of less than 100 nm.

Одним из вариантов изобретения является трансформатор, у которого сердечник изготовлен из сплава, содержащего медь, ниобий, молибден или хром или вольфрам, кремний, бор, железо основа. Присутствие в сплаве молибдена, хрома, вольфрама позволяет сформировать на поверхности ленты оксидную пленку этих элементов, которая препятствует внутреннему окислению, а следовательно, позволяет получить сердечники с высокими магнитными свойствами. One embodiment of the invention is a transformer, in which the core is made of an alloy containing copper, niobium, molybdenum or chromium or tungsten, silicon, boron, an iron base. The presence of molybdenum, chromium, and tungsten in the alloy makes it possible to form an oxide film of these elements on the surface of the tape, which prevents internal oxidation and, therefore, allows the production of cores with high magnetic properties.

Для получения наиболее высокой магнитной проницаемости предпочтительно, чтобы содержание кремния находилось в интервале 12-15 ат. а содержание бора 8 10 ат. To obtain the highest magnetic permeability, it is preferable that the silicon content is in the range of 12-15 at. and the boron content is 8 10 at.

После нанесения обмотки на сердечник, пропитки или проведения других операций в сердечнике могут возникнуть сжимающие напряжения, ухудшающие магнитные свойства. Для получения сердечника с низкой чувствительностью к внешним механическим воздействиям предпочтительно, чтобы содержание кремния в сплаве находилось в интервале 14-17 ат. а содержание бора 6-8 ат. After applying the winding to the core, impregnating or performing other operations, compressive stresses may occur in the core that impair the magnetic properties. To obtain a core with low sensitivity to external mechanical stresses, it is preferable that the silicon content in the alloy is in the range of 14-17 at. and the content of boron is 6-8 at.

Для силовых трансформаторов предпочтительно использовать сплавы с высокой индукцией насыщения. Для этого необходимо, чтобы содержание кремния находилось в интервале 7-11 ат. а содержание бора 9-11 ат. For power transformers, it is preferable to use alloys with high saturation induction. For this, it is necessary that the silicon content is in the range of 7-11 at. and the content of boron is 9-11 at.

П р и м е р ы. В табл. 1 приведены результаты испытания сердечников размером 32 х 20 х 10 мм, изготовленных из ленты толщиной 25 ± 3 мкм магнитного сплава Fe_72,5Cu₁Nb₂M₂Si_13,5B₉, где М Nb, Ta, W, Mo, Cr, V. Отжиг сердечников проводили на воздухе по оптимальному для каждого сплава режиму. Из табл. 1 следует, что наиболее высокая проницаемость получается в сердечниках из сплава, в котором присутствуют элементы Mo, Cr, W, образующие на поверхности ленты оксидную пленку.EXAMPLES In the table. 1 shows the results of testing cores 32 x 20 x 10 mm in size, made of a tape 25 ± 3 μm thick of a magnetic alloy Fe _72.5 Cu ₁ Nb ₂ M ₂ Si _13.5 B ₉ , where M Nb, Ta, W, Mo, Cr, V. Annealing of the cores was carried out in air according to the optimal regime for each alloy. From the table. 1, it follows that the highest permeability is obtained in the cores of an alloy in which Mo, Cr, W elements are present, which form an oxide film on the surface of the tape.

В табл. 2 представлены результаты испытания сердечников, изготовленных из сплава Fe_75,5-6Cu₁ (Mo_xNb_1-x)_bSi_13,5B₉. Режим отжига сердечников 32 х 20 х 10 мм на воздухе при 540^оС 1 ч. Из табл. 2 следует, что оптимальным для получения наибольшей начальной магнитной проницаемости μ_o является отношение молибдена к сумме компонентов молибден и ниобий 0,5.In the table. 2 shows the results of testing cores made of an alloy of Fe _75.5-6 Cu ₁ (Mo _x Nb _1-x ) _b Si _13.5 B ₉ . The mode of annealing of the cores 32 x 20 x 10 mm in air at 540 ^about 1 hour. From the table. 2 it follows that the ratio of molybdenum to the sum of the components of molybdenum and niobium 0.5 is optimal for obtaining the highest initial magnetic permeability μ _o .

В табл. 3 приведено сравнение магнитных свойств сердечников из сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ и сплава Fe₈,Si₅B₁₄, использованного для изготовления сердечника трансформатора-прототипа.In the table. 3 shows a comparison of the magnetic properties of the cores made of Fe _73.5 Cu ₁ Mo _1.5 Nb _1.5 Si _13.5 B ₉ alloy and Fe ₈ , Si ₅ B ₁₄ alloy used for the manufacture of the prototype transformer core.

В табл. 4 и 5 приведены результаты испытания сердечников из сплава Fe_96-y-ZCu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ после отжига по оптимальному режиму. Из табл. 4 следует, что для получения сердечников с высокой индукцией насыщения необходимо снижать содержание кремния и бора в сплаве. В табл. 5 приведены данные после отжига сердечников и после пропитки их водным раствором натриевого жидкого стекла и сушки при 100^оС в течение 2 ч. Сушка неорганического клея создает сжимающие напряжения в сердечнике, которые снижают магнитную проницаемость и увеличивают магнитные потери. Из табл. 5 следует, что с увеличением отношения кремния к бору чувствительность магнитной проницаемости к сжимающим напряжениям снижается. При этом снижение чувствительности магнитных свойств сердечника к сжимающим напряжениям при одновременном сохранении высокого уровня этих свойств достигается при содержании кремния в интервале 14-17 ат. а бора 6-8 ат.In the table. _Figures 4 and 5 show the results of testing cores made of an alloy Fe _96-yZ Cu ₁ Mo _1.5 Nb _1.5 Si _13.5 B ₉ after annealing according to the optimal regime. From the table. 4 it follows that to obtain cores with high saturation induction it is necessary to reduce the content of silicon and boron in the alloy. In the table. 5 shows the data after the annealing of the cores and then impregnating them with an aqueous solution of sodium water glass and drying at ¹⁰⁰ ° C for 2 hours. The inorganic adhesive Drying creates compressive stresses in the core, which reduce the magnetic permeability and magnetic losses increase. From the table. 5, it follows that with an increase in the ratio of silicon to boron, the sensitivity of magnetic permeability to compressive stresses decreases. Moreover, a decrease in the sensitivity of the magnetic properties of the core to compressive stresses while maintaining a high level of these properties is achieved with a silicon content in the range of 14-17 at. and boron is 6-8 at.

