CN1252106A - 铁磁性非晶态金属合金及其退火方法 - Google Patents

Abstract

对一种铁磁性非晶态金属合金带进行退火,使励磁率而不是铁损减小到最低程度。该带在60Hz下测定时具有低于0.5VA/kg的励磁率,并具有1.40—1.45特斯拉的工作磁感,所述的测定是在室温下进行的。由该带构成的铁芯可以在与那些经过退火以使铁损减小到最低程度的铁芯相比更高的工作磁感下工作。包括铁芯在内的变压器磁性元件的结构尺寸可以大大减小。

Description

铁磁性非晶态金属合金及其退火方法

           发明背景

1.发明领域

本发明涉及具有增大的工作磁感的非晶态金属变压器铁芯，更具体地说，本发明涉及显著提高这种工作磁感的磁场退火方法。

2.现有技术描述

变压器铁芯用非晶态金属合金的软磁性能可以通过在存在磁场的情况下、在适当的温度和时间条件下进行退火而得到改善。这种退火的目的之一是减小在非晶态合金制造过程中由于快速冷却而产生的残余应力的有害作用。其另一个目的是在被退火的工件中确定“易磁化轴”，即确定确保被退火工件得到低的铁损和励磁率的易磁化方向。以往，进行这种磁场退火是为了将退火工件的铁损减小到最低程度(参见US4116728和US4528481)。除了磁场退火之外，业已证实，非晶态合金在拉应力下进行退火也可以改善软磁性能(参见US4053331和US4053332)。拉应力退火的试样形状都是扁平的带。在工业生产中对非晶态合金变压器采用应力退火目前还无法实现。

变压器铁芯的两个最重要的磁性能是铁芯材料的铁损和励磁率。当经过退火的金属玻璃(metallic glass)的磁芯被激励(即通过施加磁场而磁化)时，一定量的输入能量被铁芯所消耗，变成热量而损失掉。这种能量损耗主要是由于将非晶态合金中的所有磁畴沿着磁场方向排列所需要的能量而引起的。这种能量损失被称为铁损，可以由材料的一个完整的磁化循环过程中所产生的B-H回线所限定的区域来定量的表示。通常，铁损是以W/kg为单位来表示的，它实际上表示在所报导的频率、铁芯磁感应水平和温度条件下每1公斤材料在1秒钟内的能量损耗。

铁损的大小受非晶态金属合金的退火历程的影响。简而言之，铁损大小取决于合金是退火不足、退火适当、还是退火过度。退火不足的合金具有淬火残余应力和与之相关的磁各向异性，这就要求在产品磁化过程中需要额外的能量，并导致在磁化循环过程中铁损增大。据认为，退火过度的合金显示出最大的原子“堆积”和/或可能含有结晶相，其结果是延性损失和/或磁性能低下，例如由于对磁畴移动的阻力增大而引起铁损增加。退火适当的合金显示出延性和磁性能的良好平衡。目前，变压器制造厂商采用使非晶态金属合金变压器铁芯的铁损减小到最低程度的退火条件。通常，所得到的铁损值低于0.37W/kg(60Hz和1.4T)。

励磁率是产生一个其强度足以在金属玻璃中获得一定水平的磁感应(B)的磁场所需要的电能。励磁率与所要求的磁场(H)成正比，因此与初级线圈中的电流也成正比。铸态的富铁非晶态金属合金显示出稍微被剪切的B-H回线。在退火过程中，铸态的各向异性和铸造应力被消除，与铸态的回线形状相比，B-H回线变得更接近于正方形并且更窄，直到其适当退火。退火过度时，由于对应变的耐受性减小，B-H回线趋向于变宽，并且取决于退火过度的程度而出现结晶相。因此，对于给定的合金来说，随着退火工艺从退火不足到退火过度，对于一定水平的磁化来说，一开始时励磁率的值减小，随后达到最佳(最低)值，然后增大。但是，在非晶态金属合金中产生最佳(最低)励磁率值的退火条件与产生最低铁损的条件是不一致的。因此，被退火以使铁损减小到最低程度的非晶态金属合金并没有显示出最佳的励磁率。

