Способ изготовления ленточных магнитопроводов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

"I .1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4775558/07 (22) 29.12.89 (46) 30.06,92. Бюл. ¹ 24 (71) Всесоюзный электротехнический институт им. В.И. Ленина (72) А.М. Дураченко и А.Е. Филиппов (53) 621,313.44(088.8) (56) Ма. В. М., Graham С.D, "IEEE Trans

Magn", 1980, 16, ¹ 5, 1144 — 1146.

Luborsky F., Becker J„Frlshmàn P., Johnson L. "Journal of Appl Phys", 1978, 49, ¹ 3, 1769 — 1774, G, Herrer, НЯ. Hilzlnger "Journal Mag.

Mag. Mat", 1986, 62, р. 143 — 151.

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к изготовлению магнитных систем трансформаторов, и может быть использовано в высокочастотных (fc

<100 кГц) трансформаторах при замене аморфными магнитомягкими сплавами (AMMC), характеризующимися низкими потерями на гистерезис и вихревые токи — в

3-5 раз ниже лучших кристаллических магнитомягких сплавов пермаллойного класса. тончайшей ленты электротехнической стали, ферритов.

Известны способы изготовления ленточных магнитопроводов, включающие термомагнитную обработку (ТМО ) e продольном (ТМО„) или поперечном (ТМО ) поле и характеризующиеся тем, что при ТМО ниже точки Кюри в AMMC проходят ответственн ые за создание магнитной анизотропии релаксационные процессы структурного Ы 1744766 А1 (si)s Н 02 К 15/02, Н 01 F 41/02 (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ (57) Использование: для повышения термостабил ьности электромагнитных характеристик магнитопроводов из аморфных магнитомягких сплавов с низкими потерями на гистерезис и вихревые токи. Сущность изобретения: на ленту наносят покрытие из электроизоляционнаго материала, которое обеспечивает коэффициент прямоугольности петли гистерезиса Вг/В 0,4. Термообработку магнитопровода осуществляют до момента начала процесса кристаллизации аморфного магнитомягкого материала ленты. упорядочения, определяющие высокий уровень магнитных свойств.

Известен также отжиг под растягивающим напряжением (г-отжиг), действие которого в сплавах, например, на основе FeNi сравнимо с действием TMO.

Однако применение этих способов тре-, 4 бует либо специальной оснастки при ис- 0 пользовании стандартного термического ф ь оборудования, либо разработки специализированного оборудования для TMO. При переходе к магнитопроводам значительных размеров, например с внешним диаметром более 300 мм, создание оснастки для ТМО имеет серьезные технические трудности, ограничивающие производительность в условиях массового производства.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления магнитопроводов, включающий навивку ленты из сплава

1744766

45

50 и отжиг с частичной кристаллизацией ленты, а именно ее поверхностных слоев, Более плотные по сравнению с аморфной матрицей кристаллические слои создают напряжения в ленте и, соответственно, положительные магнитострикционные силы с вектором намагниченности, перпендикулярным плоскости ленты.

Однако, известный способ имеет пониженную по сравнению с отрелаксированной без кристаллизации температурную устойчивость и, соответственно, термостабильность электромагнитных характеристик вследствие используемых для получения кристаллических слоев режимов термообработки — температуры и времени отжига; нереализуемость режимов обработки с пониженной хрупкостью, При этом повышенная хруп кость кристаллических слоев может отрицательно сказываться при использовании открытых конструктивных исполнений магнитопроводов, без герметичных оболочек, в охлаждающих средах, Целью изобретения является улучшение качества магнитопроводов путем повышения термостабильности их электромагнитныхх характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в известном =пособе, согласно которому магнитопровод навивают из ленты, выполненной из магнитомягкого сплава, и термообрабатывают их, на ленту наносят покрытие из электроизоляционного материала, обеспечивающее коэффициент прямоугольности петли гистерезиса Br/Bs 0,4, а термообработку осуществляют до момента начала процесса кристаллизации материала ленты, Момент начала кристаллизации определяют по диаграмме: температура нагрева— время выдержки — состояние сплава.

