TWM356205U - Amorphous alloy core structure and transformer thereof - Google Patents

Description

M356205 八、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 本創作係有關一種非晶質合合 ,,. 鐵〜 '，、吉構及其變屬n ’特別指一種較佳磁特性之非晶 ，、艾“ 器 - 曰曰貝合金鐵心結構及其變壓 【先前技術】 =現代社會科技不斷進步，電 為了因應不同的電力供應，變辦上升而 j格繁多的產品。電力變壓器按用途主 壓、配電、聯絡變壓器等；按相數 ‘、，，一 i降 器兩種或是按照其他規則”為早相、三相變壓 要由繞組基本結構主 效率，_中通常 大 觀，而這種帶鐵心的變壓哭_^做疋共同磁路的具體外 常用的是二':==:!率的軟磁材料製成，最 使用0. 35或〇. 5 半声卬抽耗和渦流損耗，會選擇 變壓器的鐵心，―：都二::矽鋼片疊合而成。而現代電力 冷軋矽鋼片經冷軋力二木：低損耗的冷軋矽鋼片製成， 壓延方向能獲得高低=會具有方向性，使鐵心在 會經過絕緣處理， μ印之特性，且矽鋼片的表面 藉此提高變璧器的^ €間電阻、減少層_流損失， M356205 用時，仍具有以下缺失： 鋼片原材料損耗大裳配後，其損耗會比石夕 故也就無法提升變a器的磁特性W鐵心構造方式而異， 故』程==在行高溫的退火步驟， 的考量。 且"^皿退火更必須注意作業安全上 時的缺失，上24習用的結構裝置於實際施用 驗，浐、、心 從事相關產業開發實務上多年之經 =之=研九，終於提出—種設計合理且有效改善上述問 【新型内容】 本創作之主要目的，&力担 構及其變壓H，該鐵 ^ 合金鐵心海 火人成一封閉的迴圈，且利用趨 人衣私配合外加磁場的作用可以 性。上述製程及相關檢测方法可以應壓：的特 期達成較佳特性的變壓器裝置。α 1 a心’以 為了達到上述目的，本創作係提供一種非晶質合 心結構’包括：―鐵心段，係由複 全^类 彼此叠合形成，每一非晶質合金薄…4片束 非曰-入Mm 專束具有一預定片數的 :貝θ金薄片，其中該些非晶質合金薄片 形成-封閉鐵心迴圈’該封閉鐵心迴圈形成一圍； 封閉鐵心迴圈係藉由結合敎方式及外加磁場方式所ς M356205 成。 本創作更提出一種變壓恶 晶質合金鐵心結搆，其中每:非少兩個並排的非 一鐵心段，苴係由複袁非日日貝合金鐵心結構包括： 八你由複數個非晶質合金 人 成，每一非晶質合金薄片庚1古 '束被此宜5形 薄片，該鐵心段係f折圍！;片數的非晶質合金 鐵心迴圈形成一中空部^ 1 _鐵心迴圈’該封閉 ^ ^ θ 该封閉鐵心迴圈係藉由結合退火 卜加，方式所形成;以及至少—線圈， 二:該兩非晶質合金鐵心結構所相鄰的鐵心段，且穿設 於該兩相鄰之非晶質合金鐵心結構的中空部。 鐵、、=述說明，該變廢器具有形成封閉迴圈的鐵心，該 磁形或圓形鐵心，該鐵心係在退火的同時施加一 豕；。鐵心上，以達提升鐵心的磁特性之目的。 為使能更進-步瞭解本創作之特徵及技術内容，請參 徂失I有!1本創作之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提 、冬/、°兒明用，並非用來對本創作加以限制者。 【實施方式】 百先，請參閱第-圖至第三B圖所示，本創作提出一 種非晶質合金鐵心結構1 〇 ,其包含：—鐵心段丄〇 〇， 係j數個非晶質合金薄片束10 1彼此疊合形成，每一 ，：貝合金薄片束丄0丄具有一預定片數的非晶質合金 =1 〇 1 0。另外，該些非晶質合金薄片束1 0 1所層 且元成的鐵心段1 〇 〇係彎折圍繞，且該鐵心段1 〇 〇藉 M356205 :該鐵心段工Ο 0兩端之連接端部彼 认 形成—封閉鐵心迴圈，且哕封鬥 的鐵心段1〇〇形成具有_中 _且該封閉 該鐵心段1 〇 〇 f作伽：…◦ 2。以下將說明將 U1料成為封閉鐵心迴圈的步驟。 ，本具體實施例中，將五片的非晶質合金薄片工〇工 0、、且成一個非晶質合金薄片束 ^ . 1 π τ π . ¥ m ⑼采101，該非晶質合金薄片 ^係為美國Metglas公司所生產的鐵基非晶質合金 ^產品型號：SA1)。接下來，將複數個非晶質合金薄 片束1 Q 1堆疊起來形成長條形式之鐵心段i Q〇。接 利用鐵心成形模具（包括外模片、内模片、及固定鋼 π等）將該鐵心段！ 