專利名稱：抗直流分量電流互感器磁芯及其制造方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流互感器磁芯及其制造方法和用途，尤其是一種應(yīng)用于電子式電表、具有優(yōu)良的抗直流分量能力的高導(dǎo)磁合金與鐵基非晶合金復(fù)合而成的雙磁芯及其制造方法和用途。
背景技術(shù)：
電流互感器是電力生產(chǎn)和家用電表用電能計(jì)量、保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。在電力生產(chǎn)過程中，發(fā)電、變電能夠環(huán)節(jié)使用大量的電流互感器進(jìn)行高壓大電流電能的測量和安全保護(hù)。對于家用電能計(jì)量，從前一直采用轉(zhuǎn)盤感應(yīng)式電表，而近年來隨著電能計(jì)量智能化尤其是遠(yuǎn)程抄表和分段計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的實(shí)施，已經(jīng)開始普及電子式電表，電流互感器更是必不可少的。電流互感器的基本原理如圖1所示。電流互感器的工作原理與普通變壓器類似在高磁導(dǎo)率的鐵芯3上繞制兩組線圈，其中次級線圈1的匝數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初級線圈2，這樣，根據(jù)變壓器原理，初級線圈中的大電流就轉(zhuǎn)換成了次級線圈中的小電流，可以用電流表4直接測量。在實(shí)際使用中，互感器的初級線圈往往采用電網(wǎng)母線穿心方式(只有一匝)。
但是，電流互感器與普通變壓器的一個(gè)重要區(qū)別是它有很高的測量精度要求。由于實(shí)際的變壓器總是非理想的，總存在一些損耗和漏磁，因此造成了互感器的測量誤差?；ジ衅髟跍y量電流時(shí)的誤差有比差和角差(相位差)兩種。所謂比差指互感器初級線圈和次級線圈的電流比相對于理想變壓器電流比的偏差，主要由互感器的漏磁通引起。為了減小漏磁通，應(yīng)使用磁導(dǎo)率高的鐵芯材料。為了保證在不同電流負(fù)荷下比差一致，還要求鐵芯磁導(dǎo)率具有良好的線性度。所謂角差指次級線圈與初級線圈電流的相位差，來源于互感器鐵芯在磁化過程中產(chǎn)生的損耗。因此，為了降低角差應(yīng)使用鐵損低的鐵芯材料。由此可見，互感器鐵芯的磁性能是影響互感器精度的主要因素之一。為了達(dá)到較高的精度，要求互感器鐵芯材料具有低鐵損、高而且線性度較好的磁導(dǎo)率。
近年來，隨著電力電子設(shè)備的增多，尤其是大量整流、變頻和開關(guān)電源設(shè)備的應(yīng)用，線路中的電磁污染日益嚴(yán)重，尤其是整流設(shè)備使電網(wǎng)中的直流分量逐漸增大。在既有正常的50Hz交流電流、又有直流分量的情況下工作時(shí)，互感器鐵芯實(shí)際上受到了直流和交流的疊加磁化。為了使互感器在含有較大直流分量的情況下仍然能夠正常工作，必須保證互感器鐵芯在交直流疊加磁化時(shí)不飽和。為此，作為抗直流分量的電流互感器，鐵芯材料應(yīng)具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)具有高的初始磁導(dǎo)率，以保證在較小或沒有直流分量時(shí)的測量精度。
作為互感器的鐵芯，其材料可有多種選擇。硅鋼片是廣泛使用的軟磁材料，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度最高，主要適用于各種低頻變壓器，由于鐵損大、磁導(dǎo)率低，在互感器中會(huì)造成大的比差和角差，一般不采用。鐵氧體是大量應(yīng)用于高頻的軟磁材料，但由于它的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度太低、溫度特性太差，不能滿足互感器使用環(huán)境的要求。也可以采用空心線圈制造互感器，但這種互感器對外磁場很敏感，必須采取屏蔽措施，增加了成本。
在現(xiàn)有技術(shù)中一般采用坡莫合金(鐵和鎳的合金)制造互感器鐵芯。然而坡莫合金存在缺點(diǎn)，一是其磁導(dǎo)率線性度較差，需要在互感器后需線路中予以校正，二是價(jià)格較昂貴，三是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低，不能制造抗直流分量電流互感器。
近年來出現(xiàn)的鐵基非晶和納米晶合金具有良好的磁性能，而且成本低于坡莫合金，因此已經(jīng)進(jìn)行了在互感器鐵芯中的應(yīng)用開發(fā)。中國專利CN99124249.1以及美國專利US6507262分別介紹了一種鐵基納米晶合金的互感器鐵芯及其制造方法。這種鐵芯具有高的磁導(dǎo)率，并且磁導(dǎo)率線性度較好，溫度特性優(yōu)良。但因其較低的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度且磁導(dǎo)率很高，在直流偏磁場下鐵芯會(huì)很快飽和，只能應(yīng)用于不含直流分量的普通電流互感器。
