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一種可以有效改善納米晶鐵心層間短路、降低鐵損性能的蝕刻工藝

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2023-04-27  瀏覽次數(shù)：2798
納米晶(FeCuNbSiB)在中頻領(lǐng)域呈現(xiàn)高磁導(dǎo)率、高飽和磁通密度、高居里溫度、高熱導(dǎo)率和低鐵損等特點(diǎn)，可以有效提升變壓器功率密度。納米晶或非晶合金材料帶制成帶卷鐵心可以很容易地層壓成C形鐵心、I形鐵心、E形鐵心和環(huán)形鐵心。這種結(jié)構(gòu)上的靈活性允極大的便利了大體積的鐵心制造，也使得它們?cè)谥蓄l高功率變壓器的應(yīng)用中很受歡迎。
但這些高功率變壓器的組裝過程，帶狀的鐵心在工業(yè)切割過程中與未切割磁芯相比，鐵損損耗會(huì)顯著增加。這是由于在切割過程中端部帶狀合金疊片之間會(huì)形成短路，從而降低了鐵心電阻率，并顯著增加了渦流損耗，渦流損耗在高頻時(shí)往往會(huì)變得非常顯著。在連續(xù)性測(cè)試模式下，使用萬用表很容易發(fā)現(xiàn)這種短路現(xiàn)象。另外，工業(yè)切割過程不僅會(huì)導(dǎo)致短路現(xiàn)象，從而導(dǎo)致較高的鐵心損耗和切割部分的溫度升高，還會(huì)增加微小尺寸的氣隙，影響磁阻抗設(shè)計(jì)?；谝陨显?，在使用軟磁切芯時(shí)，必須特別考慮這些問題，以獲得更高的功率密度和效率，并避免不必要的有害損耗。
美國阿肯色大學(xué)羅伯托·范蒂諾等研發(fā)人員提出了一種酸蝕刻工藝（見圖1），這種工藝可以有效改善由于工業(yè)切割工藝在非晶/納米晶鐵心中造成的層間短路，并顯著降低由于短路層在鐵心上產(chǎn)生的不必要的渦流損耗。該項(xiàng)研究獲得美國國家科學(xué)基金會(huì)以及能源部的支持。

 

 圖1 改善層間短路的酸蝕刻工藝
圖1示是整個(gè)酸蝕刻過程。步驟1是鐵心樣品，先使用180-220號(hào)砂紙打磨芯的橫截面，然后用異丙醇清潔。步驟2是將鐵心放入鐵氧體亞氯酸鹽酸浴中，將鐵心保持在容器底部周圍幾毫米處，然后用氯化鐵填充，直到鐵心的橫截面浸沒在酸中。并在酸性溶液中放置24小時(shí)。步驟3是中和過程，將鐵心從酸溶液中取出，并置于碳酸氫鈉(NaHCO3)中。用NaHCO3覆蓋芯腿，放置1-2小時(shí)。步驟4是清潔過程，用高濃度異丙醇和小刷子徹底清潔鐵心。步驟5是除濕過程，避免層間氧化，用吸濕劑覆蓋芯，并放置24小時(shí)，或者將鐵心放在烘箱中，加熱到水蒸發(fā)溫度點(diǎn)以上。步驟6是使用萬用表檢查鐵心的橫截面積，以檢查是否存在短路。
通過評(píng)估蝕刻過程的有效性分析，發(fā)現(xiàn)與蝕刻前的鐵心相比，蝕刻后的鐵心的橫截面在每個(gè)納米晶合金層上都有清晰的分離。同時(shí)與未切割的非晶/納米晶鐵心相比，酸蝕刻后的鐵心的阻抗響應(yīng)在進(jìn)一步降低變壓器磁化電感的同時(shí)(由于蝕刻后橫截面的粗糙度),呈現(xiàn)出鐵心電阻率的顯著增加，從而降低鐵心損耗。蝕刻工藝減輕層間短路的益處還通過作為頻率和通量密度的函數(shù)的鐵損表征來驗(yàn)證。

 


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