TWI446377B - 配電用非晶質變壓器 - Google Patents

Description

配電用非晶質變壓器

本發明係有關具備由非晶質合金薄帶所構成的鐵心及繞線之變壓器，尤其是有關以鐵心材質及鐵心燒鈍處理為特徵之配電用非晶質變壓器。

習知以來，使用非晶質合金來作為鐵心材料之非晶質變壓器係為眾所皆知的。其係層疊非晶質合金薄帶後再彎曲為U字狀，使兩前端部接合或重疊，以構成捲鐵心，在與使用習知之電磁鋼板的變壓器相較，可以使鐵損變得更小。

然而，就捲鐵心的構造而言，當彎曲材料時會產生應力，由於以該應力為原因而使磁氣特性惡化，因此在對鐵心施予磁場中的燒鈍處理，必須解放應力以改善特性。雖然此點在非晶質合金及電磁鋼板中都是同樣須要的，但是在非晶質合金中，藉由進行燒鈍處理，促使原材料內部開始再結晶化，而此係會招致脆化。此時，燒鈍條件係與合金組成必須維持一定關係，在習知材料之Metglas(R)2605SA1中，係為進行超過330℃，且燒鈍時間為30分鐘以上的燒鈍。又在專利文獻1(日本特開昭58-34162號公報)中係採用單獨的式子，決定其燒鈍條件。

雖然本案申請人之一人開發出利用與習知之一般材料不同的組成，使飽和磁通密度為高，且更低損失之非晶質合金，並進行專利申請中，但是關於這個新材料的專利案，係主要針對組成加以敘述，對於詳細的燒鈍條件並未觸及。但是，由於組成不同，上述非晶質合金係有可能不同於習知的燒鈍。

因此，在本發明中，係對於新材料選定了最適合的燒鈍條件，並以提供較習知之採用非晶質合金的變壓器更低損失的配電用非晶質變壓器為目的。

本發明係針對具備由非晶質合金薄帶所構成之鐵心及繞線之配電用非晶質變壓器，前述鐵心係被施予燒鈍處理，以使鐵心成形後之燒鈍時的鐵心中心部溫度為300～340℃，而且達到0.5h以上的保持時間之配電用非晶質變壓器。

又本發明之前述鐵心係使鐵心成形後之燒鈍時的磁場強度為800A/m以上之配電用非晶質變壓器。

再者，本發明之前述非晶質合金薄帶，係使非晶質合金藉由合金組成FeaSibBcCd(Fe為鐵、Si為矽、B為硼、C為碳)加以表示，並且由原子%為80≦a≦83%、0＜b≦5%、12≦c≦18%、0.01≦d≦3%及不可避的雜質加以構成者為佳，若是利用該組成之非晶質合金薄帶的話，可以得到高Bs及角形性優，即使燒鈍溫度為低也可以得到特性較習知材料更優的鐵心。當測量非晶質合金薄帶的自由面及滾壓面之從表面到內部的C濃度分布時，以在2～20nm深度範圍內存在有C濃度分布的峰值者作為配電用非晶質變壓器用的非晶質合金薄帶為佳。

以下說明限定組成的理由。為了簡單化，在以下記載為%者係為表示原子%。

當Fe量a少於80%時，就鐵心材料而言，無法得到充分的飽和磁通密度，又在超過83%以上的話會降低熱安定性，而無法製得穩定的非晶質合金薄帶。再者，即使利用Co、Ni之1種或2種元素置換Fe量的50%以下亦可，為了得到高飽和磁通密度，將Co的置換量為40%以下，Ni的置換量為10%以下為佳。

Si量b係為有助於非晶質生成能力的元素，為了提高飽和磁通密度，以5%以下為佳。

B量c係為最有助於非晶質生成能力的元素，未滿8%的話則使熱安定性降低，但即使添加超過18%的話，也不見非晶質生成能力等的改善效果。又，對於保持高飽和磁通密度之非晶質的熱安定性而言，以12%以上為佳。

C係具有提高角形性及飽和磁通密度的效果，在C量d未滿0.01%的話，幾乎沒有效果，但較3%更多時會造成脆化及降低熱安定性。

又也可以含有0.01～5%的Cr、Mo、Zr、Hf、Nb之1種以上的元素，選自含有0.50%以下的Mn、S、P、Sn、Cu、Al、Ti之至少1種以上的元素來作為不可避免的雜質亦可。