美國專利申請US20030151483公開了用鐵基非晶合金制造的電流互感器鐵芯。這種材料是目前非晶合金中飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度最高的，達(dá)1.5T以上。但其缺點(diǎn)是初始磁導(dǎo)率低、鐵損大，所制造的互感器的比差和角差不能滿足高精度要求(尤其在直流分量較小或沒有直流分量時(shí))。
中國專利97192424.4披露了一種鈷基非晶合金及元器件的制造方法。這種鈷基非晶合金具有1.0T左右的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，經(jīng)過適當(dāng)熱處理可得到1000～2000的磁導(dǎo)率，應(yīng)用于抗直流分量電流互感器鐵芯。但是，鈷基非晶合金的最大缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，阻礙了大規(guī)模應(yīng)用。
綜上所述，現(xiàn)有的軟磁材料在單獨(dú)使用在既有正常的50Hz交流電流、又有直流分量的情況下用于互感器鐵芯時(shí)，都存在一定的缺陷。
此外，由于帶材厚度對鐵芯的鐵損存在顯著影響，為了降低鐵損，必須設(shè)法抑制鐵芯在磁化時(shí)的渦流，這就要求制造更薄的帶材。目前均采用單輥快速凝固工藝在空氣中制造非晶帶材，產(chǎn)品的厚度一般在0.02～0.04mm之間。制造更薄的帶材具有相當(dāng)大的技術(shù)難度。其主要難點(diǎn)在于制造帶材時(shí)，空氣不可避免地裹入帶材與冷卻介質(zhì)之間的界面，結(jié)果在帶材的貼輥面形成氣泡。這種氣泡一方面增大了帶材的表面粗糙度，減小了卷繞鐵芯時(shí)的有效截面積；另一方面氣泡影響帶材制造的穩(wěn)定性和合格率，嚴(yán)重時(shí)氣泡會(huì)貫穿整個(gè)帶材橫截面，出現(xiàn)孔洞；此外，表面粗糙非常不利于材料的磁化，增大了矯頑力，降低了磁導(dǎo)率。因此，減小帶材制造時(shí)的氣泡、降低帶材表面粗糙度是穩(wěn)定制造0.02mm以下帶材的一個(gè)關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試，例如通過真空制帶、在鋼水周圍形成還原性氣氛等，但這些措施都無一例外地大幅度增加了設(shè)備和操作的復(fù)雜程度。因此，現(xiàn)有技術(shù)制造的鐵基納米晶合金作為電流互感器鐵芯應(yīng)用時(shí)的鐵損進(jìn)一步降低比較困難，影響了互感器精度的提高。
發(fā)明目的及發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種新的由高導(dǎo)磁合金的磁芯和抗飽和合金的磁芯復(fù)合而成的雙磁芯，它綜合了高導(dǎo)磁合金和抗飽和合金的優(yōu)點(diǎn)，既具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs，又同時(shí)兼有高磁導(dǎo)率、低鐵損，具有比現(xiàn)有技術(shù)更好的綜合磁特性，使互感器工作在有直流分量的情況下仍具有小的比差和角差，適用于高精度抗直流分量電流互感器。
本發(fā)明的另一目的在于得到一種上述高精度抗直流分量電流互感器磁芯中納米晶合金環(huán)狀磁芯的應(yīng)力退火方法。
本發(fā)明的第三個(gè)目的在于得到一種上述高精度抗直流分量電流互感器磁芯的制造方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了如下技術(shù)方案一種抗直流分量電流互感器磁芯，該磁芯由高導(dǎo)磁磁芯A和抗飽和磁芯B復(fù)合而成，所述的高導(dǎo)磁磁芯A的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.6T以上，初始磁導(dǎo)率在60000以上；所述的抗飽和磁芯B的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.5T以上，磁導(dǎo)率在200～2000之間，磁導(dǎo)率線性段內(nèi)的磁導(dǎo)率變化率小于10％，在800A/m的直流偏磁場下的電感量和無偏磁場時(shí)的電感量之比大于等于0.5。
高導(dǎo)磁磁芯A的材料為鐵基納米晶合金、坡莫合金中的一種，抗飽和磁芯B的材料為鐵基非晶合金。
