CN1031848C - 磁补偿式霍尔电流传感器用非晶磁芯制法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于磁补偿式霍尔电流传感器的软磁非晶切割磁芯的制法。其特征在于化学成分(at%)为：FezNiyMxSi7-10B12-15(其中M为Mo或Mn，0.5＜X≤5，32＜Y≤40，z为余量)，横磁退火工艺为：退火温度400～430℃。与传统的坡莫合金磁芯相比，本发明方法生产的磁芯其主要优点为原材料成本低，易于制造；具有极低剩磁感应强度、低矫顽力和更好频率特性，可改善传感器的响应时间和测量精度。
Description
本发明属新型软磁磁芯，代替原来传统使用的高磁导率80Ni-Fe系坡莫合金材料磁芯，具有极低剩磁感应强度、低矫顽力和更好频率特性，本发明非晶磁芯专门适应于磁补偿式霍尔电流传感器中的磁芯。
磁补偿式霍尔电流传感器是一种高精度，非接触，可测控各种波形电流的传感器，它广泛应用于新兴的电力电子技术中，磁芯是其两大关键部件之一。通常要求磁芯具有如下特性：1)低剩磁感应强度Br；2)低的矫顽力Hc；3)良好的频率特性；4)高饱和磁感Bs；5)良好的制作工艺性能。
在磁补偿式霍尔电流传感器的现有技术中采用的是由西德提供的含Ni80％的坡莫合金带绕磁芯，带厚为0.1mm左右。经退火--浸漆固化后，其磁性水平为：Bs0.8T，Br0.24T，Hc2.1A/m(0.0260e)，然后对磁芯进行气隙切割，装入霍尔器件使用，由于带较厚，高频磁性较差，这限制了传感器响应时间的该改善，它的剩磁Br和Hc均较大，降低了传感器的精度。另外，作为软磁带绕切割磁芯，在现有技术中，也可以采用非晶切割磁芯，例如专利CN1050108A，使用了铁基非晶带绕磁芯，经退火和环氧灌注固化切割制法，用于电源电感磁器件，由于专利CN1050108A采用了含Ni量0～4％(at)的铁基非晶成分，虽然Bs较高，但是Br和Hc值也很高，分别大于0.8T和6.4A/M，而且固化后的磁性产生严重劣化，并不适合霍尔电流传感器对其磁芯的要求。近年来虽着电力电子技术的发展，对高频、非正弦波电流的测控要求逐渐增多。因此需要一种具有更优良频率特性、更低剩磁和矫顽力的切割磁芯以满足新型传感器的要求。
国内外市场销售的这种传感器均由瑞士LAM公司生产，全由西德提供坡莫磁芯，至今未发现在霍尔电流传感器中使用非晶合金磁芯的专利和报导。关于传统传感器在Vo1.9.No.8(1989)，48，直井敏男、桑田佳明，“木一儿素子型高精度电流”技术中有报导。
本发明的目的在于用非晶铁芯代替传统的坡莫合金磁芯，并且通过非晶成分的调整制成带绕切割磁芯以克服Fe基非晶的缺点，提高传感器的精度和高频特性，以及提高工艺性能，降低固化对磁性的劣化倾向，适用于大批量生产。
发明内容包括：非晶合金的化学成分(at％)为：
FezNiyMxSi7-10B12-15(其中M为Mo或Mn)，0.5＜X≤5，32＜Y≤40，z为余量，这种非晶合金具有良好的高频软磁性能及制带工艺性能，在常规的退火条件下可达到Hc＜1.6A/M，Bs达到0.9T，饱和磁滞伸缩系数10×10-6电阻率为1.35μΩ.m。
本发明采用真空感应炉冶炼并铸成棒状母材，用单辊法制成要求宽度的非晶带材，然后卷绕成环形或跑道形磁芯。
上述成分的磁芯可按下述退火工艺进行：
横磁退火，退火温度400～430℃，保温10～30分钟炉冷，磁场强度大于1600A/M。横磁退火的目的是为了降低Br和提高频率特性。
A/m。横磁退火的目的是为了降低Br和提高频率特性。
将退火后的磁芯进行固化处理，可以采用包封方法，也可以采用封装的方法。使用低应力半柔性环氧树脂进行灌注，其配方成分为：
品种 配入比例(重量)
环氧树脂 100
固化剂(酸酐类等) 8～16
增刃剂(聚S橡胶等) 5～30
增充剂(Si微粉等) 30～50
固化烘干工艺为150℃、3小时