〇㈣折成形為—捲鐵心、，該彎折成 型的捲鐵心可約略區分為環型鐵心或圓型鐵心，而在本實 施例中係將該鐵心段丄〇 〇成型為環型鐵心。接下來，再 將該長條型之鐵心段i 〇 〇的兩端進行搭接，以形成封閉 的鐵心迴圈。請參考第三A圖，其中該鐵心段1 〇 〇包括 複數個鐵心側部i 〇 〇 A及複數個鐵心彎折部i 〇 〇 B，而鐵心彎折部1 〇 〇 b係介於兩相鄰鐵心側部1 〇 〇 A之間，且該鐵心段1 〇 〇的兩端則互相交錯重疊搭接形 成鐵心搭接部1 0 0 C，故藉由鐵心側部1 〇 〇 A、鐵心 ’’％折部1 〇 〇 B及鐵心搭接部1 〇 〇 ◦的配合即可形成 封閉的鐵心迴圈。而第三B圖則為第二種形式的封閉鐵心 迴圈’該些非晶質合金薄片束1 〇 1的兩端係以多階式彼 此交錯重疊搭接以形成搭接處，並在搭接處產生複數個氣 隙孔1 0 3，且該些氣隙孔1 0 3係以扇形形狀分佈在搭 M356205 接處，使得磁通密度在氣隙孔1 Ο 3之轉折處形成疏鬆的 情況，故在此搭接處將產生較低的鐵心損失。 再者，上述所製成的封閉型態之非晶質合金鐵心結構 1 0會置入一退火爐以進行退火之步驟，且在退火的同 時，利用一銅線穿設過該非晶質合金鐵心結構1 0之中空 部1 0 2並通以電流以提供一外加磁場於該非晶質合金 鐵心結構1 0上，藉由退火製程配合外加磁場的條件以改 善該非晶質合金鐵心結構10的磁特性。 以下將針對上述的退火條件與外加磁場的條件做一 詳細的規劃與說明，並藉由最佳化的製程參數製作變壓器 以與傳統的石夕鋼變壓器做一特性上的比較。 首先，請先參考第四圖，其顯示該SA1非晶質合金帶 材在經過不同退火溫度、退火時間的退火作業後經由XRD (X-ray Diffraction )分析所得的結果。一般而言，退火處 理會讓非晶質材料中的原子移動並重新排列成有序化的 結晶態，但本創作的主要目的在於控制退火的溫度、時 間，使鐵心材料在退火製程之後仍能維持在非晶態，並能 藉由退火改善材料的特性。故從第四圖可分析退火溫度與 結晶態的關係。而第四圖中之曲線A、B、C、D則表示在 450°C退火兩小時、390°C退火兩小時、360°C退火兩小時 以及360°C退火十小時之XRD繞射結果，其中可發現在退 火360°C，二小時的條件下，可得一寬廣的主繞射峰，其 繞射寬度大約橫跨10度至15度之間，此為一典型的非晶 質材料的繞射現象’但值得注意的是’其繞射主峰上已經 9 M356205 出現了代表結晶面的繞射峰，但其繞射強度不大，而在390 °C兩小時的退火之後，該非晶質材料已經逐漸生成結晶區 域，故代表鐵的（110)繞射峰已經具有明顯的強度。 ' 而在低於320°C的退火溫度下，需要很長的退火時間才能 • 有效的改善該SA1非晶質合金帶材的性質，故會影響到生 產的效率，換句話說，利用XRD繞射圖可大致將退火溫 度訂介於320°C至370°C之間。 另一方面，本創作將上述不同退火條件的SA1非晶質 • 合金帶材及一般矽鋼片（商品型號：23ZDMH90)的材料 製作成單相變壓器，並量測其不同材料之變壓器的磁滯曲 線，以分析其磁特性。請參考第五A圖，其中第五A圖係 為傳統矽鋼片、SA1非晶質合金帶材與經360°C二小時的 退火條件的SA1非晶質合金帶材所製作的變壓器之特 性。鐵心的磁滯曲線代表磁通密度與磁場強度的關係，而 磁滯損失則是交流電流施加於每一鐵心，在每一週期重新 排列磁領域（domain )方向所需的能量，故鐵心能量的損 ® 失會與磁滯曲線所圍成的面積成正比，亦即磁滯環的面積 越小，代表鐵心的能量損失越小，故由第五A圖可知，經 360°C二小時的退火條件之SA1非晶質合金帶材所製作的 變壓器的磁滯曲線係為狹長形，其具有最小的面積，亦即 經360°C二小時的退火條件的SA1非晶質合金帶材所製成 的鐵心具有最小的磁滯損失；另外，從圖中也可得知其飽 和磁通密度約為1.56T。 而第五B圖則為不同退火條件下的SA1非晶質合金帶 10 M356205 材所製成的變壓器的磁滯曲線圖，其中包括四種退火條 件，360°C 二小時；390°C 二小時；430°C二小時；及 460 °C二小時，由第五B圖可以看出經360°C，二小時的退火 ' 條件的SA1非晶質合金帶材所製成的鐵心具有最大的導 ' 磁率，而隨著退火溫度的提升，鐵心的導磁率逐漸下降， 其中經460°C，二小時的退火條件的SA1非晶質合金帶材 所製成的鐵心幾乎沒有導磁率可言。 