磁芯A為鐵基納米晶合金時(shí)，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.1T以上，初始磁導(dǎo)率在80000以上；磁芯A為坡莫合金時(shí)，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.6T以上，初始磁導(dǎo)率在100000以上。
磁芯B為鐵基非晶合金時(shí)，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.5T以上，磁導(dǎo)率在200～2000之間。
該復(fù)合磁芯磁導(dǎo)率線性段內(nèi)的磁導(dǎo)率變化率小于10％，在800A/m的直流偏磁場下的電感量和無偏磁場時(shí)的電感量之比大于等于0.5。形狀為圓形、橢圓形、矩形、正方形、梯形和三角形之一。
一種納米晶合金環(huán)狀磁芯的應(yīng)力退火方法，將納米晶帶材在金屬芯子上卷繞成所需磁芯，然后將帶芯子的磁芯在預(yù)定的溫度下退火預(yù)定的時(shí)間。磁芯為鐵基納米晶合金時(shí)，采用的芯子為紫銅、黃銅、純鐵或鋼中的一種或其組合，磁芯在500～600℃下退火30～60分鐘。
一種抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其關(guān)鍵在于該磁芯由高導(dǎo)磁磁芯A和抗飽和磁芯B以軸線重合的方式復(fù)合而成。復(fù)合方式為至少下列之一(1)磁芯A與磁芯B疊放，(2)磁芯A位于磁芯B的內(nèi)部、(3)磁芯A位于磁芯B的外部。
該抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，包括如下步驟母合金冶煉、制帶、卷繞和退火，其特征在于所述的磁芯A為鐵基納米晶時(shí)，其合金成分為(重量百分比)Si 7～9％，B 1.3～2％，Cu 0.8～1.5％，M4～7％，M’0.001～0.05％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中，M為Mo和/或Nb，M’為改進(jìn)加工性能的元素Al和/或Ti；所述的退火步驟為將卷繞好磁芯A在530～560℃進(jìn)行應(yīng)力退火，將磁芯B在400～500℃進(jìn)行表面晶化退火。
當(dāng)所述的磁芯A為鐵基納米晶合金時(shí)，進(jìn)行如下應(yīng)力退火將納米晶帶材在金屬芯子上卷繞成所需磁芯A，然后將帶芯子的磁芯A在530～560℃退火20～30分鐘。
該復(fù)合磁芯置于保護(hù)盒中，復(fù)合磁芯上、下端面與保護(hù)盒上、下內(nèi)端面之間兩個(gè)接觸面的至少一個(gè)接觸面有柔性減震層。保護(hù)盒由塑料、樹脂、金屬或膠木制成。所述的柔性減震層為在所述接觸面之間涂敷選自硅脂、絕緣膠、密封膠的柔性物質(zhì)，或者襯墊選自海綿、橡膠、絕緣紙的柔性減振墊。磁芯A與磁芯B分別用絕緣物質(zhì)包裹或復(fù)合磁芯用絕緣物質(zhì)包裹后置于所述絕緣保護(hù)盒中。磁芯A與磁芯B分別用樹脂、塑料等絕緣物質(zhì)噴涂、注塑或浸漬，或復(fù)合磁芯用樹脂、塑料等絕緣物質(zhì)噴涂、注塑或浸漬。
采用該磁芯制造的抗直流分量電流互感器，其初級線圈電流從零到200A范圍內(nèi)，互感器的比差小于0.1％，角差小于0.6度。
本發(fā)明提出的技術(shù)解決方案包括了以下幾個(gè)方面①采用高導(dǎo)磁合金磁芯和抗飽和合金磁芯復(fù)合的雙磁芯，②在復(fù)合磁芯的鐵基納米晶合金成分中，控制的加入改進(jìn)加工性能的元素Al、Ti，③對于復(fù)合磁芯中的鐵基納米晶合金磁芯采用獨(dú)特的應(yīng)力退火方法進(jìn)行熱處理，下面分別介紹1.采用高導(dǎo)磁合金磁芯和抗飽和合金磁芯復(fù)合的雙磁芯現(xiàn)有技術(shù)中，高導(dǎo)磁合金如鐵基納米晶合金、坡莫合金B(yǎng)s值高，初始磁導(dǎo)率高，例如，坡莫合金及鐵基納米晶合金FeCuNbSiB的Bs值一般在0.6～1.3T，初始磁導(dǎo)率達(dá)100000以上，可以制造普通的電流互感器磁芯。然而，如果互感器所檢測的初級回路中不但包含普通的正弦波電流，而且含有一定的直流分量，那么互感器磁芯承受的是交流磁場和直流偏磁場的疊加磁化。由于鐵鎳合金(又稱為坡莫合金)和鐵基納米晶合金的高磁導(dǎo)率和較低Bs，在直流偏磁場下磁芯會(huì)很快飽和，互感器次級線圈中的磁通量便不再隨初級線圈而變化，互感器不能起到測量電流的作用。因此，坡莫合金及鐵基納米晶合金均不能單獨(dú)應(yīng)用于抗直流分量電流互感器。
