CN103117154A - 逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于变压器的磁芯技术领域，一种制备纳米晶铁芯的方法，特别是制备逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯及其制备方法，是采用速凝法制带、绕制铁芯和热处理步骤制备，该纳米晶铁芯采用厚度为24±2μm的铁基纳米晶带材制备而成。相对于现有技术中厚度为30μm的铁基纳米晶带材制作的铁芯而言，本发明通过不同的热处理技术，调整热处理温度、保温时间及磁场电流工艺，从而获得了高频下剩磁、损耗及导磁率均更低的铁基纳米晶铁芯，同时降低了铁芯变压器的温升，提高了电源效率的运行稳定性，满足逆变焊机电源变压器高频化、小型化及更安全的设计要求。
Description
技术领域
本发明属于变压器铁芯技术领域，特别涉及一种逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯及其制备方法。
背景技术
随着电子技术的不断发展，有源器件的进步，电子产品体积和重量大为减少，这就推动了包括电子变压器在内的电子元器件向轻薄、小的方向发展。电子变压器向高频化、低损耗、重量轻、体积小的方向发展是必然的趋势。具有高饱和磁感、高初始磁导率和高频损耗低的非晶纳米晶软磁合金材料用作电子变压器磁芯将为电子变压器的小型化提供新的方案，满足电子行业的发展需要。
一般来讲，电子变压器对其铁芯材料主要有以下要求：（1）高的饱和磁感；（2）尽可能低的高频损耗；（3）高的初始磁导率；（4）高的居里温度和良好的温度稳定性；（5）环境稳定性好，对应力不敏感；（6）有些用途如脉冲变压器还要求高的矩形比Br/Bs或低Br。这使得非晶纳米晶合金开发应用非常活跃，已研制成各种各样的磁性器件广泛应用于电力工业、电子工业及电力电子领域，用作电流互感器、开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、电抗器、滤波器以及抗EMI器件等。
其中，逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器，是一种新型的焊接电源。这种电源一般是将三相工频（50Hz）交流网路电压，先经输入整 流器整流和滤波，变成直流，再通过大功率开关电子元件（晶闸管SCR、晶体管GTR、场效应管MOSFET或IGBT）的交替开关作用，逆变成几千赫兹到几十千赫兹的中频交流电压，同时经变压器降至适合于焊接的几十伏电压，后再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。目前，逆变焊机电源普遍使用的纳米晶变压器铁芯多采用30μm左右的带材制成，由于带材较厚，体积较大，且铁芯剩磁高，损耗大，铁芯发热严重，造成变压器温升高，从而导致电源效率和电源运行的安全稳定性较差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种改进的逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯及其制备方法，采用高端纳米晶薄带，配合改进的磁场的热处理工艺，可得到更低剩磁、更低损耗的纳米晶铁芯，从而降低变压器的损耗。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯，是采用速凝法制带、绕制铁芯和热处理步骤制备，其中，所述纳米晶铁芯是采用厚度为24±2μm的铁基纳米晶带材绕制而成。
制备所述纳米晶铁芯的热处理工艺制度如下：在加磁场且磁场电流为600-700A的条件下，采用两段保温法，第一段温度控制在460-480℃，保温40min；第二段温度控制在560-570℃，保温90min。
所述纳米晶铁芯在20KHz，0.5T条件下，损耗P≤20W/Kg，剩磁Br≤0.2T。
所述厚度为24±2μm的铁基纳米晶带材的叠片系数大于78%。
制备逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯的方法，包括速凝法制带、绕制铁芯和热处理步骤，其中，所述纳米晶铁芯采用厚度为24±2μm的 铁基纳米晶带材绕制而成。
制备所述纳米晶铁芯的热处理工艺制度如下：在加磁场且磁场电流为600-700A的条件下，采用两段保温法，第一段温度控制在460-480℃，保温40min；第二段温度控制在560-570℃，保温90min。
所述厚度为24±2μm的铁基纳米晶带材的叠片系数大于78%。
在速凝法制带过程中喷嘴缝隙为0.25-0.3mm，辊嘴间距为0.1-0.5mm，液位高度为0.7-0.9m，以及冷却辊转速为20-25m/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用厚度为24±2μm的纳米晶薄带为母带，制作的逆变焊机用变压器铁芯，通过不同的热处理技术，调整热处理温度、保温时间及磁场电流工艺，从而获得了高频下剩磁、损耗及导磁率均更低的铁基纳米晶铁芯，同时降低了铁芯变压器的温升，提高了电源效率的运行稳定性，满足逆变焊机电源变压器高频化、小型化及更安全的设计要求。
2、本发明采用快速凝固技术，通过调整喷嘴缝隙、辊嘴间距、液位高度及冷却辊转速等工艺参数，实现在线测厚控制，制备厚度24±2μm的铁基纳米晶带材，带材韧性好，表面质量良好，致密度高，叠片系数达到78%以上，获得表面质量一致性更好的母带，可以提高铁芯批量加工一致性。