Диаграмма представляет собой кривую зависимости температуры начала кристаллизации от времени выдержки, которая разделяет области существования аморфной фазы (ниже кривой) и частично закристаллизованного сплава (выше кривой). Построение диаграммы для АММС может быть проведено по экспериментальным термограммам дифференциального термического анализа (ДТА) или дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), снятых при разных скоростях нагрева, по смещению температуры пика тепловыделения, соответствующего кристаллизации, Так как кристаллизация АММС является активационным процессом, описываемым уравнением

Аврами, х = 1 — ехр -At" ), где х — кристаллизовавшаяся фракция;

А — постоянная величина (const);

t — время;

n — порядок реакции, эффективная энергия активации выражена формулой

Еа = R = бfin(Vн/Têð ))/d(1/Ткр), Е 2 где VH — скорость нагрева;

Ткр — температура кристаллизации;

R — газовая постоянная.

По экспериментально определенным Е, строится необходимая для выбора режима термообработки (TO) диаграмма: температура нагрева — время выдержки — состояние сплава.

В известном способе с частичной кристаллизацией энергия анизотропии в аморфной части ленты АММС, определяющая уровень удельных потерь, прямо пропорциональна толщине кристаллического слоя и может быть оценена по величине отношения Br/Bs при частоте f =0,1 Гц, пропорциональной отношению толщины кристаллического слоя к общей толщине ленты.

В предлагаемом способе также удобно принять для оценки энергии анизотропии и, соответственно, степени влияния наводимых электроизолирующим покрытием напряжений при ТО на релаксационный процесс структурного упорядочения, уровень электромагнитных характеристик, величину коэффициента прямоугольной петли гистерезиса Br/Bs, определяемую отношением остаточной индукции к индукции технического насыщения.

Результаты экспериментов с различными типами и толщинами электроизолирующих покрытий на ленте АММС 7421 (Fe — Si —  — С) показали, что для обеспечения требуемой близости к уровню удельных потерь Ртмо, . Руд/Ртмо 1,3 требуется обеспечение за счет наводимых покрытием напряжений Br/Bs 0,4; Руд — получаемый уровень удельных потерь в результате реализации предлагаемого способа при ТО;

Ртмо уровень удельных потерь при Тмо, Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Из ленты сплава 7421 толщиной 25 мкм, поведение которого при

ТО и TMO является типичным для группы сплавов металлоидов на основе Fe, Ni (основной группы АММС, перспективной для электротехнических применений), изготовлен кольцевой ленточный сердечник с внешним диаметром 50 мм, внутренним диаметром 40 мм, высотой 10 мм, с односторонним электроизолирующим покрытием

1744766 из окиси магния толщиной 10 мкм,нанесенным методом катафореза.

Далее провели термообработку по следующей циклограмме; нагрев до 390 С со скоростью 20 град/мин; выдержка 6 мин; охлаждение со скоростью 8 град/мин.

По квазистатическим петлям гистерезиса, снятым при частоте f=0,1 Гц, определен коэффициент прямоугольности петли гистерезиса Br/Bs=0,18..

На испытательном стенде. включающем генератор ГЗ вЂ” 33, усилитель мощности и электронный ваттметр, определены удельные потери в стали (Руд) при индукции Вт =

=1,0Тл и разных частотах. При f = 1 кГц(Руд)

1,0/1000=3,41 Вт/кГ; при f =- 3 кГц (Руд)

1,0/3000 = 13,6 Вт/кГ, Ожидаемые удельные потери при ТМО (Ртмо ) соответственно равны 3,2 и 14

Вт/к Г.

Пример 2. Из ленты сплава 7421 толщиной 25 мкм аналогично изготовлен магнитопровод внешним диаметром 230 мм, внутренним диаметром 150 мм. высотой

20 мм с односторонним катафорезным по крытием из окиси магния толщиной 3 мкм, Магнитопровод предназначен для магнитной системы высокочастотного трансформатора системы высоковольтного электропитания электрофизической установки.

