减小磁芯中的声噪的方法和具有减小的声噪的磁芯的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有减小的声噪的非晶合金基磁芯以及用于制造发出低声噪的非晶合金基磁芯的方法，该方法包括：在磁芯的芯柱上放置多层高强度磁带，其中，该磁带具有高拉伸强度、高介电强度以及高使用温度，由此可降低声噪水平。在最佳条件下操作时，与覆盖有树脂的相同尺寸的磁芯相比，减小水平的声噪小6至10dB。
【专利说明】减小磁芯中的声噪的方法和具有减小的声噪的磁芯
【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及减小从诸如变压器铁芯之类的基于非晶磁性材料的磁芯中发出的声噪的方法。其他实施例涉及具有减小的声噪的磁芯。
【背景技术】
[0002]铁基非晶合金条带表现出优良的软磁特性(包括AC激励下的低磁芯损耗)，从而发现其可应用于诸如变压器、电动机、发电机、包括脉冲功率生成器的能量管理装置以及磁性传感器之类的高能效磁性装置。在这些装置中，优选使用具有高饱和磁感应强度和低磁芯损耗的非晶铁磁性材料。尽管已在铁基非晶合金中实现了这些特性，但是它们的磁致伸缩值往往稍微高于传统的晶体铁-硅合金的磁致伸缩值。磁致伸缩是磁性材料的一种固有特性，且由当上述材料从其剩磁状态被磁化时的尺寸变化来表征。在磁性材料沿着磁化方向膨胀时，此现象被称为正磁致伸缩。当磁性材料在磁化后收缩时，此现象被称为负磁致伸缩。在任何一种情况下，该材料在AC激励下发生机械振动。因此，当在处于AC激励下的磁芯中使用这种材料时，磁芯会发出声音。一个示例是来自配电变压器中的常见的嗡嗡音。由于居民区中人口密度的不断增加，变压器的噪音成为问题。由于材料的磁致伸缩由其化学成分以及原子或晶体结构决定，因此，通过基于给定磁芯材料的磁芯的设计和制造，可以控制磁芯中的声音水平。因而，必须优化基于非晶磁性材料的磁芯的设计和制造，以实现其最低声音水平，这是根据本发明实施例的一个方面。
[0003]由于需要快速固化熔化合金，上述第[0002]段中提到的非晶铁基合金被铸造成条带形式。市售的非晶磁带的厚度范围为大约15 μ m至大约50 μ m。在缠绕相对薄的磁条带以形成大尺寸的磁芯时，必须对磁芯的侧面进行机械加固，以保持其机械完整性。这即是在将磁芯用作配电变压器磁芯时的情况，其中该磁芯具有实体切口，以便能够将变压器电导体绕组插入该磁芯中。例如，美国专利第4，734，975号(下文中称为’975专利)描述了通过使用环氧树脂来覆盖变压器磁芯的侧面以机械地加固磁芯的方法。目前，该方法在多种基于非晶合金磁条带的变压器中使用。然而，在固化树脂期间，由于磁芯材料和树脂之间的热膨胀系数差异而在磁芯的侧面产生机械应力，这增加了磁芯的磁性损耗以及激励功率。进而，这又导致变压器的声噪的增加。因此，必须减轻这种效应，这是根据本发明实施例的另一方面。本发明的其他方面是寻找环保的磁芯加固材料。目前，虽然所使用的诸如环氧树脂之类的聚合物涂覆材料与金属磁芯牢固地粘合，但是当在再循环利用期间再次熔化磁芯时将产生有害气体，这种情况需要被缓解。
【发明内容】
[0004]根据本发明的各个方面，一种用于减小非晶合金基磁芯中的低声噪的方法包括:提供以矩形形状布置并具有四个芯柱的磁芯，所述磁芯具体包括第一芯柱、与所述第一芯柱相对且具有切割条带重叠部分的第二芯柱、第三芯柱、以及与所述第三芯柱相对的第四芯柱；在所述第三芯柱和所述第四芯柱的各侧上放置多个非重叠的高强度磁带，其中，所述高强度磁带表现出高机械强度、高介电强度以及高使用温度；在所述第三芯柱和所述第四芯柱上螺旋地缠绕第一层的重叠的高强度磁带；在所述第一芯柱的上表面上沿与所述第一芯柱长度平行的方向放置第二层的重叠的高强度磁带；在所述第一芯柱的上表面上沿与所述第一芯柱长度垂直的方向放置第三层的重叠的高强度磁带；在所述第一芯柱的下表面上沿与所述第一芯柱长度平行的方向放置第四层的重叠的高强度磁带；并且在所述第一芯柱的下表面上沿与所述第一芯柱长度垂直的方向放置第五层的重叠的高强度磁带，其中，所述磁芯具有从所述磁芯中发出的减小水平的声噪。
