Способ обработки магнитопровода
Владельцы патента RU 2510661:
Пудов Владимир Иванович (RU)
Драгошанский Юрий Николаевич (RU)
Соболев Анатолий Сергеевич (RU)
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для изготовления магнитопроводов силовых трансформаторов источников вторичного питания, измерительных трансформаторов и трансформаторов тока. Технический результат состоит в снижении магнитных потерь, получении высокой магнитной проницаемости и снижении коэрцитивной силы. Способ обработки витого из ленты аморфного сплава на основе кобальта с температурой Кюри до 170°С магнитопровода, межвитковое пространство которого заполнено отвердевшим неорганическим клеем на основе силиката натрия для образования жесткой конструкции, включает отжиг в окислительной среде с последующим охлаждением до комнатной температуры. Магнитопровод подвергают дополнительному отжигу в окислительной среде в режиме термомагнитной обработки путем нагрева до температуры 100-140°С со скоростью 5-15°С/мин в постоянном магнитном поле, направленном ортогонально торцевой плоскости витков ленты. Проводят изотермическую обработку в течении 10-20 минут и охлаждение до комнатной температуры ведут в магнитном поле со скоростью 3-10°С/мин. Напряженность магнитного поля поддерживают равной 50-80 кА/м.
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для изготовления магнитопроводов, применяемых в силовых трансформаторах источников вторичного питания, в измерительных трансформаторах и трансформаторах тока.
К настоящему времени обычные металлургические способы не позволяют получать магнитомягкие материалы с высоким уровнем магнитных свойств, в частности с минимальными удельными магнитными потерями Ps, высокой магнитной проницаемостью µo, низкой коэрцитивной силой Нс Применение таких материалов в электротехнических и радиоэлектронных устройствах в качестве магнитопроводов позволило бы уменьшить их размеры, расширить частоты перемагничивания и, как следствие, развивать эти направления на новом качественном уровне.
Одно из направлений решения этих проблем связано с разработкой новых перспективных способов обработки магнитомягких материалов и изготовляемых из них полуфабрикатных изделий, а также совершенствование технологий их изготовления.
Известен способ термообработки магнитопроводов из аморфных железокобальтовых сплавов марки 18КХ, 49К2ФА, применяемых в электротехнике. Магнитопровод помещают в формующую оправу и устанавливают в вакуумную печь, нагревают до температуры Курнакова, проводят выдержку при 620-800°С в течение 2-5 часов и охлаждают с регламентированной скоростью 150-600°С/ч в магнитном поле или без него. В результате улучшаются механические свойства сплавов в 1,5-2 раза при сохранении или улучшении основных магнитных свойств [Воробьев В.Н. и др. А.с. СССР №1592353. Б.и. №12,1990].
Однако изобретение направлено на решение задачи, связанной с повышением механических свойств магнитопроводов, т.е. их жесткости. Таким образом, предложенное в изобретении решение только восстанавливает магнитные свойства материалов, а не повышает их. Кроме этого данный способ трудоемок, осуществляется не в технологической цепочке изготовления сплавов, следовательно, для его реализации требуются дополнительные энерго- и трудозатраты.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления магнитопровода на основе аморфной магнитной ленты состава Co67Fe3Cr3Si15B12 с температурой Кюри 150-160°С и положительной константой магнитострикции 0,2·10-6, шириной 10 мм и толщиной 20-25 мкм путем витой смотки ленты в кольцевую или прямоугольную форму размером 32x20x10 мм. Причем межвитковое пространство магнитопровода пропитывают неорганическим клеем на основе силиката натрия с плотностью 1300 кг/м для образования жесткой конструкции. Сушку магнитопровода проводят при температуре 90°С в течение 1 ч, а затем для снятия закалочных напряжений ленты отжигают на воздухе 1 час при температуре 450°С. Объемная доля магнитопровода, связанного клеем, составляет 0,5 [Патент РФ №2038638. Магнитопровод. Белозеров В.Я., Стародубцев Ю.Н., Кейлин В.И.].
Однако технология изготовления аморфных сплавов с высокими физико-механическими свойствами сложна. Например, создание оптимальной стехиометрической смеси аморфного сплава требует высокой точности подбора состава легирующих элементов и их равномерного распределения в расплаве. Отклонение десятых и даже сотых процентов состава легирующих элементов от оптимального варианта приводит к существенному изменению свойств аморфного сплава [Патент РФ №2009246. Кейлин В.И., Стародубцев Ю.Н., Белозеров В.Я.].
