无定形金属基有隙磁芯制造技术

一种磁性装置，包含基于无定形Ｆｅ基合金的磁芯，所述磁芯的磁路上具有物理缝隙，所述磁芯的整体导磁率为约４０～约２００。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术
技术介绍
领域本专利技术涉及磁芯；尤其涉及一种铁磁性无定形金属合金磁芯，该磁芯的磁路是有隙的，而且该磁芯特别适合用于电扼流圈和电流传感器。
技术介绍
具有磁芯的电扼流圈和电流传感器应具有低的导磁率以对大电流进行控制或检测。通常，具有低导磁率的磁芯直到进入强磁场才会磁饱和。该磁场的上限取决于饱和感应或通量密度，通常称为磁芯材料的BS。由于BS值依赖于磁芯材料的化学性质，因此磁芯材料的选择取决于应用。导磁率μ被定义为磁通量B随施加场H的增量的而增加的增量，在应用中优选该导磁率μ是线性的材料，这是由于随着施加场强的增加，磁芯的磁性性能变得相对稳定。当导磁率是线性的时，与磁芯上铜线圈的电流成比例的上限磁场HP近似为BS/μ。这样，当要求较大的HP时，优选μ为较低值。另外，还优选具有线性的BH行为，因为这样可以显著地降低总的磁芯损失。对于电扼流圈，要求磁芯的BH特性具有合理的线性，而且BH曲线的适度水平的弯曲是可接受的。然而，对于电流传感器应用，要求具有良好线性的BH特性以保证传感器的精度。达成良好BH线性的最优技术之一是利用沿着具有单轴磁各向异性的磁性材料的难磁化轴的磁化行为。磁各向异性是衡量磁性材料的磁化排列程度的指标。当没有外部磁场时，磁各向异性迫使磁性材料沿其所谓易磁化轴磁化，该易磁化轴处于能量最低的状态。对于晶体材料，磁各向异性的方向或易磁化轴通常沿着晶体学轴之一。作为示例，体心立方结构的铁的易磁化轴沿方向。当这种单轴磁性材料沿易磁化轴被磁化时，所得到的BH曲线是矩形；材料呈现矫顽磁性HC，HC被定义为磁感应或磁通量B与磁场或H轴交叉处的磁场。在H＝HC上方，磁性材料迅速随施加场饱和，达到B＝BS，即饱和磁感应或磁通密度。当外部磁场是沿着远离易磁化轴90度方向时，响应磁通密度B随与磁各向异性场Hk对抗的H而线性变化，Hk被定义为8πK/BS，其中K是磁各向异性能。如此理论上，在H＝HK时，B为BS。磁各向异性可被材料制造的后处理所诱导，所述后处理例如在提高的温度下进行磁场退火。当磁性材料被加热时，组分磁性原子被热激励而且趋向沿着施加场排列，从而引起上述的磁各向异性。这是通常用于使磁性材料具有线性BH行为的技术之一，上述磁性材料包括无定形磁性材料。另外一种技术是在磁性装置的磁路上引入物理缝隙。当使用这种方法时，整体的BH行为趋向于线性。然而，由于缝隙上的磁通量泄漏，在获得线性的同时也伴有磁损失的增加。因此希望尽可能地使缝隙大小最小化。另外，缝隙的引入必须使因开隙(gapping)而导致的应力或机械形变而引起的磁损失的增加为最小。授予Takayama等人的美国专利No.4,587,507(以下称为专利’507)公开了在环形的、由无定形材料构成的磁性装置上引入物理缝隙的方法。该专利只专注于减小开隙时所造成的应力的影响。专利’507所保护的无定形磁性合金基本上由以下组合物构成FexMny(SipBqPrCs)z，其中x+y+z(原子百分比)是100，y的范围为从0.001到10，z的范围为从21到25.5，p+q+r+s＝1，p的范围为从0.40到0.75，r的范围为从0.0001到0.05，比率s/q的范围为从0.03到0.4，且z≤50p+1，z≤10p+19，z≥30p+2，且z≥13p+13.7。专利’507的保护要求必须具有Mn以在开隙后获得预期的磁损失的减少。明显的需求是制备不含专利’507的成分约束的磁性装置的技术。还需要对缝隙尺寸有更完全的理解，上述缝隙尺寸影响磁损失从而影响磁性装置整体的磁性性能。当制造高性能的磁性装置时，必须明确地控制这一特征。本专利技术提供对上述每个问题的解决方案，包括由磁芯的开隙工艺所引起的应力效应。
技术实现思路
