ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01F19/04 H01F3/04 C22C38/16 C22C38/34 

Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе железа, из которых изготавливают сердечники трансформаторов тока, силовых трансформаторов источников вторичного питания и высокочастотных трансформаторов различного назначения.

Для трансформаторов тока, работающих в области слабых магнитных полей, важнейшим показателем является высокая индуктивность сердечника, которая линейно связана с начальной магнитной проницаемостью. Высокая индуктивность обеспечивает повышенную точность работы трансформатора тока. В силовых трансформаторах источников вторичного питания необходимо иметь сердечники с высокой магнитной проницаемостью и низкими магнитными потерями в области частот порядка 10 кГц.

Известны трансформаторы, сердечники которых изготовлены из электротехнической стали и сплавов типа 45 НП с начальной магнитной проницаемостью до 4000 А/м [1]
Известен трансформатор, выбранный в качестве прототипа, сердечник которого изготовлен из аморфного сплава на основе железа с начальной магнитной проницаемостью 10000 А/м. Состав сплава определяется областью на тройной диаграмме железо-бор-кремний. Применение тонкой аморфной ленты (толщина 25 мкм) такого состава позволяет достигнуть хороших характеристик трансформаторов в области высоких частот [2]
С целью улучшения электромагнитных характеристик трансформаторов предложен трансформатор, в котором магнитопровод изготовлен из магнитного сплава на основе железа, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат. медь 0,5-2,0; один или несколько компонентов из группы, содержащей ниобий, тантал, вольфрам, молибден, хром, ванадий, 2-5; кремний 5-18; бор 4-12; железо остальное. Для получения наиболее высоких электромагнитных характеристик трансформатора сплав должен иметь структуру, в которой не менее 50% кристаллитов размером менее 100 нм.

Одним из вариантов изобретения является трансформатор, у которого сердечник изготовлен из сплава, содержащего медь, ниобий, молибден или хром или вольфрам, кремний, бор, железо основа. Присутствие в сплаве молибдена, хрома, вольфрама позволяет сформировать на поверхности ленты оксидную пленку этих элементов, которая препятствует внутреннему окислению, а следовательно, позволяет получить сердечники с высокими магнитными свойствами.

Для получения наиболее высокой магнитной проницаемости предпочтительно, чтобы содержание кремния находилось в интервале 12-15 ат. а содержание бора 8 10 ат.

После нанесения обмотки на сердечник, пропитки или проведения других операций в сердечнике могут возникнуть сжимающие напряжения, ухудшающие магнитные свойства. Для получения сердечника с низкой чувствительностью к внешним механическим воздействиям предпочтительно, чтобы содержание кремния в сплаве находилось в интервале 14-17 ат. а содержание бора 6-8 ат.

Для силовых трансформаторов предпочтительно использовать сплавы с высокой индукцией насыщения. Для этого необходимо, чтобы содержание кремния находилось в интервале 7-11 ат. а содержание бора 9-11 ат.

П р и м е р ы. В табл. 1 приведены результаты испытания сердечников размером 32 х 20 х 10 мм, изготовленных из ленты толщиной 25 ± 3 мкм магнитного сплава Fe_72,5Cu₁Nb₂M₂Si_13,5B₉, где М Nb, Ta, W, Mo, Cr, V. Отжиг сердечников проводили на воздухе по оптимальному для каждого сплава режиму. Из табл. 1 следует, что наиболее высокая проницаемость получается в сердечниках из сплава, в котором присутствуют элементы Mo, Cr, W, образующие на поверхности ленты оксидную пленку.

В табл. 2 представлены результаты испытания сердечников, изготовленных из сплава Fe_75,5-6Cu₁ (Mo_xNb_1-x)_bSi_13,5B₉. Режим отжига сердечников 32 х 20 х 10 мм на воздухе при 540^оС 1 ч. Из табл. 2 следует, что оптимальным для получения наибольшей начальной магнитной проницаемости μ_o является отношение молибдена к сумме компонентов молибден и ниобий 0,5.

