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一种可以有效改善纳米晶铁心层间短路、降低铁损性能的蚀刻工艺

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-04-27  浏览次数:2558
纳米晶(FeCuNbSiB)在中频领域呈现高磁导率、高饱和磁通密度、高居里温度、高热导率和低铁损等特点,可以有效提升变压器功率密度。纳米晶或非晶合金材料带制成带卷铁心可以很容易地层压成C形铁心、I形铁心、E形铁心和环形铁心。这种结构上的灵活性允极大的便利了大体积的铁心制造,也使得它们在中频高功率变压器的应用中很受欢迎。
但这些高功率变压器的组装过程,带状的铁心在工业切割过程中与未切割磁芯相比,铁损损耗会显著增加。这是由于在切割过程中端部带状合金叠片之间会形成短路,从而降低了铁心电阻率,并显著增加了涡流损耗,涡流损耗在高频时往往会变得非常显著。在连续性测试模式下,使用万用表很容易发现这种短路现象。另外,工业切割过程不仅会导致短路现象,从而导致较高的铁心损耗和切割部分的温度升高,还会增加微小尺寸的气隙,影响磁阻抗设计。基于以上原因,在使用软磁切芯时,必须特别考虑这些问题,以获得更高的功率密度和效率,并避免不必要的有害损耗。
美国阿肯色大学罗伯托·范蒂诺等研发人员提出了一种酸蚀刻工艺(见图1),这种工艺可以有效改善由于工业切割工艺在非晶/纳米晶铁心中造成的层间短路,并显著降低由于短路层在铁心上产生的不必要的涡流损耗。该项研究获得美国国家科学基金会以及能源部的支持。

 

 图1 改善层间短路的酸蚀刻工艺
图1示是整个酸蚀刻过程。步骤1是铁心样品,先使用180-220号砂纸打磨芯的横截面,然后用异丙醇清洁。步骤2是将铁心放入铁氧体亚氯酸盐酸浴中,将铁心保持在容器底部周围几毫米处,然后用氯化铁填充,直到铁心的横截面浸没在酸中。并在酸性溶液中放置24小时。步骤3是中和过程,将铁心从酸溶液中取出,并置于碳酸氢钠(NaHCO3)中。用NaHCO3覆盖芯腿,放置1-2小时。步骤4是清洁过程,用高浓度异丙醇和小刷子彻底清洁铁心。步骤5是除湿过程,避免层间氧化,用吸湿剂覆盖芯,并放置24小时,或者将铁心放在烘箱中,加热到水蒸发温度点以上。步骤6是使用万用表检查铁心的横截面积,以检查是否存在短路。
通过评估蚀刻过程的有效性分析,发现与蚀刻前的铁心相比,蚀刻后的铁心的横截面在每个纳米晶合金层上都有清晰的分离。同时与未切割的非晶/纳米晶铁心相比,酸蚀刻后的铁心的阻抗响应在进一步降低变压器磁化电感的同时(由于蚀刻后横截面的粗糙度),呈现出铁心电阻率的显著增加,从而降低铁心损耗。蚀刻工艺减轻层间短路的益处还通过作为频率和通量密度的函数的铁损表征来验证。

 


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