CN103117153B - 共模电感铁基纳米晶铁芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电感元件技术领域，涉及共模电感铁芯及其制备方法，该铁芯采用平板流液态急冷法制带、绕制铁芯和热处理步骤制备，其中，所述铁芯是采用厚度为18-24μm的铁基纳米晶带材绕制而成；所述热处理是在复合磁场下进行晶化热处理。本发明采用平板流液态急冷法，制得厚度为18-24μm，叠片系数在0.76-0.82的铁基纳米晶带材，并且所制带材韧性好。本发明通过对铁基纳米晶带材厚度及复合磁场热处理工艺参数的调整和定量控制，制备应用于光伏、风电等新能源领域滤除共模干扰信号的共模电感铁芯，得到的共模电感铁芯具有良好的频率阻抗特性和优异的抗偏置直流叠加能力，提高衰减共模信号能力。

Description

共模电感铁基纳米晶铁芯及其制备方法
技术领域
本发明属于电感元件技术领域，涉及共模电感铁基纳米晶铁芯及其制备方法。
背景技术
传统的共模电感磁芯一般由Mn-Zn铁氧体制备，低磁导率性能要求的铁氧体铁芯制备成本较低，但是，由于铁氧体材料饱和磁感应强度低，交流初始磁导率低且可调整范围窄，居里温度低，温度稳定性差，严格限制了铁氧体共模电感的应用范围。
非晶软磁合金带材作为近年来迅速发展起来的新材料，一般采用平板流液态急冷技术，将熔融合金钢液以每秒一百万摄氏度的冷却速度急速冷却，制得厚度为16～40微米的非晶带材。该非晶带材的微观结构具有长程无序的玻璃态特征，完全不同于传统的金属合金材料，有着高的强度、硬度、耐蚀性、耐磨性、电阻率、机电耦合系数、热传导性、表面活性及良好的韧性，具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低矫顽力、低损耗、良好的频率特性和温度特性，可以取代硅钢、坡莫合金、铁氧体，广泛应用于变压器、互感器、电抗器、逆变电源、开关电源、漏电保护器、电感器及传感器等，推动实现电子电力产品小型化、高频化、高效化、环保、节能。而铁基纳米晶超薄带材作为非晶软磁合金带材中的一种，具有高饱和磁感应强度，高且大范围可调整的交流初始磁导率，居里温度高，温度稳定性好，这使得铁基纳米晶带材在共模电感上具有很好的应用前景，但是，目前普通铁基纳米晶带材厚度约为30μm，由于带材较厚，高频时损耗大幅增加，电感值较低，不能满足伴随电力电子高频化发展趋势要求的高频化使用要求，这种厚度约为30μm的铁芯通常采用常规的单一磁场热处理工艺。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种改进的共模电感铁基纳米晶铁芯及其制备方法，其采用铁基纳米晶超薄带材，配合改进的复合磁场热处理工艺，得到的共模电感铁芯具有良好的频率阻抗特性和优异的抗偏置直流叠加能力，提高衰减共模信号能力，可应用于光伏、风电等新能源领域。
为实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案：
一种共模电感铁基纳米晶铁芯，采用平板流液态急冷法制带、绕制铁芯和热处理步骤制备，其中，所述铁芯是采用厚度为18-24μm的铁基纳米晶带材绕制而成；所述热处理是在复合磁场下进行晶化热处理。
制备所述铁芯在高纯惰性保护气氛下或真空环境内采用复合磁场进行晶化热处理，该热处理工艺采用两段升温保温法：第一段升温速率6-9℃/min,升温50-65min，保温30-60min，第二段升温速率0.5-3.5℃/min，升温30-80min，保温60-120min。
所述热处理工艺在如下复合磁场下完成：先在第一段保温期间施加纵向磁场进行处理，磁场方向为沿铁芯圆周方向，且磁场强度为0.8-16kA/m；然后在铁芯达到晶化温度之前施加强横磁场，并保持到铁芯热处理工序结束，磁场方向为沿铁芯高度方向，且磁场强度为16-32kA/m。
所述铁芯的磁性能满足至少以下之一：
在叠加偏置直流量50A时，电感衰减不超过20%；。
饱和磁感应强度大于1.21T；
在20kHz、50mT时，损耗P小于0.15W/kg。