很显然，对于不同成分的非晶态合金来说最佳退火条件是不同的，对于所要求的每一种性能来说最佳退火条件也是不同的。因而，“最佳”退火通常被认为是对于确定的用途来说所必需有的各种性能之间达到最佳平衡的退火工艺。对于变压器铁芯制造来说，制造厂商确定了对于所使用的合金而言“最佳”的特定退火温度和时间，并且不会改变这个温度和时间。

但是，在实际生产中，退火炉和炉子的控制设备不可能精确到严格地保持所选定的最佳退火条件。此外，由于铁芯(通常每个最高达到200kg)的尺寸和炉子结构的原因，铁芯的加热不可能十分均匀，某些部分可能出现退火过度或退火不足的情况。因此，致关重要的是，不仅要提供在最佳条件下显示出最佳性能组合的合金，而且还要提供在退火条件范围内显示出该“最佳组合”的合金。可以生产出有用产品的退火条件的范围被称为“退火窗口”。

                   发明概述

本发明提供了一种在软磁非晶态合金中获得最大工作磁感的方法。概括地说，磁性非晶态合金进行退火是为了使励磁率而不是使铁损减小到最低程度。本发明的方法显著地减小了在较高的工作磁感下“热逸出”的可能性。采用这种较高的工作磁感本身又可以显著地减小变压器铁芯的尺寸规格。

本发明还提供了一种铁磁性非晶态金属合金带，该合金带在60Hz下测定时具有低于0.5VA/kg的励磁率，并具有1.40-1.45特斯拉的工作磁感。本发明进而提供了具有低于约0.15W/kg的功率损耗的铁磁性非晶态金属合金带。

此外，本发明提供了一种铁磁性非晶态合金铁芯，该铁芯在60Hz下测定时具有低于1VA/kg的励磁率，并具有1.40-1.45特斯拉的工作磁感。本发明进而提供了具有低于约0.25W/kg的功率损耗的铁磁性非晶态金属合金铁芯。

                   附图的简要说明

参照下列详细说明和附图可以更充分地理解本发明及其优点。

图1a是表示铁损与温度的函数关系的曲线图，该曲线图表明直带试样的铁损对于在磁场中、在各温度下进行的2小时等时退火的依赖关系。

图1b是表示励磁率与温度的函数关系的曲线图，该曲线图表明直带试样的励磁率对于在磁场中、在各温度下进行的2小时等时退火的依赖关系。

图2a是表示铁损与温度的函数关系的曲线图，该曲线图表明真实变压器铁芯的铁损对于在磁场中、在各温度下进行的2小时等时退火的依赖关系。

图2b是表示励磁率与温度的函数关系的曲线图，该曲线图表明真实变压器铁芯的励磁率对于在磁场中、在各温度下进行的2小时等时退火的依赖关系。

图3是表示励磁率与磁感应的函数关系的曲线图，该曲线图表明在磁场中、在3种不同温度下退火的真实变压器铁芯的励磁率对于磁感应水平的依赖关系。

图4是表示励磁率与试验温度的函数关系的曲线图，该曲线图表明采用3种不同条件进行退火的直带试样的励磁率对于试验温度的依赖关系。

图5是表示励磁率与均热时间的函数关系的曲线图，该曲线图表明励磁率对于变压器铁芯均热时间的依赖关系。

图6是表示励磁率与磁感应的函数关系的曲线图，该曲线图表明在磁场中采用不同均热时间进行退火的真实变压器铁芯的励磁率对于磁感应水平的依赖关系。

                 发明的详细说明

本说明书中使用的术语“非晶态金属合金”是指这样一种金属合金，该合金明显地缺少任何长程有序，并且其特征是，X射线衍射强度畸峰定性地与液体或无机氧化物玻璃中所观察到的畸峰相类似。

