抗直流分量电流互感器磁芯及其制造方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种抗直流分量电流互感器磁芯及其制造方法和用途，该磁芯由高导磁磁芯Ａ和抗饱和磁芯Ｂ复合而成，磁芯Ａ为铁基纳米晶合金、坡莫合金中的一种，磁芯Ｂ为铁基非晶合金，所述的磁芯Ａ为铁基纳米晶时，其合金成分为：（重量百分比）：Ｓｉ７～９％，Ｂ１．３～２％，Ｃｕ０．８～１．５％，Ｍ４～７％，Ｍ′０．００１～０．０５％，其余为Ｆｅ和不可避免的杂质，其中，Ｍ为Ｍｏ和／或Ｎｂ，Ｍ′为改进加工性能的元素Ａｌ和／或Ｔｉ；退火步骤为：将卷绕好磁芯Ａ在５３０～５６０℃进行应力退火，将磁芯Ｂ在４００～５００℃进行表面晶化退火。该复合磁芯综合了高导磁合金和抗饱和合金的优点，既具有高饱和磁感应强度Ｂｓ，又同时兼有高磁导率、低铁损，具有比现有技术更好的综合磁特性，使互感器工作在有直流分量的情况下仍具有小的比差和角差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电流互感器磁芯及其制造方法和用途，尤其是一种应用于电子式电表、具有优良的抗直流分量能力的高导磁合金与铁基非晶合金复合而成的双磁芯及其制造方法和用途。
技术介绍
电流互感器是电力生产和家用电表用电能计量、保护的关键设备。在电力生产过程中，发电、变电能够环节使用大量的电流互感器进行高压大电流电能的测量和安全保护。对于家用电能计量，从前一直采用转盘感应式电表，而近年来随着电能计量智能化尤其是远程抄表和分段计费系统的实施，已经开始普及电子式电表，电流互感器更是必不可少的。电流互感器的基本原理如图1所示。电流互感器的工作原理与普通变压器类似在高磁导率的铁芯3上绕制两组线圈，其中次级线圈1的匝数远远大于初级线圈2，这样，根据变压器原理，初级线圈中的大电流就转换成了次级线圈中的小电流，可以用电流表4直接测量。在实际使用中，互感器的初级线圈往往采用电网母线穿心方式(只有一匝)。但是，电流互感器与普通变压器的一个重要区别是它有很高的测量精度要求。由于实际的变压器总是非理想的，总存在一些损耗和漏磁，因此造成了互感器的测量误差。互感器在测量电流时的误差有比差和角差(相位差)两种。所谓比差指互感器初级线圈和次级线圈的电流比相对于理想变压器电流比的偏差，主要由互感器的漏磁通引起。为了减小漏磁通，应使用磁导率高的铁芯材料。为了保证在不同电流负荷下比差一致，还要求铁芯磁导率具有良好的线性度。所谓角差指次级线圈与初级线圈电流的相位差，来源于互感器铁芯在磁化过程中产生的损耗。因此，为了降低角差应使用铁损低的铁芯材料。由此可见，互感器铁芯的磁性能是影响互感器精度的主要因素之一。为了达到较高的精度，要求互感器铁芯材料具有低铁损、高而且线性度较好的磁导率。近年来，随着电力电子设备的增多，尤其是大量整流、变频和开关电源设备的应用，线路中的电磁污染日益严重，尤其是整流设备使电网中的直流分量逐渐增大。在既有正常的50Hz交流电流、又有直流分量的情况下工作时，互感器铁芯实际上受到了直流和交流的叠加磁化。为了使互感器在含有较大直流分量的情况下仍然能够正常工作，必须保证互感器铁芯在交直流叠加磁化时不饱和。为此，作为抗直流分量的电流互感器，铁芯材料应具有高的饱和磁感应强度，同时还应具有高的初始磁导率，以保证在较小或没有直流分量时的测量精度。作为互感器的铁芯，其材料可有多种选择。硅钢片是广泛使用的软磁材料，其饱和磁感应强度最高，主要适用于各种低频变压器，由于铁损大、磁导率低，在互感器中会造成大的比差和角差，一般不采用。铁氧体是大量应用于高频的软磁材料，但由于它的饱和磁感应强度太低、温度特性太差，不能满足互感器使用环境的要求。也可以采用空心线圈制造互感器，但这种互感器对外磁场很敏感，必须采取屏蔽措施，增加了成本。在现有技术中一般采用坡莫合金(铁和镍的合金)制造互感器铁芯。然而坡莫合金存在缺点，一是其磁导率线性度较差，需要在互感器后需线路中予以校正，二是价格较昂贵，三是饱和磁感应强度低，不能制造抗直流分量电流互感器。近年来出现的铁基非晶和纳米晶合金具有良好的磁性能，而且成本低于坡莫合金，因此已经进行了在互感器铁芯中的应用开发。