所述厚度为18-24μm的铁基纳米晶带材的叠片系数为0.76-0.82。
制备所述共模电感铁基纳米晶铁芯的方法，包括平板流液态急冷法制带、绕制铁芯和热处理步骤，其中，所述铁芯是采用厚度为18-24μm的铁基纳米晶带材绕制而成；所述热处理是在复合磁场下进行晶化热处理。
制备所述铁芯在高纯惰性保护气氛下或真空环境内采用复合磁场热处理工艺，其中热处理工艺采用两段升温保温法：第一段升温速率6-9℃/min，升温50-65min，保温30-60min，第二段升温速率0.5-3.5℃/min，升温30-80min，保温60-120min。
所述热处理工艺在如下复合磁场下完成：先在第一段保温期间施加纵向磁场进行处理，磁场方向为沿铁芯圆周方向，且磁场强度为0.8-16kA/m；然后在铁芯达到晶化温度之前施加强横磁场，并保持到铁芯热处理工序结束，磁场方向为沿铁芯高度方向，且磁场强度为16-32kA/m。
所述厚度为18-24μm的铁基纳米晶带材的叠片系数为0.76-0.82。
所述厚度为18-24μm的铁基纳米晶带材在制备过程中钢液温度为1200-1400℃，冷却辊的辊速为20-50m/s，冷却速度为106℃/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用平板流液态急冷法，制得厚度为18-24μm，叠片系数在0.76-0.82的铁基纳米晶带材，并且所制带材韧性好。
2、本发明通过对铁基纳米晶带材厚度及复合磁场热处理工艺参数的调整和定量控制，制备应用于光伏、风电等新能源领域滤除共模干扰信号的共模电感铁芯，得到的共模电感铁芯具有良好的频率阻抗特性和优异的抗偏置直流叠加能力，提高衰减共模信号能力。
附图说明
图1为第一实施例的共模电感铁芯的频率阻抗特性曲线；
图2为第一实施例的共模电感铁芯的抗偏置直流量特性曲线；
图3为第一实施例的共模电感铁芯的低损耗特性曲线；
图4为第一实施例的共模电感铁芯的静态磁滞回线；
图5为第二实施例的共模电感铁芯的频率阻抗特性曲线；
图6为第三实施例的共模电感铁芯的温度稳定性曲线。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行详细地说明，但是本发明并未局限于所述实施例。
实施例1
根据本发明的方法，采用平板流液态急冷法制带，在制备过程中钢液温度为1200-1400℃，冷却辊的辊速为20-50m/s，冷却速度为106℃/s，制备宽度为25mm，厚度20μm，叠片系数为0.76-0.82，韧性好的铁基纳米晶超薄带，并将这种非晶合金带卷绕成外径102mm，内径76mm的环形磁芯。
将制造出的环形磁芯装入处于高纯度氮气保护环境下的热处理炉，并在磁场中完成热处理。在进行热处理时采用复合磁场热处理，其中热处理工艺采用两段升温保温法,第一段升温速率6-9℃/min,升温50-65min,保温30-60min.,第二段升温速率0.5-3.5℃/min,升温30-80min,保温60-120min；同时所述热处理工艺在加磁场的条件下完成，先在第一段保温期间施加纵向磁场进行处理，磁场方向为沿铁芯圆周方向，且磁场强度为0.8-16kA/m；然后在铁芯达到晶化温度之前施加强横磁场，并保持到铁芯热处理工序结束，磁场方向为沿铁芯高度方向，且磁场强度为16-32kA/m。最后，将复合磁场处理后的磁芯采用常温固化硅橡胶固定在塑料护盒内，从而得到本实施例的共模电感铁芯。
测试本实施例的共模电感铁芯的磁性能，得到的结果如图1-4所示。其中，获得图1所示磁芯的良好频率阻抗，图2所示磁芯的优异抗偏置直流量特性，图3所示磁芯的低损耗特性，图4所示静态磁滞回线。
图1为频率阻抗特性曲线，从中可以看出本实施例的共模电感铁芯具有优异的频率阻抗特性；图2为抗偏置直流量特性曲线，从中可以看出本实施例的共模电感铁芯叠加偏置直流量50A时，电感衰减不超过20%；图3为低损耗特性曲线，从中可以看出本实施例的共模电感铁芯在20kHz、50mT时损耗小于0.15W/kg；图4为静态磁滞回线，从中可以看出本实施例的共模电感铁芯饱和磁感应强度大于1.21T。