另一類廣泛應(yīng)用的材料為抗飽和合金，包括鐵基非晶合金、鈷基非晶合金、硅鋼，其中鐵基非晶合金FeSiB的Bs值高達(dá)1.5T以上，是常用非晶合金中最高的，經(jīng)過適當(dāng)熱處理可以得到數(shù)百至數(shù)千的磁導(dǎo)率，具有良好的抗直流分量電流的能力。但是其最大缺點(diǎn)是初始磁導(dǎo)率低、鐵損大，所以這種材料單獨(dú)制造的互感器的比差和角差不能滿足高精度要求。
針對上述問題，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果將高導(dǎo)磁合金與抗飽和合金組合在一起，形成復(fù)合磁芯，將高導(dǎo)磁合金的高初始磁導(dǎo)率與抗飽和鐵基非晶合金的高Bs巧妙地結(jié)合起來，即可實(shí)現(xiàn)具有抗直流分量能力的高精度電流互感器磁芯。這樣，在電網(wǎng)中沒有直流分量電流時(shí)，高導(dǎo)磁合金的高磁導(dǎo)率發(fā)揮作用，使得互感器具有小的比差和角差。而在電網(wǎng)中具有直流分量電流時(shí)，高導(dǎo)磁合金雖然已經(jīng)磁化飽和，但低磁導(dǎo)率的鐵基非晶合金并未飽和，仍然可以準(zhǔn)確測量電流。這樣，就同時(shí)滿足了高精度與抗直流分量兩個(gè)要求。
為了進(jìn)一步介紹本發(fā)明內(nèi)容，提供由下列兩種材料組合而成的復(fù)合磁芯高導(dǎo)磁合金A它可以是坡莫合金或者鐵基納米晶合金FeCuSiBMM’鐵基非晶合金B(yǎng)FeSiB對于合金A，當(dāng)采用坡莫合金時(shí)，具有下列成分(重量百分比)Fe余量Ni79～86M0～8其中，M為Mo、Nb、V、Cu的一種或幾種。
現(xiàn)有技術(shù)中，坡莫合金已經(jīng)具有成熟的工藝，一般首先將合金軋制到厚度小于0.3毫米，卷繞成磁芯，將磁芯在高純氫氣或者真空中進(jìn)行1000-1200℃的退火處理。對于本發(fā)明，為了減小磁芯的鐵損，進(jìn)而減小互感器角差，需要采用厚度在0.2毫米以下、初始磁導(dǎo)率在100000以上的坡莫合金作為磁芯A。
對于合金A，當(dāng)采用鐵基納米晶合金FeCuSiBMM時(shí)，其成分設(shè)計(jì)將結(jié)合其熱處理工藝在下面進(jìn)行介紹。
該磁芯由高導(dǎo)磁磁芯A和抗飽和磁芯B以軸線重合的方式復(fù)合而成，軸線一般指幾何軸線。
2.鐵基納米晶的合金成分中含有改進(jìn)加工性能的元素Al和/或Ti對于合金A，當(dāng)采用鐵基納米晶合金時(shí)，它具有如下的化學(xué)成分(重量百分比)Si 7～9％，B 1.3～2％，Cu 0.8～1.5％，M 4～7％，M’0.001～0.05％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中，M為Mo和/或Nb，M’為改進(jìn)加工性能的元素Al和/或Ti。
鐵基納米晶合金作為合金A時(shí)，制備過程如下母合金冶煉將鐵、硅、硼鐵、電解銅、鈮鐵或純鈮、鉬、鋁、鈦、鈰等按照所要求的比例稱量，裝入真空感應(yīng)爐，在真空或者惰性氣體保護(hù)下冶煉母合金，形成鋼水熔液。
制帶將鋼水熔液導(dǎo)入底部帶有狹長噴嘴的鋼水包中，鋼水噴射到快速運(yùn)動(dòng)的冷卻介質(zhì)上，形成厚度約0.015-0.022毫米的連續(xù)非晶薄帶。
退火將非晶薄帶卷繞成所需尺寸的磁芯，放入退火爐中，在保護(hù)氣氛中進(jìn)行500～600℃退火，使合金析出一定體積分?jǐn)?shù)的bcc相晶粒，形成納米晶和非晶的混合組織。
在現(xiàn)有技術(shù)中，F(xiàn)eCuNbSiB系列合金(如美國專利US4881989)已經(jīng)大量應(yīng)用于高頻變壓器、共模電感、普通電流互感器等元器件的磁芯。本發(fā)明中合金A的特點(diǎn)在于控制的加入微量的改進(jìn)加工性能元素Al和/或Ti，微量Al和/或Ti的加入可以改善納米晶合金帶材的表面質(zhì)量，有利于制造更薄的帶材。
在現(xiàn)有技術(shù)中，Al、Ti等歷來都被看作合金中的雜質(zhì)，對非晶帶材的制造有不利影響，所以一般都在母合金冶煉時(shí)設(shè)法去除。然而本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在鐵基納米晶合金中添加微量Al、Ti，可以明顯減小帶材制造時(shí)的氣泡尺寸，從而制造出厚度更薄、表面粗糙度更小的帶材，同時(shí)，它們對磁性能并無明顯的不利影響。這種作用的原因在于微量Al、Ti的加入明顯改變了母合金鋼水的表面張力，可以更好地抵抗制帶時(shí)氣泡的形成。這樣，所制造的帶材貼輥面具有更小的氣泡，表面粗糙度Ra減小到2μm以下，可以更加穩(wěn)定地制造厚度在0.015～0.025毫米的超薄帶，從而有效降低渦流和鐵損。經(jīng)過最佳溫度的退火，磁芯的損耗比現(xiàn)有技術(shù)降低了10％以上，這樣減小了互感器在不含直流分量時(shí)的角差。