本说明书中使用的术语“带”是指细长的物体，其横向尺寸远远小于长度。所述的带包括所有规则或不规则截面的丝、带和薄板。

本说明书和权利要求中使用的术语“退火”是指为了给材料提供热能使之具有有用的性能而对材料进行的加热，例如在有磁场存在的条件下进行的加热。可以采用各种不同的退火技术来获得这些性能。

本说明书中使用的术语“直带”是指进行磁性能测试的试样的外形。该试样可以真正作为直带进行测试，在这种情况下其长度远远大于磁场/感应线圈的长度。作为一种替代方案，如果进行测试的材料被用来作为简单变压器铁芯中的第4个铁芯支脚，也可以采用更为合理的试样长度。无论是哪一种情况，进行测试的材料都是以直带的形式。

本说明书中使用的术语磁“芯”是指在任何数量的电力或电子用途和装置中使用的磁性元件。磁芯通常是由磁带或磁粉构成。

本说明书中使用的术语“峰值温度”是指在退火循环过程中变压器铁芯的任何部分所达到的最高温度。

本说明书中使用的术语“均热时间”是指铁芯在退火温度下实际上保持的持续时间，不包括铁芯加热和冷却的时间。

本说明书中使用的术语“饱和磁感”和“工作磁感”是指与变压器铁芯材料及其工作有关的两个磁感应水平。饱和磁感是材料中可以达到的磁感应的最大值，工作磁感是变压器铁芯工作时使用的磁感应的量。对于非晶态金属合金来说，饱和磁感是由合金的化学成分和温度决定。饱和磁感随着温度的升高而降低。

磁性材料的工作磁感是根据饱和磁感来确定的。变压器通常被设计成在低于饱和磁感的磁感应水平下工作。这种设计要求的主要原因涉及磁芯材料的磁导率(μ)。磁导率被定义为磁感应(B)与使材料达到该磁感应所要求的磁场(H)之比，即μ＝B/H。随着磁感应提高到接近于饱和磁感的水平，磁导率降低。如果变压器铁芯是在过于接近铁芯材料的饱和磁感的磁感应水平下工作，就需要不相称的大磁场以获得额外的磁感应。在变压器中，磁场是通过使电流通过初级线圈来施加的。因此，要大大增加所需要的磁场就必须大大增加通过初级线圈的电流。

由于多种原因，不希望大大增加变压器的初级电流。通过单级变压器的大的电流变化可能会降低通过邻近的电力网的电力的品质。初级电流的增大还将导致初级线圈中的焦耳(I²R)热的增加。这种由于转变成热而造成的电能损失会降低变压器的效率。此外，电流过大还将引起初级线圈的过度加热，从而可能导致线圈中使用的电绝缘的物理损坏和失效。电绝缘的失效将直接导致变压器失效。初级线圈中产生的热还可能加热变压器的磁芯。

上述的后一个结果，即变压器磁芯被加热，这可能导致被称为“热逸出”的情况发生。随着磁芯温度升高，磁性材料的饱和磁感减小。对于在固定的工作磁感下操作的变压器来说，由于热而引起的饱和磁感减小所产生的效果与工作磁感的额外增大的效果是相同的。额外的电流通过初级线圈，产生额外的焦耳热，变压器磁芯的温度进一步升高，使情况进一步恶化。这种由于“热逸出”引起的变压器温度的不受控制的升高是野外的变压器铁芯失效的另一个常见原因。

为了避免这些不希望的情况发生，通常将变压器设计成在标准条件下铁芯的工作磁感不超过铁芯材料的饱和磁感的约80-90％。

本发明提供了一种非晶态合金的退火方法，该方法可以获得减小的励磁率和增大的工作磁感而不会引起热逸出。理想的是，使变压器铁芯在尽可能高的磁感应水平下工作，这样可以使铁芯的截面减小到最低程度。即，变压器铁芯是基于磁通量的线的数目而不是基于磁通密度(磁感应)而工作的。如果能够提高工作磁通密度，那么，在使用给定的磁通量的情况下就可以采用较小的变压器铁芯横截面。对于一定的额定功率的变压器来说，使用较小尺寸的铁芯可以获得很大的好处。