实施例2
根据本发明的方法，采用平板流液态急冷法制带，在制备过程中钢液温度为1200-1400℃，冷却辊的辊速为20-50m/s，冷却速度为106℃/s，制备宽度为30mm，厚度22μm，叠片系数为0.76-0.82，韧性好的铁基纳米晶超薄带，并将这种非晶合金带辊剪成带宽15mm的带材，卷绕成外径40mm，内径25mm的环形磁芯。
将制造出的环形磁芯装入处于高纯度氮气保护环境下的热处理炉，并在磁场中完成热处理。在进行热处理时采用复合磁场热处理，其中热处理工艺采用两段升温保温法,第一段升温速率6-9℃/min,升温50-65min,保温30-60min.,第二段升温速率0.5-3.5℃/min,升温30-80min,保温60-120min；同时所述热处理工艺在加磁场的条件下完成，先在第一段保温期间施加纵向磁场进行处理，磁场方向为沿铁芯圆周方向，且磁场强度为0.8-16kA/m；然后在铁芯达到晶化温度之前施加强横磁场，并保持到铁芯热处理工序结束，磁场方向为沿铁芯高度方向，且磁场强度为16-32kA/m。最后，将复合磁场处理后的磁芯采用常温固化硅橡胶固定在塑料护盒内，从而得到本实施例的共模电感铁芯。
图5为本实施例的共模电感铁芯的频率阻抗特性曲线，从图中可以看出，本实施例的共模电感具有良好频率阻抗特性。
实施例3
根据本发明的方法，采用平板流液态急冷法制带，在制备过程中钢液温度为1200-1400℃，冷却辊的辊速为20-50m/s，冷却速度为106℃/s，制备宽度为30mm，厚度23μm，叠片系数为0.76-0.82，韧性好的铁基纳米晶超薄带，并将这种非晶合金带辊剪成带宽10mm的带材，卷绕成外径30mm，内径20mm的环形磁芯。
将制造出的环形磁芯装入处于高纯度氮气保护环境下的热处理炉，并在磁场中完成热处理。在进行热处理时用复合磁场热处理，其中热处理工艺采用两段升温保温法,第一段升温速率6-9℃/min,升温50-65min,保温30-60min.,第二段升温速率0.5-3.5℃/min,升温30-80min,保温60-120min；同时所述热处理工艺在加磁场的条件下完成，先在第一段保温期间施加纵向磁场进行处理，磁场方向为沿铁芯圆周方向，且磁场强度为0.8-16kA/m；然后在铁芯达到晶化温度之前施加强横磁场，并保持到铁芯热处理工序结束，磁场方向为沿铁芯高度方向，且磁场强度为16-32kA/m。然后，将复合磁场处理后的磁芯采用常温固化硅橡胶固定在塑料护盒内。并将保护后的磁芯用直径1.6mm的漆包线绕制23匝，从而得到本实施例的共模电感铁芯。
图6为本实施例的共模电感铁芯的温度稳定性曲线，从图中可以看出，本实施例的共模电感铁芯在-40℃～+140℃的温度区间高频下阻抗曲线变化率不超过4%，具有良好温度稳定性。

Claims (2)

1.一种共模电感铁基纳米晶铁芯的制备方法，包括平板流液态急冷法制带、绕制铁芯和热处理步骤，其特征在于：所述铁芯是采用厚度为18-24μm的铁基纳米晶带材绕制而成；所述热处理是在高纯惰性保护气氛下或真空环境内的复合磁场下进行晶化热处理；
该热处理工艺采用两段升温保温法：第一段升温速率6-9℃/min，升温50-65min，保温30-60min，第二段升温速率0.5-3.5℃/min，升温30-80min，保温60-120min；
所述热处理工艺在如下复合磁场下完成：先在第一段保温期间施加纵向磁场进行处理，磁场方向为沿铁芯圆周方向，且磁场强度为0.8-16kA/m；然后在铁芯达到晶化温度之前施加强横磁场，并保持到铁芯热处理工序结束，磁场方向为沿铁芯高度方向，且磁场强度为16-32kA/m；
制备过程中钢液温度为1200-1400℃，冷却辊的辊速为20-50m/s，冷却速度为106℃/s。
2.如权利要求1所述的共模电感铁基纳米晶铁芯的制备方法，其特征在于：所述厚度为18-24μm的铁基纳米晶带材的叠片系数为0.76-0.82。
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