3.鐵基納米晶合金的應(yīng)力退火本發(fā)明中，當(dāng)應(yīng)用鐵基納米晶合金作為合金A時(shí)，另一個(gè)必要條件是將帶材卷繞成的磁芯在晶化溫度以上進(jìn)行應(yīng)力退火，其目的在于其一，使合金析出一定體積分?jǐn)?shù)的bcc相晶粒，形成納米晶和非晶的混合組織；其二，利用外部應(yīng)力使合金內(nèi)部形成沿磁芯軸向的應(yīng)力感生各向異性，使磁芯具有良好的磁導(dǎo)率線性度，以利于互感器后續(xù)電路對比差和角差的補(bǔ)償。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，為了獲得良好的磁導(dǎo)率線性度，納米晶磁芯一般都進(jìn)行橫向磁場退火。為了得到較好的磁場退火效果，磁芯退火一般要在1000A/m以上的橫向磁場中進(jìn)行，這就要求退火爐外面必須裝配一個(gè)巨大的水冷螺線管。這樣，整個(gè)退火爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)很高。
已有研究工作表明，非晶納米晶合金的條帶在退火過程中施加拉應(yīng)力可以產(chǎn)生感生各向異性。但由于非晶納米晶合金一般都以環(huán)形磁芯的形式使用，上述施加拉應(yīng)力的方法不能適用。
為了使得磁芯在晶化退火過程中產(chǎn)生拉應(yīng)力，本發(fā)明采用將磁芯緊繞在金屬芯子上的方法。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，如果將納米晶磁芯卷繞在具有較大熱膨脹系數(shù)的金屬芯子上進(jìn)行晶化退火，由于退火過程中磁芯發(fā)生晶化，由無序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的納米晶粒，導(dǎo)致1％～2％的體積收縮，而金屬芯子沒有收縮現(xiàn)象，因此磁芯被緊緊地箍在芯子上，產(chǎn)生了一個(gè)沿圓周方向的拉應(yīng)力。這樣，磁芯相當(dāng)于進(jìn)行了應(yīng)力退火，因而具有良好的磁導(dǎo)率線性度，產(chǎn)生了與橫向磁場退火相似的效果。作為卷繞磁芯用的芯子，可以采用紫銅、黃銅、純鐵或鋼等材料。退火以后，再將磁芯從芯子上退下。
經(jīng)過上述工藝，本發(fā)明的新型鐵基納米晶合金具有優(yōu)良的應(yīng)力退火效果。在最佳溫度(530～560℃)下退火30分鐘以上，磁芯的初始磁導(dǎo)率大于100000，磁導(dǎo)率非線性度小于5％。這樣，保證了互感器在不含直流分量時(shí)具有小的比差和角差。
但是，即使合金A經(jīng)過了應(yīng)力退火，也因?yàn)榇艑?dǎo)率過高，易于磁化飽和，無法單獨(dú)應(yīng)用于抗直流分量電流互感器。
對于合金B(yǎng)，它具有如下化學(xué)成分(重量百分比)Fe余量Si5.2～5.5B2.7～2.9在現(xiàn)有技術(shù)中，合金B(yǎng)已被廣泛應(yīng)用于低頻變壓器磁芯。該合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)1.5T以上。為了得到良好的磁性能，合金B(yǎng)一般要進(jìn)行400℃以下的縱向磁場退火，目的是消除磁芯內(nèi)部應(yīng)力，并得到沿縱向的磁場感生各向異性，提高磁導(dǎo)率。
然而在本發(fā)明中，上述退火工藝不適用，原因是用上述工藝退火的合金B(yǎng)磁導(dǎo)率高，易于磁化飽和，不具有足夠的抗直流偏磁能力。
眾所周知，非晶合金處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，在高溫下有晶化趨勢。同時(shí)，非晶合金在晶化過程中，體積會(huì)發(fā)生1～2％的收縮。因此，本發(fā)明中采用了另一種退火方法將合金B(yǎng)在400～500℃進(jìn)行表面晶化退火。在退火過程中，合金B(yǎng)大約0.1～2μm的表面層會(huì)發(fā)生晶化，析出FeB晶化相。由于晶化使得表面層發(fā)生收縮。但由于此時(shí)合金B(yǎng)的內(nèi)部并未晶化，體積未收縮。這樣，晶化了的表面層就會(huì)對未晶化的內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。已知鐵基非晶合金的飽和磁致伸縮系數(shù)大約為25～30×10-6，這樣，內(nèi)部的未晶化層在上述應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生沿垂直于表面方向的橫向感生各向異性，使合金B(yǎng)磁導(dǎo)率降低到僅有100～1000。經(jīng)過上述退火的合金B(yǎng)由于磁導(dǎo)率低，不易磁化飽和，因此具有良好的抗直流偏磁能力。