本专利技术提供一种可以避免上述成分约束的磁性装置及其制造方法。根据本专利技术制造的装置的缝隙尺寸可以容易地在约1～约20mm的范围获得。有利的是，磁性装置的整体磁性能被提高。装置包括一个在磁路上具有物理缝隙的、由无定形Fe基合金组成的磁芯。在优选实施方案中，合金具有无定形的结构；合金基于以下成份(Fe-Ni-Co)-(B-Si-C)，其Fe+Ni+Co的成分的总和在65～85原子％的范围内。通常，在制造技术的实践中，磁性的Fe基无定形合金条带被卷绕成环状的磁芯。然后将该卷绕磁芯在没有外部磁场的条件下进行热处理。由于要求磁芯在开隙之后具有低的磁损失，设计热处理以使未开隙的磁芯具有尽可能低的导磁率。对在开隙后应具有大致线性的BH行为的磁芯进行热处理，以使BH曲线尽量为方形或尽量尖锐。在开隙之前，退火的磁芯被涂覆商业可得的环氧树脂例如杜邦EFB534SO或类似物。选择开隙工艺，以使由缝隙导致的应力或机械形变尽可能小。该工艺可包括喷水切割，以及研磨和放电切割。物理缝隙的尺寸是预先规定的；并且基于未开隙的磁芯的导磁率和开隙状态的磁芯的期望导磁率。开隙后，磁芯被涂覆薄树脂层、油漆或类似材料。该涂层可以保护缝隙的表面免于生锈。可替换地，磁芯的保护还可以通过将磁芯置于塑料壳体中来实现。当铜绕组被配置在本专利技术的磁芯上时，磁芯-绕组组件可以具有电流传感器和电扼流圈所需的性能，上述电流传感器和电扼流圈包括功率因数校正电感器。附图说明参考以下对优选实施方案的详细说明以及附图，可更完全地理解专利技术和本专利技术的其它显著优点，其中图1所示是一个具有尺寸为3.2mm的物理缝隙的磁芯的BH行为，所述磁芯基于在沿磁芯圆周方向施加约100e的磁场的条件下以350℃退火2小时的Fe基METGLAS_2605SA1材料；图2所示是对于如图1所示的磁芯的检测电压和被检测电流的函数关系；图3所示是对于METGLAS_2605SA1基磁芯的导磁率和物理缝隙的函数关系；图4所示是具有尺寸为约3mm的物理缝隙的磁芯的BH行为，所述磁芯基于在无磁场的条件下以430℃退火7小时的Fe基METGLAS_2605SA1条带； 图5所示为图4所示的磁芯的导磁率值相对于零施加场下的导磁率与直流偏置场的函数关系；和图6所示为不同频率下磁芯损失和感应水平B的函数关系。专利技术详述许多环形的磁芯是通过将Fe基无定形合金条带进行带绕成形的，上述合金条带包括市售的METGLAS_2605SA1和2605CO材料。磁芯的物理尺寸是OD(外径)＝8～70mm；ID(内径)＝5～40mm，HT(高度)＝5～25mm。在无外部磁场或有施加磁场的条件下，将该磁芯在300～450℃之间进行热处理1-12小时。退火参数的选择依赖于根据下述方式制造的有隙磁芯所期望的最终磁性性能。该磁芯浸渍于含有杜邦EFB534SO的环氧树脂中。通过切割涂覆后的磁芯以在环形的磁路上引入物理缝隙。物理缝隙的尺寸在大约1mm～约20mm之间。开隙工具包括喷水切割机和研磨和放电切割机。切割表面被涂覆树脂或油漆以保护其免于生锈。对于涉及比如检测电流的应用，要求磁芯具有线性的BH行为。在此情况下，无隙磁芯应具有尽量为方形或尽量尖锐且弯曲尽量小的BH曲线，以使开隙后的BH曲线尽可能是线性的。为在无隙的磁芯上得到方形的BH曲线，在磁芯的热处理期间可以选择性地施加沿纵向的磁场。沿磁芯轴的方向施加横向磁场可以得到尖锐的BH 线。横向磁场强度的范围上限为约1500Oe。许多磁芯是通过将METGL本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种磁性装置，包含基于无定形Fe基合金的磁芯，所述磁芯的磁路上具有物理缝隙，所述磁芯的整体导磁率为约40～约200。2.如权利要求1所述的磁性装置，其中所述无定形Fe基合金基于(Fe-Ni-Co)-(B-Si-C)，其中Fe+Ni+Co的含量总和在65～85原子％的范围内。3.如权利要求1所述的磁性装置，所述物理...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·哈赛加瓦，R·J·马蒂斯，
申请(专利权)人：梅特格拉斯公司，
类型：发明
国别省市：