С другой стороны при изготовлении аморфной ленты путем быстрого охлаждения расплава одновалковым спиннингованием на одной стороне ленты формируется ровная поверхность, а на другой - поперечно овальная с толщиной ленты меньшей на боковых краях, чем в середине. Поэтому при смотке ленты в многовитковый магнитопровод, а смотка ленты проходит под натяжением, верхние витки ленты давят на нижние, и боковые края ленты частично прогибаются и неравномерно деформируются. В результате этого первоначально полученные в аморфной ленте магнитные свойства существенно ухудшаются. Соответственно, магнитные свойства ленты ухудшаются и при пропитке магнитопровода изоляционным клеем. Поскольку при его отжиге клей размягчается и неравномерно выдавливается на боковые края витков ленты, что приводит в процессе его отвердения к формированию на разных участках магнитопровода разных внутренних напряжений. Такой же вклад вносит и неполное заполнение клеем объема магнитопровода. Однако в этом случае по сравнению с полным заполнении клеем объема магнитопровода происходит меньшее снижение его магнитной проницаемости.
В результате изготавливаемые магнитопроводы имеют разброс параметров µo - 80000-100000 ед.СИ, Нс - 0,2-0,4 A/м, Ps - 2-3,6 Вт/кг.
Таким образом, для повышения функциональных свойств многовитковых магнитопроводов требуется разработка новых перспективных способов их обработки и изготовления.
В основу изобретения положена задача улучшения физико-механических свойств аморфных магнитопроводов, а именно снижение магнитных потерь, получение высокой магнитной проницаемости и снижение коэрцитивной силы за счет применения новых способов и технологий их обработки и изготовления.
Поставленная задача решается тем, что изготовленный кольцевой или прямоугольный формы магнитопровод, выполненный витым из ленты аморфного сплава на основе кобальта с температурой Кюри до 170°С, межвитковое пространство которого заполнено отвердевшим неорганическим клеем на основе силиката натрия для образования жесткой конструкции, включающий отжиг в окислительной среде с последующим охлаждением до комнатной температуры согласно изобретению, магнитопровод подвергают дополнительному отжигу в обычной окислительной среде, в режиме термомагнитной обработки, путем нагрева до температуры 100-140°С со скоростью 5-15°С/мин в постоянном магнитном поле, направленном ортогонально торцевой плоскости витков ленты, с последующей изотермической обработкой в течении 10-20 минут, а охлаждение до комнатной температуры ведут в магнитном поле со скоростью 3-10°С/мин; при этом напряженность магнитного поля поддерживают равной 50-80 кА/м.
Физическая сущность способа заключается в следующем: при изготовлении аморфной ленты путем быстрого охлаждения расплава и последующей первичной термической обработки смотанной ленты в магнитопроводе ее структура формируется из продольных, поперечных, перпендикулярных 180-градусных и замыкающих их магнитный поток 90-градусных доменов.
При вторичной термической обработке аморфной ленты в условиях воздействия постоянного магнитного поля, направленного ортогонально торцевой плоскости витков ленты, улучшение ее магнитных свойств связано с существенным снижением объема 180-градусных магнитных доменов, намагниченных при первичной термообработке перпендикулярно плоскости ленты, занимавших почти 30% объема в образцах.
С почти полным исчезновением перпендикулярно и продольно намагниченных доменов магнитным полем формируется анизотропная структура из 180-градусных доменов с направлением намагниченности вдоль приложенного поля. На боковых краях этой ленты образуются 90-градусные домены, обеспечивающие замыкания магнитного потока и снижение магнитостатической энергии ленты.
В последующем при измерениях магнитных характеристик изделий намагничивающее силовое поле обмотки трансформатора направлено (как и в условиях применения измерительных трансформаторов тока) вдоль поверхности его ленты, то есть вдоль ее продольной оси. Сформированные при термомагнитной обработке замыкающие 90-градусные домены становятся зародышами перемагничивания в направлении приложенного переменного поля, что позволяет снизить его напряженность и уменьшить энергетические затраты на перемагничивание кольцевых и прямоугольных магнитопроводов. Это уменьшение обусловлено тем, что перемагничивание осуществляется по низкоэнергетическому механизму смещения доменных границ, а не по затратному механизму вращения (поворота) намагниченности.
При ТМО происходит процесс деформационного старения материала с последующим его влиянием на формирование дополнительной магнитной анизотропии за счет взаимодействия компонентов материала со свежевведенными дефектами кристаллической решетки. При этом образуются кластеры с повышенным содержанием атомов растворенных элементов и сверхструктурой типа В2. Экспериментально было показано, что оптимальным результатам ТМО соответствует определенное время выдержки при обработке. В иных условиях обработки процессы деформационного старения материала не оптимальны: либо формируется недостаточное количество кластеров, либо происходит аннигиляция структурных дефектов.
