СПОСОБ ОБРАБОТКИ МАГНИТОПРОВОДА
METHOD OF MAGNET CORE TREATMENT

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для изготовления магнитопроводов, применяемых в силовых трансформаторах источников вторичного питания, в измерительных трансформаторах и трансформаторах тока.
s
o
с
К настоящему времени обычные металлургические способы не позволяют получать магнитомягкие материалы с высоким уровнем магнитных свойств, в частности с минимальными удельными магнитными потерями P, высокой магнитной проницаемостью µ, низкой коэрцитивной силой НПрименение 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.
67
3
3
15
12
-6
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления магнитопровода на основе аморфной магнитной ленты состава CoFeCrSiB с температурой Кюри 150-160°С и положительной константой магнитострикции 0,2·10, 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.
o
с
s
В результате изготавливаемые магнитопроводы имеют разброс параметров µ - 80000-100000 ед.СИ, Н - 0,2-0,4 A/м, P - 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.
67
3
3
15
12
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 CoFeCrSiB. 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.
m
s
с
Результаты термомагнитной обработки магнитопровода представлены в таблице, из которых следует, что в зависимости от различных режимов термомагнитной обработки при магнитной индукции (В) от 0,01 Тл до 0,2 Тл, можно снизить магнитные потери (P) в 1,2-1,9 раз, уменьшить коэрцитивную силу (H) 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.
В<sub>m</sub>, ТЛ
µ<sub>m</sub>, ед. СИ
Н<sub>c</sub>, А/м
P<sub>s</sub>, 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.