故由上述針對退火溫度與結晶相生成的關係以及退 • 火溫度與導磁率的關係，本創作係將非晶質合金在320°C 至370°C的溫度下進行兩小時的退火製程，以提高非晶質 合金製成的變壓器之特性。 另外，本創作更將退火製程與外加磁場的條件作一互 相搭配，以有效提升鐵心的特性。請先參考第六A圖，其 為不同的退火條件搭配一相同的外加磁場強度（800 A/m) 的參數下，所製成之鐵心的鐵心損失量測曲線，其中以360 °C二小時的退火條件配合外加磁場強度（ 800 A/m)所製 成的鐵心具有較低的鐵心損失，且以退火搭配外加磁場所 製作的鐵心之鐵損特性均優於未外加磁場（僅單純進行退 火）的鐵心之鐵損特性。 請再參考第六B圖，其為不同的退火條件搭配一相同 的外加磁場強度（ 800 A/m)的參數下，該鐵心之激磁功 率（exciting power )的量測曲線，其中以360°C二小時的 退火條件配合外加磁場強度（ 800 A/m)所製成的鐵心具 有較低的激磁功率，且以退火搭配外加磁場所製作的鐵心 11 M356205 之激磁功率均優於未外加磁場（僅單純進行退火）的鐵心 之激磁功率特性。故從第六A圖及第六B圖可知，以退火 搭配外加磁場可以製作出特性較佳的鐵心，然則在同一外 加磁場的條件下，卩遍。〇二小時的退火條件可 最 佳的磁特性。 彳取 丹有 。明>考弟六C圖及第六u圃，具马固定退火溫 又（ 360 C )並凋變外加磁場的強度（5〇〇、8⑻、 2條件下進行鐵心損失與激磁功率的量測。以鐵心損失而 S ’在36GC二小時的退火條件外加· A/ =得f較外加测或咖編磁場強度的條件下為』、 失;、而相同的退火溫度(360。° )，相同的外加磁 瓜)’退火兩小時的鐵心損失會略小於退火十小 退火Si力失Μ另外’與前述的實驗結果相同之處為：以 ，火搭配外加磁場（磁場強度為至顧Μ =二:心之鐵損特性均優於未外加磁場(僅單純進行 t人〕的鐵心之鐵損特性。 以激磁功率觀之，在36叱二 A/m磁場的情況，可 k膽件外加800 強度的條件為j^叙卜加5〇〇或1300 A/m磁場 和、、為、的激磁功率；而相同的退火、、®庐r C),相同的外加磁 ㈣的退火度（360 的激磁功率也會略小於 的情況下，退火兩小時 前述的實驗結果相同夕未*十小時的激磁功率。另外，與 的鐵心之激磁功率均優：未外：：火搭配外加磁場所製作 的鐵心之難功率。 (僅單純進行退火） 12 M356205 尸所f體製程條件而言’本創作利用退火搭配外加磁 讀衣作的鐵心具有較佳的特性，而退火溫度在細^至 370 C之間為佳’最佳的退火溫度為細。c (二小時）；而 外加磁場強度以5〇〇至non δ/ a w 強度為8GGA/m。 祕的外加磁場 。另外，請參考第七A圖及第七關，其為利用以遍 ^ 一小時的退火條件外加_A/m磁場強度製作之鐵心所 衣成的變壓②與傳統碎鋼片所製作之變歷器做—特性比 較。請配合第八圖及第八A圖，該Μ器結構2具有二個 並排的非晶質合金鐵心钍椹η 甘士 —, 、、社媒！ 構 其中每—非晶質合金鐵 :籌1 Q匕括·—鐵心段1 ◦ ◦，其係由複數個非晶質 …薄片束1〇1彼此疊合形成，每一非晶質合金薄片束 1 〇 1具有—預以數的非晶質合金薄片丄◦ i 〇，該鐵 Ή 0 0係’弓折圍繞形成一封閉鐵心迴圈，該封閉鐵心 、圈升:成一中空部10 2，該封閉鐵心迴圈係藉由結合退 、、日弋及外加磁％方式所形成，此一結合退火方式及外加 磁场方式之製程與前述相同，在此不再㈣。該變壓器也 包括—個線圈21’該線圈21係環繞於該兩相鄰非晶質 鐵心結構10所相鄰的鐵心段1〇 〇，且穿設於該兩 厂之非晶質合金鐵心結構i 〇的中空部丄◦ 2，但 '支壓為結構僅為舉例說明之用，—般的變壓器之鐵 應用本創作。 乐七A圖為本創作之以3 6 01：二小時的退火條件外加 8〇〇 A/m磁場製作之鐵心所製成的變壓器與傳統妙鋼片所 13 M356205 製作之變壓器做一鐵心損失特性之比較，&中可以發現經 退火配合外加磁場的鐵心所製成的變壓器具有較傳統變 壓器：更低的鐵心損失。而第七6圖則顯示兩者的激磁功 率的量測曲線’其中可以發現經36CTC二小時的退火條件 外加80GA/m磁場強度製作之鐵心所製成的變㈣的飽和 磁通密度約為L38T，若大於此磁通密度，本創作之變壓 器的激磁功率會急遽增加，故在使用上會限制 晶質鐵心之變壓器的操作範圍。 、 ㈣請ί考第九圖、第九A圖及第❹圖，其顯示多種不 5 ‘3’壓态的鐵心型態’例如第九圖為一單相變壓器