Применение комплексного подхода в решении задач усовершенствования изготовления трансформаторных магнитопроводов на основе аморфного магнитного сплава в последовательности: вначале изготовление магнитопровода, а затем его модифицирование, существенно повышает его физико-механические свойства и значительно превышает суммарный результат, достигаемый на отдельных этапах обработки.
Таким образом, заявляемый способ обработки магнитопровода, изготавливаемого из аморфного магнитного сплава, позволяет получить изделие с высоким уровнем физико-механических свойств, более устойчивых к эксплуатационным воздействиям. Данный эффект достигается за счет применения новых технологий и режимов обработки материала и не требует больших технических затрат.
Пример осуществления способа.
В качестве обрабатываемых образцов использовали изделия, изготовленные разных типоразмеров с наружным диаметром не более 40 мм и внутренним диаметром не менее 10 мм со средним диаметром 26 мм в виде кольцевых или прямоугольных трансформаторных магнитопроводов из аморфного сплава Co67Fe3Cr3Si15B12. Они имеют температуру Кюри до 170°С, толщину ленты 20-25 мм, ширину ленты 10 мм. Магнитопроводы были пропитаны неорганическим клеем на основе силиката натрия и имеют жесткую конструкцию без защитной оболочки. Их отжигали в окислительной среде с последующим охлаждением до комнатной температуры.
Данные магнитопроводы подвергались дополнительному отжигу в окислительной среде в режиме термомагнитной обработки путем нагрева до температуры 100-140°С со скоростью 5-15°С/мин в постоянном магнитном поле, направленном ортогонально торцевой плоскости витков ленты. Затем проводили изотермическую обработку в течении 10-20 минут и охлаждение до комнатной температуры в магнитном поле со скоростью 3-10°С/мин. При этом напряженность магнитного поля поддерживают равной 50-80 кА/м.
Результаты термомагнитной обработки магнитопровода представлены в таблице, из которых следует, что в зависимости от различных режимов термомагнитной обработки при магнитной индукции (Вm) от 0,01 Тл до 0,2 Тл, можно снизить магнитные потери (Ps) в 1,2-1,9 раз, уменьшить коэрцитивную силу (Hс) в 1,4-2 раза и увеличить в 1,5-2 раза магнитную проницаемость. Причем изоляционные свойства покрытия сохраняются в данном диапазоне температур термомагнитной обработки.
| Вm, ТЛ | µm, ед. СИ | Нc, А/м | Ps, мВт/кг | |||
| ТО | ТМО | ТО | ТМО | ТО | ТМО | |
| 0,01 | 80000 | 130000 | 0,02 | 0,012 | 0,002 | 0,001 |
| 0,02 | 110000 | 150000 | 0,04 | 0,02 | 0,01 | 0,006 |
| 0,05 | 160000 | 210000 | 0,8 | 0,6 | 0,08 | 0,05 |
| 0,1 | 250000 | 320000 | 0,16 | 0,12 | 0,3 | 0,2 |
| 0,2 | 340000 | 430000 | 0,27 | 0,21 | 1 | 0,8 |
Таким образом, заявляемый способ обработки магнитопровода из аморфного магнитного сплава позволяет получить изделия с высоким уровнем физико-механических свойств, более устойчивых к эксплуатационным воздействиям. Существенное увеличение качества магнитопровода при относительно малых технических и энергетических затратах на его обработку характеризует данный способ как перспективный для широкого внедрения на производстве, что позволит развивать электротехнические и электронные устройства на новом качественном уровне.
Способ обработки магнитопровода, выполненного витым из ленты аморфного сплава на основе кобальта с температурой Кюри до 170°С, межвитковое пространство которого заполнено отвердевшим неорганическим клеем на основе силиката натрия для образования жесткой конструкции, включающий отжиг в окислительной среде с последующим охлаждением до комнатной температуры, отличающийся тем, что магнитопровод подвергают дополнительному отжигу в окислительной среде в режиме термомагнитной обработки путем нагрева до температуры 100-140°С со скоростью 5-15°С/мин в постоянном магнитном поле, направленном ортогонально торцевой плоскости витков ленты, проводят изотермическую обработку в течении 10-20 минут и охлаждение до комнатной температуры ведут в магнитном поле со скоростью 3-10°С/мин; при этом напряженность магнитного поля поддерживают равной 50-80 кА/м.