再者，本發明之前述非晶質合金薄帶，係為使原子%所表示之Si量b及C量d滿足b≦(0.5×a-36)×d^1/3 之配電用非晶質變壓器。

又本發明係為使前述非晶質合金薄帶在退火後之飽和磁通密度為1.60T以上之配電用非晶質變壓器。

再者，本發明係為使前述鐵心在退火後之外部磁場80A/m的磁通密度為1.55T以上之配電用非晶質變壓器。

進一步本發明係為使前述鐵心在退火後之磁通密度1.4T、頻率50Hz的環形試料之鐵損W_14/50 為0.28W/Kg以下之配電用非晶質變壓器。

又本發明係為使前述鐵心在退火後之破壞應變(fracture strain)ε為0.020以上之配電用非晶質變壓器。

若是根據本發明的話，針對利用不同於習知的一般材料之FeSiBC(Fe為鐵、Si為矽、B為硼、C為碳)的組成，使飽和磁束密束為高，且更低損失的非晶質合金，可以提供由即使燒鈍溫度為低也能夠使特性較習知材料更優之鐵心所構成之配電用非晶質變壓器。

以下，針對用以實施本發明之最佳形態加以說明。

針對本發明之配電用非晶質變壓器的實施例，參照圖面加以說明。

[實施例1]

以下，說明實施例1。本實施例之配電用非晶質變壓器，其係具備：層疊非晶質合金薄帶後彎曲為U字狀，並接合或重疊兩前端之鐵心、及繞線。

用於本實施例的鐵心之非晶質合金薄帶，係使非晶質合金藉由合金組成FeasibBcCd(Fe為鐵、Si為矽、B為硼、C為碳)加以表示，並且由原子%為80≦a≦83%、0＜b≦5%、12≦c≦18%、0.01≦d≦3%及不可避的雜質加以構成，而且當測量非晶質合金薄帶的自由面及滾壓面之從表面到內部的C濃度分布時，在2～20nm深度範圍內存在有C濃度分布的峰值。再者，鐵心成形後之燒鈍時的鐵心中心部溫度為320±5℃，並被施予60±10分鐘的燒鈍。鐵心成形後之燒鈍時的磁場強度為800A/m以上。

本實施例之非晶質合金薄帶，係使原子%所表示之si量b及C量d滿足b≦(0.5×a-36)×d^1/3 為佳。如第4圖所示，雖然依存C量，但是對於一定的C量而言，藉由使b/d變小，提高應力緩和度，且可以形成磁束飽和密度高的組成，因此最適合用來作為電力用變壓器材料。再者，也可以抑制添加高C量時之脆化或表面結晶化、熱安定性降低的問題。

本實施例的鐵心係使退火後之外部磁場80A/m的磁通密度為1.55T以上。又本實施例的鐵心係使退火後之磁通密度1.4T、頻率50Hz的環形試料之鐵損W_14/50 為0.28W/Kg以下。再者，本實施例的鐵心係使退火後之破壞應變(fracture strain)ε為0.020以上。

針對本實施例之非晶質變壓器的鐵心燒鈍條件加以說明。作為實施例的鐵心，係使用藉由合金組成FeaSibBcCd(Fe為鐵、Si為矽、B為硼、C為碳)加以表示，並且由原子%為80≦a≦83%、0<b≦5%、12≦c≦18%所表示之非晶質合金。又作為比較例的鐵心，係使用藉由合金組成FeaSibBcCd(Fe為鐵、Si為矽、B為硼、C為碳)加以表示，並且由原子%為76≦a≦81%、5≦b≦12%、8≦c≦12%、0.01≦d≦3%及不可避的雜質所表示之非晶質合金。在不同條件下施予燒鈍處理。燒鈍時間為1個小時。第1圖中之橫軸為燒鈍溫度，縱軸為處理後所得到的保持力Hc。第2圖中之橫軸為燒鈍溫度，縱軸為使被稱為B80之燒鈍時的磁化力成為80A/m時之磁通密度。被用於實施例鐵心及比較例鐵心之非晶質合金兩者都根據燒鈍條件而使得到的磁氣特性有所改變。將本實施例的非晶質合金與比較例相較，即使燒鈍溫度為低，也可以使保持力Hc變低。實施例的非晶質合金係以燒鈍溫度為300～340℃為良好，尤其是以300～330℃範圍為更好。又針對B80而言，在實施例的非晶質合金與比較例相較後可以變高，而且即使燒鈍溫度為低也可以得到良好的特性。實施例的非晶質合金係以燒鈍溫度為310～340℃為良好。因此，為了使兩種磁氣特性都達到良好，實施例的非晶質合金係以燒鈍溫度為310～330℃為佳。該燒鈍溫度係較比較例中的非晶質合金更低20～30℃程度。就燒鈍溫度變低而言，由於可以使燒鈍處理中所使用的能源消耗變低，因此實施例的非晶質合金具有此項優點。