合金B(yǎng)的制備過程如下母合金冶煉將鐵、硅、硼鐵、電解銅、鈮鐵或純鈮、鉬、鋁、鈦、鈰等按照所要求的比例稱量，裝入真空感應(yīng)爐，在真空或者惰性氣體保護(hù)下冶煉母合金，形成鋼水熔液。
制帶將鋼水熔液導(dǎo)入底部帶有狹長噴嘴的鋼水包中，鋼水噴射到快速運(yùn)動(dòng)的冷卻介質(zhì)上，形成厚度約0.020～0.030毫米的連續(xù)非晶薄帶。
退火將非晶薄帶卷繞成所需尺寸的磁芯，放入退火爐中，在保護(hù)氣氛中進(jìn)行400～500℃退火，使合金表面析出一定體積分?jǐn)?shù)的FeB相晶粒，形成表明晶化組織。
但是，合金B(yǎng)也不能單獨(dú)應(yīng)用于抗直流分量電流互感器磁芯，原因是它的磁導(dǎo)率太低，會(huì)大大增加在不含直流分量時(shí)的測量比差和角差。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果將合金A和合金B(yǎng)形成互感器復(fù)合磁芯，則這種復(fù)合磁芯即具有較高的磁導(dǎo)率，有具有良好的抗直流偏磁能力，兼顧了互感器的測量誤差和抗直流偏磁能力兩方面的要求，可以應(yīng)用于抗直流分量電流互感器。因此，合金A和合金B(yǎng)在本發(fā)明中都是必不可少的。
根據(jù)本發(fā)明，用合金A和合金B(yǎng)制造復(fù)合磁芯有不同方式。首先分別用合金A和合金B(yǎng)各自卷繞成相同內(nèi)徑和外徑的磁芯A和磁芯B。然后分別用合適的熱處理制度分別對磁芯A和磁芯B進(jìn)行退火。
隨后將磁芯A和磁芯B疊放在一起，形成復(fù)合磁芯，如圖2(a)所示。
也可以使磁芯A的外徑恰好等于或稍微小于磁芯B的內(nèi)徑，將磁芯A套入磁芯B內(nèi)部，形成復(fù)合磁芯，如圖2(b)所示。
還可以使磁芯B的外徑恰好等于或稍微小于磁芯A的內(nèi)徑，將磁芯B套入磁芯A內(nèi)部，形成復(fù)合磁芯，如圖2(c)所示。
盡管附圖中描繪的磁芯為圓形，可以理解，磁芯A、B的形狀也可以是其他的形狀，如橢圓形、矩形、正方形、梯形和三角形等等。
然后將復(fù)合磁芯置于保護(hù)盒中，C為下保護(hù)盒，C’為上保護(hù)盒，保護(hù)盒可以用塑料、樹脂、膠木或者金屬制造。為了防止磁芯受到外力破壞或者受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)損壞，在復(fù)合磁芯與保護(hù)盒的上下兩個(gè)接觸面的至少一個(gè)接觸面上涂敷硅脂、絕緣膠、密封膠等軟性物質(zhì)或者襯墊海綿、橡膠、絕緣紙等軟性減振墊?；蛘邔⒋判続與磁芯B分別用絕緣紙、絕緣膠帶、黃蠟綢或其它絕緣物質(zhì)包裹或復(fù)合磁芯用前述絕緣物質(zhì)包裹后置于塑料、樹脂、金屬或膠木保護(hù)盒中。
制成的復(fù)合磁芯也可以用樹脂、塑料等絕緣物質(zhì)噴涂、注塑或浸漬。
最后，根據(jù)預(yù)先的設(shè)計(jì)，以適當(dāng)?shù)姆绞皆趶?fù)合磁芯保護(hù)盒或者保護(hù)層外面繞制一定匝數(shù)的線圈，形成電流互感器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)其一是在甚至200A的初級電流下仍然具有低的比差和角差，其原因在于采用了具有高磁導(dǎo)率的鐵基納米晶合金和抗飽和的鐵基非晶合金組成的復(fù)合磁芯。其二是本發(fā)明不含有昂貴的金屬鈷，大大降低了磁芯以及互感器的成本。
下面結(jié)合圖表和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但這種說明并不限制本發(fā)明的適用范圍。


圖1為電流互感器基本原理圖。
圖2為本發(fā)明的復(fù)合磁芯制造方式。
圖3為本發(fā)明的Fe余量Si7B1.4Cu0.8Nb5.78Al0.02和Fe余量Si5.2B2.9的復(fù)合磁芯所制成互感器的比差和角差。
具體實(shí)施例方式分別用鐵、硅、硼鐵、鈮鐵、鉬、電解銅、鋁、鈦等配制坡莫合金Fe余量Ni79～86M0～8(重量百分比，M為Mo、Nb、V、Cu的一種或幾種)的合金A、鐵基納米晶合金Fe余量Si7-9B1.3-2Cu0.8-1.5M4-7M’0.001-0.05(重量百分比，M為Mo和/或Nb，M’為Al和/或Ti)的合金A和Fe余量Si5.2-5.5B2.7-2.9(重量百分比)的合金B(yǎng)原材料。
用真空感應(yīng)爐熔煉上述成分的母合金，用傳統(tǒng)的軋制和退火工藝制備坡莫合金磁芯，用快速凝固工藝(單輥急冷法)制備不同寬度的非晶帶材。