如上所述，目前在制造变压器时采用的金属玻璃的最佳退火温度和时间是在合金的晶化温度以下140-100℃的温度范围、退火1.5-2.5小时，以实现最小的铁损。

图1a中示出METGLAS^合金2605SA-1的直带试样在退火2小时后的磁性铁芯损失对于退火温度的依赖关系。在较低的温度下，由于退火不足，铁损较高，这导致易磁化轴没有明确确定。反之，在较高的温度下铁损较高，这是因为非晶态合金已开始晶化。该直带试样的最低铁损出现在约360℃。图1b示出METGLAS^合金2605SA-1的直带试样在退火2小时后的励磁率对于退火温度的依赖关系。由该图可以看出，在约375℃下退火2小时时产生了最佳(最小)励磁率。最佳温度的这一差别具有非常重要的意义，因为技术文献和专利文献中都曾指出，对非晶态合金进行退火的目的只是为了使铁损达到最佳值，而变压器铁芯失效的原因却是高的励磁率。

图2a和图2b中的数据与图1a和图1b中的数据相似，不同之处在于，这些数据是真实尺寸的工业变压器铁芯的数据。具有重要意义的是，直带试样在较高温度下退火所产生的好处对于实际的变压器铁芯来说也是可以实现的。这说明了本发明的工业利用价值。

图3中给出了可以说明本发明的结果的另一种方式。图3中的曲线表示按所示的时间和温度进行退火的直带试样的励磁率对于磁感应水平的依赖关系。较高温度下退火所带来的好处是显而易见的。例如，如果选定一定的励磁率水平，那么对于已经在较高温度下退火的试样可以使用较高的工作磁感。图3中的数据表明，工作磁感的增加可以高达5％。

图4中表明本发明的另一个优点，该图中示出直带试样的励磁率对于试样的试验温度的依赖关系。由图4可以清楚地看出，在较高的试样温度下本发明所带来的好处较大。这一点非常重要，因为变压器是在高于环境温度的温度下工作，并且当进入过载状态时甚至可以达到更高的温度。因此，本发明具有特别有益的效果。

退火是一个由时间和温度参数构成的工艺。图5示出变压器铁芯的励磁率对于退火过程中的“均热温度”的依赖关系。很明显，励磁率也是随着均热时间增加而降低。这说明，在工业规模的生产中可以任意选择使用退火均热时间或退火温度来实现本发明的工艺方法。与图3一样，图6表示变压器铁芯的励磁率对于采用不同均热时间进行退火的铁芯的磁感应的依赖关系。

实施例1

使用6.7英寸宽的METGLAS^合金SA-1制造16个供工业配电变压器用的单相线束铁芯，该合金的名义化学成分是Fe₈₀B₁₁Si₉。每个铁芯重约75kg。将这16个铁芯分成4组，每1组在约355℃下采用不同的均热时间进行退火。获得最小功率损耗的基本退火均热时间是约20分钟。其它3组分别采用30分钟、40分钟和60分钟的均热时间进行退火，这些均热时间分别比基本退火均热时间增加了50％、100％和150％。图5和图6中示出所有这些铁芯的试验结果。由图中可以清楚地看出，均热时间每一次增加，铁芯的励磁率都明显地降低。此外还可以看出，较长的均热时间导致较低的励磁率。