2:::九A圖為一種三相三腳變壓器4的鐵:結構， /、匕括夕卜鐵心1()A，及兩個容置於該外鐵心U = 丄第九B圖則為一種三相五腳變壓器5的 鐵、、。構’其具有四個並列的非晶質合金鐵心結構 且兩相鄰鐵心中會設置有一線圈2丄。 器之鐵心均可應用上述的製程加 變壓 的特性。 ㈣進而七南變屢器 綜上所述，本創作具有下列諸項優點： 1、 本創作利用退火配合外加磁場之 提升非晶質鐵心所製作之變屢器的特性。、 以有效 2、 本創作利用鐵心的檢測技術配合 法，得到最佳的鐵心製作參數斜刀析的方 鐵心均可適用上述的檢測分析方;^不^何種變壓器的 以上所述僅為本創作之較佳可行實施例，非因此询限 14 M3 56205 本創作之專利範圍，故舉凡運用本創作說明書及圖示内容 所為之等效技術變化，均包含於本創作之範圍内。 【圖式簡單說明】 第一圖係本創作之非晶質合金鐵心結構之立體示意圖。 圖係本創作之非晶質合金薄片束之示意圖。 第三A圖係摘作之非晶f合金細結構第—形式搭 之立體示意圖。

第- B目係摘作之非㉟質合金融、 之示意圖。 > 按 =四圖係本創作之不同退火條件非晶質材料之χ光繞射 ®至弟五β圖係不同材料之磁滯曲線圖。 第六Α圖至第六d圖係不同制鞀 第七A阁μ 條件下之磁特性曲線圖。 圖至第七Β圖係本創作之變壓 壓器之特性比較。 m、傅狀矽鋼變 :二至第八A圖係本創作之變壓器之示意圖。 =係為單向變壓器的鐵心結構之示意圖。 三相三腳變麗器的鐵心結構之立體示意圖。 圖係為三相五腳變壓器的鐵心結構之立體示音圖。 【主要元件符號說明】 外鐵心 内鐵心