[0005]根据本发明的一方面，该方法还包括:在配电变压器中的所述磁芯的操作期间，使所述第一芯柱的未缠绕磁带的部分、所述第二芯柱的未缠绕磁带的部分、所述第三芯柱的未缠绕磁带的部分或所述第四芯柱的未缠绕磁带的部分暴露于变压器冷却媒介，以确保磁芯冷却。
[0006]根据本发明的一方面，所述第一层的重叠的高强度磁带、所述第二层的重叠的高强度磁带、所述第三层的重叠的高强度磁带、所述第四层的重叠的高强度磁带以及所述第五层的重叠的高强度磁带中的每层向所述磁芯提供机械强度。
[0007]根据本发明的一方面，所述磁芯能够在高达155°C下操作，并且所述高强度磁带具有超过250N/cm的拉伸强度以及超过3000伏特的介电强度，所述高强度磁带具有良好的抗击穿性、抗撕裂性和抗热老化性。
[0008]根据本发明的一方面，所述磁芯被卷绕有非晶磁带或磁条带，并且，所述磁条带是从它的合金的熔化状态快速铸造而成的。
[0009]根据本发明的一方面，缠绕有多层高强度磁带的所述磁芯发出的声功率接近于由未缠绕磁带的相同尺寸的磁芯产生的声功率。
[0010]根据本发明的一方面，所述磁芯的减小水平的声噪比相同尺寸的覆盖有树脂的磁芯小6至10dB。根据本发明的另一方面，在再次熔化所述磁芯以回收利用时，能够移除各层的高强度磁带。
[0011]根据本发明的其他方面，一种具有减小的声噪的非金合金基磁芯包括:具有四个芯柱的矩形磁芯，所述第四芯柱包括第一芯柱、与所述第一芯柱相对且具有切割条带重叠部分的第二芯柱、第三芯柱、以及与所述第三芯柱相对的第四芯柱；在所述第三芯柱和所述第四芯柱的各侧上放置的多个非重叠的高强度磁带，其中，所述高强度磁带表现出高机械强度、高介电强度以及高使用温度；螺旋地缠绕在所述第三芯柱和所述第四芯柱上的第一层的重叠的高强度磁带；在所述第一芯柱的上表面上沿与所述第一芯柱的长度平行的方向放置的第二层的重叠的高强度磁带；在所述第一芯柱的上表面上沿与所述第一芯柱的长度垂直的方向放置的第三层的重叠的高强度磁带；在所述第一芯柱的下表面上沿与所述第一芯柱的长度平行的方向放置的第四层的重叠的高强度磁带；以及在所述第一芯柱的下表面上沿与所述第一芯柱的长度垂直的方向放置的第五层的重叠的高强度磁带，其中，所述磁芯具有从所述磁芯发出的减小水平的声噪。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]当参考下面对实施例的详细说明以及附图时将更全面地理解本发明，且本发明的其他优点也将变得明显，其中:图1A为在经过任何缠绕操作之前的磁芯的立体图。
图1B为经过使用高强度磁带的缠绕操作“a”之后的磁芯的立体图。
图1C为经过缠绕操作“b”之后的磁芯的立体图。
图1D为经过缠绕操作“c”之后的磁芯的立体图。
图1E为经过缠绕操作“d”之后的磁芯的立体图；
图1F为经过缠绕操作“e”之后的磁芯的立体图。
图2A为经过缠绕操作“f”之后的磁芯的立体图。
图2B为经过缠绕操作“g”之后的磁芯的立体图。
图2C为经过缠绕操作“h”之后的磁芯的立体图。
图2D为经过缠绕操作“i”之后的磁芯的立体图。