附图说明
图1为本发明的制备低剩磁低损耗纳米晶铁芯的方法中热处理工艺曲线图；
图2为本发明所制备的纳米晶铁芯与现有技术的铁芯的磁滞回线，图2a为静态磁滞回线，图2b为动态磁滞回线；
图3为本发明所制备的纳米晶带材与现有技术纳米晶带材的损耗 曲线；
图4为本发明所制备的纳米晶带材与现有技术纳米晶带材的剩磁曲线；
其中，图2-4中的曲线a为根据本发明24μm铁基纳米晶带材所制备的铁芯的测试曲线，曲线b为现有技术30μm铁基纳米晶带材所制备的铁芯的测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，进一步地详细解释本发明的制备低剩磁低损耗纳米晶铁芯的方法。
根据本发明的方法制备低剩磁低损耗纳米晶铁芯，具体包括如下步骤：
（1）根据本发明的方法制备厚度为24μm且叠片系数大于78%的铁基纳米晶带材，其中制备过程中喷嘴缝隙为0.25-0.3mm，辊嘴间距为0.1-0.5mm，液位高度为0.7-0.9m，以及冷却辊转速为20-25m/s。
（2）将上述带材卷绕成纳米晶铁芯，并采用如下热处理工艺制度：在加磁场且磁场电流为600-700A的条件下，采用两段保温法，第一段温度控制在460-480℃，保温40min；第二段温度控制在560-570℃，保温90min，全程PLC控制。
根据上述方法制成如下规格的铁基纳米晶变压器铁芯，并且在20KHz，0.5T下测试其磁性能，具体如表1所示。
表1.采用本发明的方法制备的不同规格的铁芯的磁性能
采用现有技术中30μm的纳米晶带材经过与本实施例相同的热处理制度处理后，也制成120*60*30的纳米晶铁芯。分别测试上述两种不同厚度带材对应纳米晶铁芯的磁性能，具体如下：
a.不同厚度带材对应铁芯静态及动态磁滞回线
图2为本发明所制备的纳米晶铁芯与现有技术的铁芯的磁滞回线，图2a为静态磁滞回线，图2b为动态磁滞回线。图中磁滞回线所包围的面积即为损耗，从图2a、2b可以看出，本发明24μm带材制备铁芯的损耗明显低于现有技术中30μm带材制备的铁芯。
b.不同厚度带材对应铁芯损耗、剩磁曲线
图3为本发明所制备的纳米晶带材与现有技术纳米晶带材的损耗曲线，图4为本发明所制备的纳米晶带材与现有技术纳米晶带材的剩磁曲线。表2为不同厚度带材对应铁芯的磁性能。
可以看出，20KHz，0.5T下测试24μm铁芯的损耗比30μm铁芯损耗降低40%，剩磁降低40%。
表2.不同厚度带材对应铁芯的磁性能
| 带材厚度 | 磁芯规格 | 20KHz，0.5T下铁损 | 20KHz，0.5T下剩磁 |
| 30微米 | ONL120*60*30 | 25W/kg | 0.26T |
| 24微米 | ONL120*60*30 | 15W/Kg | 0.15T |
并且，采用24μm薄带制作的变压器可以获得更小的体积。例如，同等温升条件，保持发热量不变，铁芯损耗减小后，变压器体积可以缩小，单重可降低20%，原有ONL120*60*30铁芯制做的变压器，可以用ONL105*60*30铁芯来替代。
Claims (8)
1.一种逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯，是采用速凝法制带、绕制铁芯和热处理步骤制备，其特征在于：所述纳米晶铁芯是采用厚度为24±2μm的铁基纳米晶带材绕制而成。
2.如权利要求1所述的纳米晶铁芯，其特征在于：制备所述纳米晶铁芯的热处理工艺制度如下：在加磁场且磁场电流为600-700A的条件下，采用两段保温法，第一段温度控制在460-480℃，保温40min；第二段温度控制在560-570℃，保温90min。
3.如权利要求1所述的纳米晶铁芯，其特征在于：所述纳米晶铁芯在20KHz，0.5T条件下，损耗P≤20W/Kg，剩磁Br≤0.2T。
4.如权利要求1所述的纳米晶铁芯，其特征在于：所述厚度为24±2μm的铁基纳米晶带材的叠片系数大于78%。
5.制备如权利要求1所述的逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯的方法，包括速凝法制带、绕制铁芯和热处理步骤，其特征在于：所述纳米晶铁芯采用厚度为24±2μm的铁基纳米晶带材绕制而成。
6.如权利要求5所述的制备逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯的方法，其特征在于：制备所述纳米晶铁芯的热处理工艺制度如下：在加磁场且磁场电流为600-700A的条件下，采用两段保温法，第一段温度控制在460-480℃，保温40min；第二段温度控制在560-570℃，保温90min。
7.如权利要求5所述的制备逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯的方法，其特征在于：所述厚度为24±2μm的铁基纳米晶带材的叠片系数大于78%。
8.如权利要求5所述的制备逆变焊机电源变压器纳米晶铁芯的方法，其特征在于：在速凝法制带过程中喷嘴缝隙为0.25-0.3mm，辊嘴间距为0.1-0.5mm，液位高度为0.7-0.9m，以及冷却辊转速为20-25m/s。
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