L 0 非晶質合金鐵心結構1 〇 A

1 0 B 15 M356205 10 0 鐵心段 1 0 0 A 鐵心侧部 1 Ο Ο B 鐵心彎折部 1 0 0 C 鐵心搭接部 101 非晶質合金薄片束 1010 非晶質合金薄片 102 中空部 103 氣隙孔 2 變壓器結構 2 1 線圈 3 單向變壓器 4 三相三腳變壓器 5 三相五腳變壓器

16

Claims (1)

1. M356205 九、申請專利範圍： 1、 一種非晶質合金鐵心結構，包括： 一鐵心段，係由複數個非晶質合金薄片束彼此疊合形 成，每-非晶質合金薄片束具有—預定片數的非晶 質合金薄片； 其中该些非晶質合金薄片束係彎折圍繞形成一封閉 鐵心迴圈，該封閉鐵心迴圈形成一中空部，該封閉 > 鐵心迴圈係藉由結合退火方式及外加磁場方式所 形成。 2、 如申請專利範圍第i項所述之非晶質合金鐵心結構， 其中該封閉鐵心迴圈係在攝氏32〇度至37〇度的溫度 下退火兩小時者。 3、 如申清專利範圍第2項所述之非晶質合金鐵心結構， 其中該封閉鐵心迴圈係在攝氏360度的溫度下退火兩 小時者。 > 4、如申請專利範圍第2項所述之非晶質合金鐵心結構， 其中該封閉鐵心迴圈係由外加磁場強度為5〇〇至13〇〇 女培/米（A/m)所形成者。 5、如申請專利範圍第4項所述之非晶質合金鐵心結構， 其中δ亥封閉鐵心迴圈係由外加磁場強度為8〇〇安培/ 米（A/m)所形成者。 、如申請專利範圍第1項所述之非晶質合金鐵心結構， 其中該封閉鐵心迴圈係在攝氏360度的溫度下退火兩 小時’且由外加磁場強度為800安培/米（A/m)所形 17 0、 M356205 成者。 7 =請專利範圍第6項所述之非晶質合金鐵心結構， 一中該非晶質合金鐵结構為 8 心俜鐵心者，且該捲鐵 =折祕並稭由該捲鐵⑽端之連接端部彼此 連接以开> 成一鐵心搭接部。

   第八7項所述之非晶質合金鐵心結構， 型鐵二…金鐵心結構為-環型鐵心者或-圓 9、—種變壓器，包括： 至^ 一個非晶質合金鐵心結構，其中該非晶質合金鐵 管、包括一鐵心段，其係由複數個非晶質合金 ，彼此疊合形成，每一非晶質合金薄片束具有 預定片數的非晶質合金薄片，該鐵心段係弯折圍 :形成-㈣細迴圈，該封閉融迴圈形成—中 空部’該封閉鐵心迴圈係藉由結合退火方式及外加 磁場方式所形成；以及 至少-線圈，該線圈係環繞於該鐵心段，且穿設於該 非晶質合金鐵心結構的中空部。 、Μ 如申凊專利I請第9項所述之變㈣，其中該 =迴圈係在攝氏创度至37G度的溫度下退火兩; 1閉5申4專利制第1Q項所述之㈣11，其中該封 閉鐵心迴圈係在攝氏360度的溫度下退火兩小時者。于 〇申明專利乾圍第10項所述之變屡器’其中該封 18 M356205 閉鐵心迴圈係由外加磁場強度為500至1300安培/米 (A/m )所形成者。 、 3、 如申請專利範圍第1 2項所述之變壓器，其中該封 閉鐵心迴圈係由外加磁場強度為800安培/米（A/m) 所形成者。

   4、 如申請專利範圍第9項所述之變壓器，其中該封閉 鐵心迴圈係在攝氏360度的溫度下退火兩小時，且由 外加磁場強度為8〇〇安培/米（A/m)所形成者。 5、 如申請專利範圍第9項所述之變壓器.，其中該變壓 盗係為單向變壓器、三相三腳變壓器或三相五腳變壓 器。 6 1如申請專利範圍第9項所述之變壓器，其中該鐵心 段係藉由該鐵心段兩端之連接端部彼此連接以形成 一鐵心搭接部。

   19