图2E为经过缠绕操作“j”之后的磁芯的立体图。 图3是根据图1A至图1F中以及图2A至图2F中的缠绕操作的由绝缘高强度磁带缠绕的磁芯的图片，其示出了右侧的芯柱10、前侧的芯柱12以及左侧的芯柱14 ;并且描绘了整个芯柱10以及芯柱12和芯柱14的未经磁带缠绕的作为磁芯冷却导管的部分；
图4是示出了在60Hz的激励下从基于Metglas? 2605SA1合金的由绝缘高强度磁带缠绕的磁芯中发出的声音功率与磁感应强度的相关性的曲线图。
图5是示出了在60Hz的激励下从基于Metgks? 2605SHB ! M合金的由绝缘高强度磁带缠绕的磁芯中发出的声音功率与磁感应强度的相关性的曲线图。
【具体实施方式】
[0013]在下文中将参考附图进一步解释本发明的实施例。
[0014]可如美国专利第4，142，571号中所述，通过开槽喷嘴将熔化的合金喷射在旋转的冷铁体表面，来制备非晶合金条带。该条带的厚度范围为大约15 μ m至大约50 μ m，宽度范围为大约25mm至大约210mm。将经铸造的条带或被撕裂成给定宽度的条带卷绕成磁芯。在某些情况下，例如在配电变压器中，磁芯具有间隙，使得磁芯在一部分处开口，以便将电导体线圈插入到磁芯中。之后，卷绕的磁芯受到热处理，以获得所预想的磁特性。
[0015]图1A示出了经热处理的磁芯的一个此类示例，其中，如图所示，磁芯100具有芯柱
10、12、13、14以及位于一个芯柱10上的切割条带重叠部分11。切割条带重叠部分11是需要的，以允许通过使切割条带重叠部分开口而将变压器线圈插入到磁芯中。如图1B中的缠绕操作“a”所示，在磁芯的各侧面上放置高强度磁带20。如图1C中的缠绕操作“b”所示，在芯柱12周围缠绕另一层磁带30。如图1D中的缠绕操作“c”所示，磁带30螺旋地卷绕在磁柱12上，并覆盖整个磁柱。磁带的条数以及它们的长度和宽度由磁芯的尺寸决定。在芯柱13上重复操作“C”，以作为图1E中所示的缠绕操作“d”。在缠绕操作“e”中，如图1F中所示，将另一层磁带40缠绕在不具有切割条带重叠部分的芯柱14上。如图2A所示，在缠绕操作“f”中，以重叠方式将磁带40放置成与芯柱14平行。在缠绕操作“g”中，另一层磁带50放置在磁带40上方，并且与芯柱12和13平行，从而到达缠绕操作“h”。在缠绕操作“i”和“j”中重复缠绕操作“f” “g” “h”，由此可形成磁芯100的在芯柱14的磁芯侧与芯柱12和13的一部分之间未缠绕磁带的部分。未缠绕磁带的磁芯部分例如通过在配电变压器中的磁芯的操作期间被暴露于变压器冷却媒介而用作磁芯冷却管。在完成缠绕操作“j”后，最终形成的缠绕磁带磁芯具有如图3所示的外观。
[0016]根据本发明实施例的用于减小磁芯中的声噪的方法包括以下操作:提供以矩形形状布置且具有四个芯柱的磁芯，该磁芯具体地包括第一芯柱14、与第一芯柱相对且具有切割条带重叠部分11的第二芯柱10、第三芯柱12以及与第三芯柱相对的第四芯柱13 ;在第三芯柱和第四芯柱的侧面放置多个非重叠高强度磁带20，其中，高强度磁带表现出高机械强度、高介电强度以及高使用温度；在第三芯柱和第四芯柱上螺旋地缠绕第一层的重叠的高强度磁带30 ;在第一芯柱的上表面上沿与第一芯柱长度平行的方向放置第二层的重叠的高强度磁带40 ;在第一芯柱的上表面上沿与第一芯柱长度垂直的方向放置第三层的重叠的高强度磁带50 ;在第一芯柱的下表面上沿与第一芯柱长度平行的方向放置第四层的重叠的高强度磁带40 ;以及在第一芯柱的下表面上沿与第一芯柱长度垂直的方向放置第五层的重叠的高强度磁带50，其中，该磁芯具有从磁芯中发出的减小的声噪水平。
[0017]可用于本发明实施例的高强度磁带具有高拉伸强度并表现出诸如良好的抗击穿性、抗撕裂性和抗热老化性等优良特性，并且具有高介电强度。就拉伸强度而言，磁带具有250N/cm以上的高拉伸强度。就介电强度而言，具有3000伏特以上，或优选地5000伏特以上的介电强度的磁带是很有效的。