將非晶帶材分別卷繞成圓環(huán)磁芯，其尺寸如表1所列。將鐵基納米晶磁芯A進(jìn)行550℃、30分鐘的應(yīng)力退火，芯子為黃銅，用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，保溫結(jié)束后隨爐冷卻。將磁芯B進(jìn)行450℃、120分鐘的表面晶化退火，用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，保溫結(jié)束后隨爐冷卻。
表1為本發(fā)明的復(fù)合磁芯與作為比較例的鈷基非晶磁芯互感器的主要特性對比。將磁芯采用不同方式封裝，用細(xì)漆包線繞制次級線圈2500匝，做成額定電流為120A的電流互感器。用專用測量儀測量磁芯繞制成互感器后在50Hz、初級線圈為一匝、不同電流負(fù)載下的比差和角差，如圖3所示。
對比本實(shí)施例和比較例的數(shù)據(jù)可見，本發(fā)明的互感器磁芯磁性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，所制造的互感器具有小的比差和角差，特別是在初級線圈負(fù)載電流為200A時(shí)的比差和角差仍低于現(xiàn)有技術(shù)的鈷基非晶合金。這種改善正是由于本發(fā)明采用了高導(dǎo)磁合金(坡莫合金或鐵基納米晶合金)和鐵基非晶合金組成的復(fù)合磁芯。同時(shí)，由于本發(fā)明的磁芯不含有昂貴的金屬鈷，使互感器的成本大大降低。
表1實(shí)施例與比較例的對比

權(quán)利要求
1.一種抗直流分量電流互感器磁芯，其特征在于該磁芯由高導(dǎo)磁磁芯A和抗飽和磁芯B復(fù)合而成，所述的高導(dǎo)磁磁芯A的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.6T以上，初始磁導(dǎo)率在60000以上；所述的抗飽和磁芯B的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.5T以上，磁導(dǎo)率在200～2000之間，磁導(dǎo)率線性段內(nèi)的磁導(dǎo)率變化率小于10％，在800A/m的直流偏磁場下的電感量和無偏磁場時(shí)的電感量之比大于等于0.5。
2.如權(quán)利要求1所述的抗直流分量電流互感器磁芯，其特征在于所述的高導(dǎo)磁磁芯A的材料為鐵基納米晶合金、坡莫合金中的一種，所述的抗飽和磁芯B的材料為鐵基非晶合金。
3.如權(quán)利要求1或2之一所述的抗直流分量電流互感器磁芯，其特征在于所述的磁芯A為鐵基納米晶合金時(shí)，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.1T以上，初始磁導(dǎo)率在80000以上。
4.如權(quán)利要求1或2之一所述的抗直流分量電流互感器磁芯，其特征在于所述磁芯A為坡莫合金時(shí)，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.6T以上，初始磁導(dǎo)率在100000以上。
5.如權(quán)利要求1或2之一所述的抗直流分量電流互感器磁芯，其特征在于所述的磁芯B為鐵基非晶合金時(shí)，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.5T以上，磁導(dǎo)率在200～2000之間。
6.如權(quán)利要求1所述的抗直流分量電流互感器磁芯，其特征在于復(fù)合磁芯磁導(dǎo)率線性段內(nèi)的磁導(dǎo)率變化率小于10％，在800A/m的直流偏磁場下的電感量和無偏磁場時(shí)的電感量之比大于等于0.5。
7.如權(quán)利要求1所述的抗直流分量電流互感器磁芯，其特征在于所述的復(fù)合磁芯的形狀為圓形、橢圓形、矩形、正方形、梯形和三角形之一。
8.一種納米晶合金環(huán)狀磁芯的應(yīng)力退火方法，其特征在于將納米晶帶材在金屬芯子上卷繞成所需磁芯，然后將帶芯子的磁芯在預(yù)定的溫度下退火預(yù)定的時(shí)間。
9.如權(quán)利要求8所述的納米晶合金環(huán)狀磁芯的應(yīng)力退火方法，所述的磁芯為鐵基納米晶合金時(shí)，采用的芯子為紫銅、黃銅、純鐵或鋼中的一種或其組合，磁芯在500～600℃下退火30～60分鐘。
10.一種抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其特征在于該磁芯由高導(dǎo)磁磁芯A和抗飽和磁芯B以軸線重合的方式復(fù)合而成。
11.如權(quán)利要求10所述的抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其特征在于所述的高導(dǎo)磁磁芯A的材料為鐵基納米晶合金、坡莫合金中的一種，所述的抗飽和磁芯B的材料為鐵基非晶合金。