又比較例中的非晶質合金係在該燒鈍溫度下無法得到良好的磁氣特性。

又燒鈍時間以0.5h以上為佳。未滿0.5h時，無法得到充分的特性。又當超過150分鐘時，也無法得到已消耗的能源所得到的特性。尤其是，以40～100分鐘為佳，以50～70分鐘為更佳。

第3圖係為具備實施例之非晶質合金所構成的鐵心之變壓器特性(鐵損)，進行A～E之5種圖案及燒鈍條件的變化。在此，圖案C及D係為使用上述比較例或是與其相近的材料之例子，無論任何一個都使鐵損較圖案A及B更劣化。換言之，與第1圖所確認的傾向相同。又圖案A及B係為改變燒鈍中之所施加的磁場強度後加以比較的實施例。可以清楚得知即使施加了800A/m以上的磁場強度，對於鐵損也幾乎沒有改變。由於圖案B係必須流通更多的電流，因此最適合的燒鈍條件係為圖案A。又可以得知施加未滿800A/m之磁場強度的話，會使鐵損增大。又在圖案E中，與圖案A相較下，雖然鐵損稍些劣化，但是作為燒鈍條件還是合適的。

[實施例2]

其次針對實施例2加以說明。本實施例2的非晶質變壓器係與實施例1相較，為非晶質合金薄帶的材料不相同，非晶質合金係藉由合金組成FeaSibBcCd(Fe為鐵、Si為矽、B為硼、C為碳)加以表示，並且由原子%為80≦a≦83%、0＜b≦5%、12≦c≦18%、0.01≦d≦3%及不可避的雜質加以構成，並使退火後之飽和磁通密度為1.60T以上。除此之外的數值係與實施例1相同。又對應於燒鈍條件的磁氣特性等也大致與實施例1相同。

第1圖係為實施例1的開發材料之燒鈍條件及磁氣特性1的說明圖。

第2圖係為實施例1的開發材料之燒鈍條件及磁氣特性2的說明圖。

第3圖係為具備實施例1的開發材料之鐵心的非晶質變壓器之燒鈍條件及磁氣特性的說明圖。

第4圖係為顯示Si量b、C量d、與應力緩和度、破壞應變之關係的說明圖。

Claims (7)

1. 一種配電用非晶質變壓器，係具備積層有非晶質合金薄帶的鐵心、及繞線者；其特徵為：前述非晶質合金薄帶，係由非晶質合金之合金組成以FeaSibBcCd(Fe為鐵、Si為矽、B為硼、C為碳)加以表示，原子%為80≦a≦83%、0<b≦5%、12≦c≦18%、0.01≦d≦3%及不可避免的雜質構成；前述鐵心被施予燒鈍處理以使鐵心成形後之燒鈍時的鐵心中心部溫度為310~340℃，達到30~150分之保持時間；鐵心成形後之燒鈍時的磁場強度為800A/m以上。
2. 如申請專利範圍第1項之配電用非晶質變壓器，其中前述非晶質合金薄帶，以原子%表示時，Si量b及C量d係滿足b≦(0.5×a-36)×d^1/3 。
3. 如申請專利範圍第1或2項之配電用非晶質變壓器，其中，前述非晶質合金薄帶之燒鈍後的飽和磁通密度為1.60T以上。
4. 如申請專利範圍第1或2項之配電用非晶質變壓器，其中，當測量前述非晶質合金薄帶的自由面及滾壓面之從表面到內部的C濃度分布時，在2~20nm深度範圍內存在有C濃度分布的峰值。
5. 如申請專利範圍第1或2項之配電用非晶質變壓器，其中，前述鐵心之燒鈍後之外部磁場80A/m的磁通 密度為1.55T以上。
6. 如申請專利範圍第1或2項之配電用非晶質變壓器，其中，前述鐵心，其之燒鈍之磁通密度為1.4T、頻率50Hz的環形試料之鐵損W_14/50 為0.28W/Kg以下。
7. 如申請專利範圍第1或2項之配電用非晶質變壓器，其中，前述鐵心之燒鈍後的破壞應變(fracture strain)ε為0.020以上。