[0018]一般而言，与仅覆盖有树脂的磁芯相比，使用高强度磁带来卷绕磁芯可使磁芯中发出的声噪减小了大约6dB到IOdB的范围。
[0019]根据本发明实施例的具有减小的声噪的磁芯包括:具有四个芯柱(第一芯柱14、与第一芯柱相对且具有切割条带重叠部分11的第二芯柱10、第三芯柱12以及与第三芯柱相对的第四芯柱13 ;在第三芯柱和第四芯柱的侧面放置的多个非重叠高强度磁带20，其中，高强度磁带表现出高机械强度、高介电强度以及高使用温度)的矩形形状磁芯；在第三芯柱和第四芯柱上螺旋地缠绕的第一层的重叠的高强度磁带30 ;在第一芯柱的上表面上沿与第一芯柱长度平行的方向放置的第二层的重叠的高强度磁带40 ;在第一芯柱的上表面上沿与第一芯柱长度垂直的方向放置的第三层的重叠的高强度磁带50 ;在第一芯柱的下表面上沿与第一芯柱长度平行的方向放置的第四层的重叠的高强度磁带40;以及在第一芯柱的下表面上沿与第一芯柱长度垂直的方向放置的第五层的重叠的高强度磁带50，其中，该磁芯具有从磁芯中发出的减小的声噪水平。
[0020]为了建立从磁芯中发出的与磁特性相关的声噪的比较参考的基线，构建了与图1A中的物体100具有相同尺寸的磁芯。接着，按照美国专利’ 975的教示，磁芯受到热处理以实现它们的最优磁性能，并且在它们的侧面上覆盖环氧树脂。
[0021]通过ASTM标准A912中指定的方法来测试第[0013]至[0019]段中描述的磁芯。
[0022]接着，根据IS03744标准，在商用声学实验室中，针对声功率对第[0014]至[0019]段中的磁芯进行声噪测试。在以下示例中给出测试的细节。
示例I
[0023]对基于市售的非晶合金Metglas? 2605SA1的磁芯进行声噪测试。在表格I中总结了测试结果，其中，在由不同方式制备的磁芯之间比较声噪，其中在60Hz下以1.0-1.50T的感应强度水平激励这些磁芯。
表1.从缠绕磁带磁芯、覆盖(粘合)有环氧树脂的磁芯以及裸露磁芯中发出的声功率
【权利要求】
1.一种用于减小非晶合金基磁芯的低声噪的方法，其包括: 提供以矩形形状布置并具有四个芯柱的磁芯，所述磁芯具体包括第一芯柱、与所述第一芯柱相对且具有切割条带重叠部分的第二芯柱、第三芯柱、以及与所述第三芯柱相对的第四芯柱； 在所述第三芯柱和所述第四芯柱的各侧上放置多个非重叠的高强度磁带，其中，所述高强度磁带表现出高机械强度、高介电强度以及高使用温度； 在所述第三芯柱和所述第四芯柱上螺旋地缠绕第一层的重叠的高强度磁带； 在所述第一芯柱的上表面上沿与所述第一芯柱长度平行的方向放置第二层的重叠的高强度磁带； 在所述第一芯柱的上表面上沿与所述第一芯柱长度垂直的方向放置第三层的重叠的高强度磁带； 在所述第一芯柱的下表面上沿与所述第一芯柱长度平行的方向放置第四层的重叠的高强度磁带；并且 在所述第一芯柱的下表面上沿与所述第一芯柱长度垂直的方向放置第五层的重叠的高强度磁带，所述磁芯具有从所述磁芯中发出的减小水平的声噪。