中国专利CN99124249.1以及美国专利US6507262分别介绍了一种铁基纳米晶合金的互感器铁芯及其制造方法。这种铁芯具有高的磁导率，并且磁导率线性度较好，温度特性优良。但因其较低的饱和磁感应强度且磁导率很高，在直流偏磁场下铁芯会很快饱和，只能应用于不含直流分量的普通电流互感器。美国专利申请US20030151483公开了用铁基非晶合金制造的电流互感器铁芯。这种材料是目前非晶合金中饱和磁感应强度最高的，达1.5T以上。但其缺点是初始磁导率低、铁损大，所制造的互感器的比差和角差不能满足高精度要求(尤其在直流分量较小或没有直流分量时)。中国专利97192424.4披露了一种钴基非晶合金及元器件的制造方法。这种钴基非晶合金具有1.0T左右的饱和磁感应强度，经过适当热处理可得到1000～2000的磁导率，应用于抗直流分量电流互感器铁芯。但是，钴基非晶合金的最大缺点是价格昂贵，阻碍了大规模应用。综上所述，现有的软磁材料在单独使用在既有正常的50Hz交流电流、又有直流分量的情况下用于互感器铁芯时，都存在一定的缺陷。此外，由于带材厚度对铁芯的铁损存在显著影响，为了降低铁损，必须设法抑制铁芯在磁化时的涡流，这就要求制造更薄的带材。目前均采用单辊快速凝固工艺在空气中制造非晶带材，产品的厚度一般在0.02～0.04mm之间。制造更薄的带材具有相当大的技术难度。其主要难点在于制造带材时，空气不可避免地裹入带材与冷却介质之间的界面，结果在带材的贴辊面形成气泡。这种气泡一方面增大了带材的表面粗糙度，减小了卷绕铁芯时的有效截面积；另一方面气泡影响带材制造的稳定性和合格率，严重时气泡会贯穿整个带材横截面，出现孔洞；此外，表面粗糙非常不利于材料的磁化，增大了矫顽力，降低了磁导率。因此，减小带材制造时的气泡、降低带材表面粗糙度是稳定制造0.02mm以下带材的一个关键因素。现有技术已经进行了一些尝试，例如通过真空制带、在钢水周围形成还原性气氛等，但这些措施都无一例外地大幅度增加了设备和操作的复杂程度。因此，现有技术制造的铁基纳米晶合金作为电流互感器铁芯应用时的铁损进一步降低比较困难，影响了互感器精度的提高。专利技术目的及
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的由高导磁合金的磁芯和抗饱和合金的磁芯复合而成的双磁芯，它综合了高导磁合金和抗饱和合金的优点，既具有高饱和磁感应强度Bs，又同时兼有高磁导率、低铁损，具有比现有技术更好的综合磁特性，使互感器工作在有直流分量的情况下仍具有小的比差和角差，适用于高精度抗直流分量电流互感器。本专利技术的另一目的在于得到一种上述高精度抗直流分量电流互感器磁芯中纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法。本专利技术的第三个目的在于得到一种上述高精度抗直流分量电流互感器磁芯的制造方法。为了实现上述目的，本专利技术提出了如下技术方案一种抗直流分量电流互感器磁芯，该磁芯由高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B复合而成，所述的高导磁磁芯A的饱和磁感应强度在0.6T以上，初始磁导率在60000以上；所述的抗饱和磁芯B的饱和磁感应强度在1.5T以上，磁导率在200～2000之间，磁导率线性段内的磁导率变化率小于10％，在800A/m的直流偏磁场下的电感量和无偏磁场时的电感量之比大于等于0.5。高导磁磁芯A的材料为铁基纳米晶合金、坡莫合金中的一种，抗饱和磁芯B的材料为铁基非晶合金。磁芯A为铁基纳米晶合金时，其饱和磁感应强度在1.1T以上，初始磁导率在80000以上；磁芯A为坡莫合金时，其饱和磁感应强度在0.6T以上，初始磁导率在100000以上。磁芯B为铁基非晶合金时，其饱和磁感应强度在1.5T以上，磁导率在200～2000之间。该复合磁芯磁导率线性段内的磁导率变化率小于10％，在800A/m的直流偏磁场下的电感量和无偏磁场时的电感量之比大于等于0.5。形状为圆形、椭圆形、矩形、正方形、梯形和三角形之一。