Термообработка образца проведена по следующей циклограмме; нагрев до 4QQ С со скоростью 15 град/мин: охлаждение до

200 С со скоростью 20 град/мин: дальнейшее охлаждение со скоростью 5 ггад/мин.

Определены удельные потери в стали (Руд) при индукции Br=5,0 Тл и разных частотах.

При f = 1 кГц (Руд) 0,5/1000 — 1.58 Вт/к Г; при

f = 3 кГц (Руд) 0,5/3000 =- 5.55 Вт/кГ, Тогда

Руд/Ртмо = 1,13; Br/Bs = 0.3.

Таким образом, при голщине.электроизолирующего покрытия 3 мкм (пример 2) достигается более высокий коэффициент заполнения, чем при толщине покрытия 10 мкм (пример 1).

Пример 3. Из ленты сплава 7421 толщиной 25 мкм аналоя о ор "р дущим примерам изготовлен магнитопровод внешним диаметром 110 мм, внутренним — 90 мм, высотой 20 мм с односторонним покрытием из окиси магния толщиной 2.5 мкм. Термообработка образца проведена по следующей циклограмме: нагрег, до 4 10"С со скоростью 13,5 град/мин, выдор>кка 3 мин, охлаждение до 150 С со ск"рпстью 10 град/мин. Определены удельные потери в стали (Руд) при индукции В!--0.5 Тл при разных частотах. При f = 1 кГц. Р,д 1.0/1000 =

= 4.48 Вт/кГ; Руд/Рож тмо = 1,4; при f = 3 кГц большинстве случаев необходимой операцией для получения магнитопроводов

AMMC с требуемыми характеристиками, целесообразно использование типов и толщин покрытий. максимально упрощающих процесс дальнейшей обработки.

Ф ормула изобретения

Способ изготовления ленточных магнитоп .; вдов, согласно которому магнитопровод навивают из ленты, выполненной из аморфного магнитомягкого сплава, и термообрабатывают, отл ича ющийс я тем, что, с целью улучшения качества магнитопрсводов путем повышения термостабильности их электромагнитных характеристик, на лент наносят покрытие из электроизоляци)ii!10 о материала, обеспечивающее коэффициент прямоугольности петли гистерезиса Br/В 0,4, а термообработку осуществляют до момента начала процесса кр;стэллизации материала ленты.

55 (Руд) 0,5/3000 = 6,76 Вт/кГ; Руд/Рожтмо =

= 1,44; Br/Bs — 0,45.

Анализируя результаты изложенных примеров, можно сделать вывод, что даль5 нейшее уменьшение толщины (< 3 мкм) электроизолирующего покрытия ведет к росту коэффициента прямоугольности петли гистерезиса Вг/Bs 0,4 и, соответственно, к увеличению отношения уровня удельных

10 потерь при ТО и ТМО, Руд/Ртмо > 1,3, что нарушает технологические допуски при взаимозаменяемости способов ТО и ТМО.

Следовательно, оптимальным является изготовление магнитопровода, приведен15 ное в примере 2, Таким образом, выполнение соотношения Br/Bs 0,4 и Руд/Ртмо 1,3 позволяет .

J. получить более высокий коэффициент заполнения, соблюсти технологические допу20 сти по взаимозаменяемости способов ТО и

TMO и в целом улучшить технологию изготовления ленточных магнитопроводов из аморфных сплавов.

Изобретение позволяет в результате за25 мены TMO на ТО использовать стандартное оборудование термических цехов машиностроительных предприятий для оптимизации электромагнитных характеристик навитых магнитопроводов из AMMC с эко30 номией электроэнергии, трудозатрат, а для ма нитопроводов больших размеров является одним из немногих реальных способов обработки, применимых в условиях массового производства.

35 Так как нанесение электроизолирующего покрытия на ленту АММС является в