实施例2

使用6.7英寸宽的METGLAS^合金SA-1制造3个供工业配电变压器用的单相线束铁芯，该合金的名义化学成分是Fe₈₀B₁₁Si₉。每个铁芯重约118kg，在加热和冷却过程中应尽量小心，以使铁芯中的热梯度效应减小到最低程度。采用20分钟的均热时间和约370℃的峰值温度而不是通常采用的约355℃的峰值温度对这3个铁芯进行退火。图2a和图2b中分别示出在较高温度下退火的这些铁芯的励磁率和铁损的测试结果，图中还示出经常规退火的铁芯的测试结果作为比较。很明显，当铁芯退火过程中采用的峰值温度提高时，励磁率显著降低，而铁损只有少量增加。在提高的峰值温度下退火的实施例2的结果与延长均热时间进行退火的实施例1的结果大体相当。

实施例3

使用6.7英寸宽的METGLAS^合金SA-1制造直带试样，该合金的名义化学成分是Fe₈₀B₁₁Si₉。在磁场中、在各不同温度下对这些直带试样进行2小时等时退火。图1a和图1b中示出这些直带试样的励磁率和铁芯测试结果作为温度的函数。由图中可以清楚地看出，当退火的峰值温度提高至少5℃时，励磁率显著降低。

实施例4

使用6.7英寸宽的METGLAS^合金SA-1制造直带试样，该合金的名义化学成分是Fe₈₀B₁₁Si₉。在磁场中、在各不同温度下对这些直带试样进行2小时等时退火。图4中示出经过退火后在所示温度下测定的励磁率。这些结果表明，在变压器铁芯工作的提高的温度下励磁率的降低比在室温下更大。

上面已经详细地说明了本发明，不言而喻，本发明并不仅仅局限于这些详细的说明，本技术领域的普通技术人员可以提出各种改变或改进，所有这些改变和改进都将落入由权利要求书所限定的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种铁磁性非晶态金属合金带，在60Hz下测定时它具有低于0.5VA/kg的励磁率并具有1.40-1.45特斯拉的工作磁感，所述的测定是在室温下进行的。

2.权利要求1所述的带，其特征是，在60Hz下测定时具有低于0.5VA/kg的励磁率并具有1.40-1.45特斯拉的工作磁感，所述的测定是在100℃下进行的。

3.一种铁磁性非晶态金属合金铁芯，其特征是，在60Hz下测定时具有低于1VA/kg的励磁率并具有1.40-约1.45特斯拉的工作磁感，所述的测定是在室温下进行的。

4.权利要求3所述的铁芯，其特征是，具有低于约0.25W/kg的功率损耗。

5.权利要求4所述的铁芯，其特征是，所述的带采用与使所述功率损耗减小到最低程度所需要的均热时间相比至少长50％的均热时间进行了退火。

6.权利要求4所述的铁芯，其特征是，所述的带采用与使所述的功率损耗减小到最低程度所需要的均热时间相比至少长150％的均热时间进行了退火。

7.权利要求4所述的铁芯，其特征是，所述的带采用与使所述的功率损耗减小到最低程度所需要的峰值温度相比至少高5℃的峰值温度进行了退火。

8.一种铁磁性非晶态金属合金铁芯的制造方法，其特征是，所述的铁芯被退火以使其励磁率减小到最低程度。

9.一种铁磁性非晶态金属合金铁芯的退火方法，该方法包括下列步骤：

a.在外加磁场存在的条件下将该铁芯加热至峰值温度；

b.在所述磁场的存在的条件下将该铁芯在所述的峰值温度下保持与使功率损耗降低到最小程度所需要的均热时间相比至少长50％的均热时间；以及

c.以约0.1-10℃/分的冷却速度将该铁芯冷却至比所述的峰值温度低约100℃的温度。

10.一种铁磁性非晶态金属合金铁芯的退火方法，该方法包括下列步骤：

a.在外加磁场存在的条件下将该铁芯加热至与使其功率损耗减小到最低程度所需要的峰值温度相比至少高5℃的峰值温度；

b.在所述磁场的存在条件下将该铁芯在所述的峰值温度下保持一段均热时间；以及

c.以约0.1-10℃/分的冷却速度将该铁芯冷却至比所述的峰值温度低约100℃的温度。

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