一种纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法，将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带芯子的磁芯在预定的温度下退火预定的时间。磁芯为铁基纳米晶合金时，采用的芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于：该磁芯由高导磁磁芯Ａ和抗饱和磁芯Ｂ复合而成，所述的高导磁磁芯Ａ的饱和磁感应强度在０．６Ｔ以上，初始磁导率在６００００以上；所述的抗饱和磁芯Ｂ的饱和磁感应强度在１．５Ｔ以上，磁导率在２ ００～２０００之间，磁导率线性段内的磁导率变化率小于１０％，在８００Ａ／ｍ的直流偏磁场下的电感量和无偏磁场时的电感量之比大于等于０．５。

【技术特征摘要】
1.一种抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于该磁芯由高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B复合而成，所述的高导磁磁芯A的饱和磁感应强度在0.6T以上，初始磁导率在60000以上；所述的抗饱和磁芯B的饱和磁感应强度在1.5T以上，磁导率在200～2000之间，磁导率线性段内的磁导率变化率小于10％，在800A/m的直流偏磁场下的电感量和无偏磁场时的电感量之比大于等于0.5。2.如权利要求1所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于所述的高导磁磁芯A的材料为铁基纳米晶合金、坡莫合金中的一种，所述的抗饱和磁芯B的材料为铁基非晶合金。3.如权利要求1或2之一所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于所述的磁芯A为铁基纳米晶合金时，其饱和磁感应强度在1.1T以上，初始磁导率在80000以上。4.如权利要求1或2之一所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于所述磁芯A为坡莫合金时，其饱和磁感应强度在0.6T以上，初始磁导率在100000以上。5.如权利要求1或2之一所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于所述的磁芯B为铁基非晶合金时，其饱和磁感应强度在1.5T以上，磁导率在200～2000之间。6.如权利要求1所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于复合磁芯磁导率线性段内的磁导率变化率小于10％，在800A/m的直流偏磁场下的电感量和无偏磁场时的电感量之比大于等于0.5。7.如权利要求1所述的抗直流分量电流互感器磁芯，其特征在于所述的复合磁芯的形状为圆形、椭圆形、矩形、正方形、梯形和三角形之一。8.一种纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法，其特征在于将纳米晶带材在金属芯子上卷绕成所需磁芯，然后将带芯子的磁芯在预定的温度下退火预定的时间。9.如权利要求8所述的纳米晶合金环状磁芯的应力退火方法，所述的磁芯为铁基纳米晶合金时，采用的芯子为紫铜、黄铜、纯铁或钢中的一种或其组合，磁芯在500～600℃下退火30～60分钟。10.一种抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于该磁芯由高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B以轴线重合的方式复合而成。11.如权利要求10所述的抗直流分量电流互感器复合磁芯的制造方法，其特征在于所述的高导磁磁芯A的材料为铁基纳米晶合金、坡莫合金中的一种，所述的抗饱和磁芯B的材料为铁基非晶合金。12.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗滨，于均，周谦莉，戴晓毅，
申请(专利权)人：安泰科技股份有限公司，钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]