将固化后的磁芯用砂轮切片机或线切割机切成所需尺寸的气隙大小，以便放入霍尔半导体器件。以上工艺可保证在切割过程中不产生树脂开裂，带层间脱裂和气隙变形等缺陷。
与现有技术比较及优点：现用坡莫合金磁芯与本发明的磁芯在磁性和工艺方面有以下区别：
(1)现用磁芯采用含Ni80％的坡莫合金，本发明采用Fe-Ni基非晶磁芯。
(2)本发明采用低温退火(400～450℃)，不需要涂层，处理周期短，对保护气要求不严，工艺简单。而现用坡莫磁芯必须采用常规的绝缘电泳涂层和高温常时间退火(1050×4hr)，其退火工序非常复杂。
(3)本发明采用环氧树脂包封固化方法，而现用坡莫磁芯采用浸漆方法。前者方法可保证经固化后软磁性能变化不大，而后者则使磁性能大大下降。例如对矫顽力Hc来说，本发明磁芯经固化后增加0～30％，而现用技术一般增加到400％。
(4)切割前后磁芯的直流磁性，两者可作如下比较：
表1为固化后切割前磁芯直流性能比较。图1则为切割后磁芯磁滞回线的对比。图1中(a)为本发明磁芯；(b)为现用坡莫磁芯。由此可见，本发明磁芯具有Bs高、Br和Hc低的优点，而且曲线的线性度较高，更适合于霍尔电流传感器。
(5)关于高频特性：
在固化后切割前的状态下对本发明磁芯与现用坡莫磁芯进行了频率特性比较，使用电桥法、在Bm＝5mT磁感条件下，测量了两种磁芯的弹性磁导率随工作频率的变化，其磁导率的频散特性示于表2，由表可见传统的坡莫磁芯从10KHz频率开始已经明显下降。在50KHz时，磁导率已低于1000，而本发明磁芯由10KHz升至150KHz磁导率仅降低18％，这种磁芯特别适合于对高频电流电压的测控。
表1：固化后切割前的磁芯直流性能比较
| 现用坡莫Ni80 | 本发明 | |
| Bs(T) | 0.8 | 0.9 |
| Br(T) | 0.24 | 0.07 |
| Hc(A/m) | 2.1 | 2.1 |
表2：切割前两种磁芯的弹性磁导率的频散特性
| 频率KHz | 10 | 20 | 50 | 70 |
| 现用坡莫Ni80μ | 2850 | 1670 | 876 | 694 |
| 本发明磁芯μ | 5104 | 5030 | 4087 | 4760 |
| 频率KHz | 100 | 120 | 150 | 200 |
| 现用坡莫Ni80μ | 548 | 492 | 417 | ** |
| 本发明磁芯μ | 4560 | 4420 | 4190 | 3860 |
下面通过实施例1进一步说明本发明的技术方案。
本发明采用真空感应炉冶炼化学成分(at％)为：Fe38Ni38Mn2Si8B14的母材，采用单辊法制成10mm宽的非晶带材，卷绕成Φ18/Φ24×10mm的磁芯。然后进行横磁退火，磁场强度1600A/M。采用410℃、10分钟退火后炉冷，将磁芯用环氧树脂包封制成Φ15/Φ26×11.5mm的外型尺寸，在砂轮切片机上切割1.8mm宽的间隙。所获得直流磁滞回线如图1所示。其平均磁导率为125mH/M，达到饱和时的静态磁场为40AT/cm。
用这种磁芯制成额定量电流为100A(50Hz)的磁补偿式霍尔电流传感器，结果表明，其测量精度＜1％，测量范围扩展到0～150A，响应时间小于1μS，满足使用要求。
Claims (2)
1、一种特别适用于磁补偿式霍尔电流传感器的软磁非晶切割磁芯制法，采用单辊法制成非晶带材，绕成环形或跑道形磁芯，磁芯进行横磁退火，再经固化处理成型，最后进行气隙切割，其特征在于化学成分(at％)为：
FezNiyMxSi7-10B12-15(其中M为Mo或Mn)，0.5＜X≤5，32＜Y≤40，z为余量，横磁退火工艺为：退火温度400～430℃。
2、根据权利要求1所述的制法，其特征在于，横磁退火工艺为：保温10～30分钟炉冷，磁场方面沿带横向方向，磁场强度大于1600A/M。
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