2.如权利要求1所述的方法，其还包括:在配电变压器中的所述磁芯的操作期间，使所述第一芯柱的未缠绕磁带的部分、所述第二芯柱的未缠绕磁带的部分、所述第三芯柱的未缠绕磁带的部分或所述第 四芯柱的未缠绕磁带的部分暴露于变压器冷却媒介，以确保磁芯冷却。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一层的重叠的高强度磁带、所述第二层的重叠的高强度磁带、所述第三层的重叠的高强度磁带、所述第四层的重叠的高强度磁带以及所述第五层的重叠的高强度磁带中的每层向所述磁芯提供机械强度。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁芯能够在高达155°C下操作，并且所述高强度磁带具有超过250N/cm的拉伸强度以及超过3000伏特的介电强度，所述高强度磁带具有良好的抗击穿性、抗撕裂性和抗热老化性。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁芯被卷绕有非晶磁带或磁条带，并且，所述磁条带是从它的合金的熔化状态快速铸造而成的。
6.如权利要求1所述的方法，其中，缠绕有多层高强度磁带的所述磁芯发出的声功率接近于由未缠绕磁带的相同尺寸的磁芯产生的声功率。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁芯的减小水平的声噪比相同尺寸的覆盖有树脂的磁芯小6至10dB。
8.如权利要求1所述的方法，其中，在再次熔化所述磁芯以回收利用时，能够移除各层的高强度磁带。
9.一种具有减小的声噪的非金合金基磁芯，其包括: 具有四个芯柱的矩形磁芯，所述第四芯柱包括第一芯柱、与所述第一芯柱相对且具有切割条带重叠部分的第二芯柱、第三芯柱、以及与所述第三芯柱相对的第四芯柱； 在所述第三芯柱和所述第四芯柱的各侧上放置的多个非重叠的高强度磁带，其中，所述高强度磁带表现出高机械强度、高介电强度以及高使用温度； 螺旋地缠绕在所述第三芯柱和所述第四芯柱上的第一层的重叠的高强度磁带；在所述第一芯柱的上表面上沿与所述第一芯柱的长度平行的方向放置的第二层的重置的闻强度磁带； 在所述第一芯柱的上表面上沿与所述第一芯柱的长度垂直的方向放置的第三层的重置的闻强度磁带； 在所述第一芯柱的下表面上沿与所述第一芯柱的长度平行的方向放置的第四层的重置的闻强度磁带；以及 在所述第一芯柱的下表面上沿与所述第一芯柱的长度垂直的方向放置的第五层的重置的闻强度磁带， 其中，所述磁芯具有从所述磁芯发出的减小水平的声噪。
10.如权利要求9所述的磁芯，其中，在配电变压器中的所述磁芯的操作期间，所述磁芯的未缠绕磁带的部分被暴露于变压器冷却媒介，以确保磁芯冷却。
11.如权利要求9所述的磁芯，其中，所述第一层的重叠的高强度磁带、所述第二层的重叠的高强度磁带、所述第三层的重叠的高强度磁带、所述第四层的重叠的高强度磁带以及所述第五层的重叠的高强度磁带中的每层向所述磁芯提供机械强度。
12.如权利要求9所述的磁芯，其中，所述磁芯能够在高达155°C下操作，并且所述高强度磁带具有超过250N/cm的拉伸强度以及超过3000伏特的介电强度，所述高强度磁带具有良好的抗击穿性、抗撕裂性和抗热老化性。
13.如权利要求9所述的磁芯，其中，所述磁芯被卷绕有非晶磁带或磁条带，并且，所述磁条带是从它的合金的熔化状态快速铸造而成的。
14.如权利要求9所述的磁芯，其中，缠绕有多层高强度磁带的所述磁芯发出的声功率接近于由未缠绕磁带的相同尺寸的磁芯产生的声功率。
15.如权利要求9所述的磁芯，其中，所述磁芯的减小水平的声噪比相同尺寸的覆盖有树脂的磁芯小6至10dB。
16.如权利要求9所述的磁芯，其中，在再次熔化所述磁芯以回收利用时，能够移除各层的高强度磁带。
【文档编号】H01F27/24GK103946933SQ201280053060
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年10月25日 优先权日:2011年10月28日
【发明者】马克·罗伯特·哥伦布, 罗伯特·布朗, 肯戈·塔卡哈斯, 留苏克·哈塞戛瓦 申请人:梅特格拉斯公司