12.如權(quán)利要求10、11之一所述的抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其特征在于所述的復(fù)合方式為至少下列之一(1)磁芯A與磁芯B疊放，(2)磁芯A位于磁芯B的內(nèi)部、(3)磁芯A位于磁芯B的外部。
13.如權(quán)利要求10、11之一所述的抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，包括如下步驟母合金冶煉、制帶、卷繞和退火，其特征在于所述的磁芯A為鐵基納米晶時(shí)，其合金成分為(重量百分比)Si 7～9％，B 1.3～2％，Cu 0.8～1.5％，M 4～7％，M’0.001～0.05％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中，M為Mo和/或Nb，M’為改進(jìn)加工性能的元素Al和/或Ti；所述的退火步驟為將卷繞好磁芯A在530～560℃進(jìn)行應(yīng)力退火，將磁芯B在400～500℃進(jìn)行表面晶化退火。
14.如權(quán)利要求13所述的抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其特征在于當(dāng)所述的磁芯A為鐵基納米晶合金時(shí)，進(jìn)行如下應(yīng)力退火將納米晶帶材在金屬芯子上卷繞成所需磁芯A，然后將帶芯子的磁芯A在530～560℃退火20～30分鐘。
15.如權(quán)利要求10所述的抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其特征在于所述復(fù)合磁芯置于保護(hù)盒中，復(fù)合磁芯上、下端面與保護(hù)盒上、下內(nèi)端面之間兩個(gè)接觸面的至少一個(gè)接觸面有柔性減震層。
16.如權(quán)利要求15所述的抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其特征在于所述的保護(hù)盒由塑料、樹脂、金屬或膠木制成。
17.如權(quán)利要求15所述的抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其特征在于所述的柔性減震層為在所述接觸面之間涂敷選自硅脂、絕緣膠、密封膠的柔性物質(zhì)，或者襯墊選自海綿、橡膠、絕緣紙的柔性減振墊。
18.如權(quán)利要求15所述的抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其特征在于磁芯A與磁芯B分別用絕緣物質(zhì)包裹或復(fù)合磁芯用絕緣物質(zhì)包裹后置于所述絕緣保護(hù)盒中。
19.如權(quán)利要求15所述的抗直流分量電流互感器復(fù)合磁芯的制造方法，其特征在于磁芯A與磁芯B分別用樹脂、塑料等絕緣物質(zhì)噴涂、注塑或浸漬，或復(fù)合磁芯用樹脂、塑料等絕緣物質(zhì)噴涂、注塑或浸漬。
20.一種如權(quán)利要求1所述的抗直流分量電流互感器磁芯的用途，其特征在于采用該磁芯制造的抗直流分量電流互感器，其初級線圈電流從零到200A范圍內(nèi)，互感器的比差小于0.1％，角差小于0.6度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抗直流分量電流互感器磁芯及其制造方法和用途，該磁芯由高導(dǎo)磁磁芯A和抗飽和磁芯B復(fù)合而成，磁芯A為鐵基納米晶合金、坡莫合金中的一種，磁芯B為鐵基非晶合金，所述的磁芯A為鐵基納米晶時(shí)，其合金成分為(重量百分比)Si 7～9％，B 1.3～2％，Cu 0.8～1.5％，M4～7％，M′0.001～0.05％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中，M為Mo和/或Nb，M′為改進(jìn)加工性能的元素Al和/或Ti；退火步驟為將卷繞好磁芯A在530～560℃進(jìn)行應(yīng)力退火，將磁芯B在400～500℃進(jìn)行表面晶化退火。該復(fù)合磁芯綜合了高導(dǎo)磁合金和抗飽和合金的優(yōu)點(diǎn)，既具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs，又同時(shí)兼有高磁導(dǎo)率、低鐵損，具有比現(xiàn)有技術(shù)更好的綜合磁特性，使互感器工作在有直流分量的情況下仍具有小的比差和角差。
文檔編號(hào)H01F27/24GK1688003SQ200510077418
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者劉宗濱, 于均, 周謙莉, 戴曉毅 申請人:安泰科技股份有限公司, 鋼鐵研究總院