В табл. 3 приведено сравнение магнитных свойств сердечников из сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ и сплава Fe₈,Si₅B₁₄, использованного для изготовления сердечника трансформатора-прототипа.

В табл. 4 и 5 приведены результаты испытания сердечников из сплава Fe_96-y-ZCu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ после отжига по оптимальному режиму. Из табл. 4 следует, что для получения сердечников с высокой индукцией насыщения необходимо снижать содержание кремния и бора в сплаве. В табл. 5 приведены данные после отжига сердечников и после пропитки их водным раствором натриевого жидкого стекла и сушки при 100^оС в течение 2 ч. Сушка неорганического клея создает сжимающие напряжения в сердечнике, которые снижают магнитную проницаемость и увеличивают магнитные потери. Из табл. 5 следует, что с увеличением отношения кремния к бору чувствительность магнитной проницаемости к сжимающим напряжениям снижается. При этом снижение чувствительности магнитных свойств сердечника к сжимающим напряжениям при одновременном сохранении высокого уровня этих свойств достигается при содержании кремния в интервале 14-17 ат. а бора 6-8 ат.

В табл. 6 приведено сравнение токовой и угловой (f, и δ, мин соответственно) погрешностей трансформатора тока. Оба трансформатора имеют одинаковые параметры первичной и вторичной обмоток: W₁ 4, I₁ 300 A; W₂ 240, I₂ 5 A. Нагрузка вторичной цепи 5 ВА. Магнитопроводы изготовлены из сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ и аморфного сплава Fe₈₁Si₅B₁₄ и имеют размеры 140 х x120 х 35 и 130 х 90 х 40 мм соответственно. Из табл. 6 следует, что использование в трансформаторе сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉, несмотря на меньшее сечение сердечника, позволяет снизить токовую и угловую погрешности трансформатора тока.

Сравним параметры силовых трансформаторов, магнитопроводы которых изготовлены из сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ (1) и сплава Fe₈₁Si₅B₁₄ (2). Заданы следующие характеристики трансформаторов: рабочая частота 20 кГц, напряжение на один виток U/W10B, магнитные потери в сердечнике не более 12 Вт. Этим требованиям удовлетворяют трансформаторы с параметрами, представленными в табл. 7. Из нее следует, что трансформатор с сердечником из сплава Fe_73,5Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_13,5B₉ имеет массу в 2,5 раз меньшую, чем трансформатор-прототип.

Использование: при изготовлении сердечников трансформаторов тока, силовых трансформаторов источников вторичного питания и высокочастотных трансформаторов различного назначения. Сущность изобретения: предлагается трансформатор, состоящий из одного или нескольких ленточных сердечников, изготовленных из магнитного сплава на основе железа, и нескольких обмоток индуктивно связанных с сердечниками, отличающийся тем, что магнитный сплав содержит компоненты при следующем соотношении, ат. медь 0,5-2,0; один или несколько компонентов из группы, содержащей ниобий, тантал, вольфрам, молибден, хром, ванадий 2-5; кремний 5-18; бор 4-12, железо остальное. 10 з.п. ф-лы, 7 табл.

1. ТРАНСФОРМАТОР, состоящий из одного или нескольких ленточных сердечников, изготовленных из магнитного сплава, содержащего кремний, бор и железо, и нескольких обмоток, индуктивно связанных с сердечниками, отличающийся тем, что магнитный сплав дополнительно содержит медь и один или несколько компонентов, выбранных из группы ниобий, тантал, вольфрам, молибден, хром, ванадий, при следующем соотношении компонентов сплава, ат.

Медь 0,5 2,0
Один или несколько компонентов из группы, содержащей
ниобий, тантал, вольфрам, молибден, хром, ванадий 2 5
Кремний 5 18
Бор 4 12
Железо Остальное
2. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из сплава со структурой, состоящей не менее чем на 50% из кристаллов размером менее 100 нм.