В табл. 6 приведено сравнение токовой и угловой (f, и δ, мин соответственно) погрешностей трансформатора тока. Оба трансформатора имеют одинаковые параметры первичной и вторичной обмоток: W₁ 4, I₁ 300 A; W₂ 240, I₂ 5 A. Нагрузка вторичной цепи 5 ВА. Магнитопроводы изготовлены из сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ и аморфного сплава Fe₈₁Si₅B₁₄ и имеют размеры 140 х x120 х 35 и 130 х 90 х 40 мм соответственно. Из табл. 6 следует, что использование в трансформаторе сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉, несмотря на меньшее сечение сердечника, позволяет снизить токовую и угловую погрешности трансформатора тока.In the table. Figure 6 shows a comparison of the current and angular (f, and δ, min, respectively) errors of the current transformer. Both transformers have the same parameters of the primary and secondary windings: W ₁ 4, I ₁ 300 A; W ₂ 240, I ₂ 5 A. Secondary load of 5 VA. The magnetic cores are made of an alloy of Fe _73.5 Cu ₁ Mo _1.5 Nb _1.5 Si _13.5 B ₉ and an amorphous alloy Fe ₈₁ Si ₅ B ₁₄ and have dimensions 140 x x120 x 35 and 130 x 90 x 40 mm, respectively. From the table. 6 it follows that the use of a Fe _73.5 Cu ₁ Mo _1.5 Nb _1.5 Si _13.5 B ₉ alloy transformer in the transformer, despite a smaller core cross section, reduces the current and angular errors of the current transformer.

Сравним параметры силовых трансформаторов, магнитопроводы которых изготовлены из сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ (1) и сплава Fe₈₁Si₅B₁₄ (2). Заданы следующие характеристики трансформаторов: рабочая частота 20 кГц, напряжение на один виток U/W10B, магнитные потери в сердечнике не более 12 Вт. Этим требованиям удовлетворяют трансформаторы с параметрами, представленными в табл. 7. Из нее следует, что трансформатор с сердечником из сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ имеет массу в 2,5 раз меньшую, чем трансформатор-прототип.Let us compare the parameters of power transformers whose magnetic cores are made of an alloy Fe _73.5 Cu ₁ Mo _1.5 Nb _1.5 Si _13.5 B ₉ (1) and an alloy Fe ₈₁ Si ₅ B ₁₄ (2). The following transformer characteristics are specified: operating frequency 20 kHz, voltage per revolution U / W10B, magnetic losses in the core no more than 12 W. These requirements are met by transformers with the parameters presented in table. 7. It follows that the transformer with the core of the alloy Fe _73.5 Cu ₁ Mo _1.5 Nb _1.5 Si _13.5 B ₉ has a mass of 2.5 times less than the prototype transformer.

Claims

1. A TRANSFORMER consisting of one or more tape cores made of a magnetic alloy containing silicon, boron and iron, and several windings inductively coupled to the cores, characterized in that the magnetic alloy further comprises copper and one or more components selected from groups of niobium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, vanadium, with the following ratio of alloy components, at.

Copper 0.5 2.0
One or more components from the group containing
niobium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, vanadium 2 5
Silicon 5 18
Boron 4 12
Iron Else
2. The transformer according to claim 1, characterized in that the core is made of an alloy with a structure consisting of at least 50% of crystals less than 100 nm in size.

3. The transformer according to claim 1, characterized in that the core is made of a magnetic alloy containing copper, molybdenum, niobium, silicon, boron, iron,
4. The transformer according to claim 3, characterized in that in the magnetic alloy the ratio of the molybdenum content to the sum of the content of molybdenum and niobium is 0.1 to 1.0.

5. The transformer according to claim 3, characterized in that in the magnetic alloy the ratio of the molybdenum content to the sum of the content of molybdenum and niobium is 0.5.

6. The transformer according to claim 3, characterized in that on the surface of the magnetic alloy tape there is a molybdenum oxide film with a thickness of at least 5 nm.

7. The transformer according to claim 1, characterized in that the core is made of a magnetic alloy containing copper, niobium, chromium and / or tungsten, silicon, boron, iron.

8. The transformer according to claim 7, characterized in that on the surface of the magnetic alloy tape there is a film of chromium oxide or tungsten with a thickness of at least 5 nm.

9. The transformer according to claim 1, characterized in that the core is made of a magnetic alloy in which the silicon content is 4 to 17 at. and the content of boron is 6 8 at.

10. The transformer according to claim 1, characterized in that the core is made of a magnetic alloy in which the silicon content is 12 15 at. and the content of boron is 3 at.

11. The transformer according to claim 1, characterized in that the core is made of a magnetic alloy in which the silicon content is 7 11 at. and the boron content is 9 11 at%