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发布时间:2020-11-08 11:55:35

纳米晶铁芯退火后脆性异常大,不宜直接进行切割。通常是采用环氧树脂作为固化剂对铁芯进行封装固化,但环氧树脂固化纳米晶铁芯还存在不易充分填充铁芯带材间隙,切割时易产生碎屑,固化收缩率较大,致使铁芯磁性能急剧下等缺点。采用环氧树脂+聚醚胺柔性体系作为纳米晶铁芯的固化剂,分析了环氧树脂+聚醚胺柔性体系的固化工艺对纳米晶铁芯的可切割性和磁性能的综合影响。

实验方式

用非晶带材绕制成圆环铁芯,经退火制备纳米晶铁芯,再放入环氧树脂柔性固化剂中进行真空浸渍后于干燥箱中固化。采用正交试验研究了固化工艺对纳米晶铁芯可切割性和磁性能的影响。

结果与分析

2.1 铁芯带材间隙填充和可切割性

铁芯带材间隙填充效果主要是由铁芯叠片系数以及固化剂流动性决定。各实验组铁芯固化前的叠片系数分布在0.75-0.78之间。各试验组铁芯固化后的叠片系数分布在0.78-0.84之间,多数试验组铁芯的叠片系数变化率较大,这表明带材间隙填充效果良好。不过,样品3铁芯固化后叠片系数仅为0.808,叠片系数的变化率较小。这是由于该铁芯固化前叠片系数大,加上固化剂填料比例较大,使得固化剂流动性变差,两者共同作用,造成带材间隙填充难度增大。

线切割是检验铁芯带材间隙填充效果更为直观的方式。各试验组铁芯在经历了切割、磨样和抛光之后,带材分布均匀,基本无断带、空隙等缺陷。其中,铁芯的填充难度较大,作为本试验的重点考察对象,铁芯带材显示出较好的完整性,无断带、碎屑等现象,这说明带材间隙填充效果良好。由于铁芯固化前的叠片系数较小,造成带材间隙偏大,在加热固化过程中增大了固化剂流失的可能性,影响带材间隙的填充效果,直接表现就是切割后带材局部存在断裂、破碎的现象。说明铁芯的叠片系数较小同样会影响带材间隙的填充效果。

在填充难度较大的芯部,还是固化剂易流失的铁芯两端,局部均没有产生固化后的缝隙,铁芯整体性较好,表现出优异的可切割性;而样品4铁芯两端以及内外侧呈现不同程度的缝隙、分层,同时在磨样的过程中,伴随大量的碎屑。两组试验铁芯的宏观表现正好与微观形貌相对应,说明采用真空浸渍工艺,即使是在铁芯叠片系数较大以及固化剂流动性降低的情况下,该固化剂依然能够充分填充带材间隙,确保铁芯固化后具有优异的可切割性。

2.2  固化工艺对损耗的影响

铁芯损耗的主要影响因素是固化温度;且经样品工艺,即固化温度353K、固化时间 180 min、填料比例 10 %,固化后铁芯得到最佳磁性能,此时损耗较低:P 1/1k =7.319 W/kgP 0.5/10k = 20.888 W/kg

本试验使用的铁芯在卷绕之后,采用统一的退火工艺,目的是制备纳米晶铁芯,同时消除铁芯卷绕中产生的内应力。因此,本试验中铁芯磁性能的影响因素仅是固化剂固化收缩产生的内应力。固化时间充足能有效释放交联反应产生的能量,降低内应力,同时应避免时间过长造成的能源浪费。填料能有效降低固化收缩率,而且有助于调节固化剂的流动性。在样品3固化工艺下,铁芯的损耗较低,说明该工艺的固化收缩应力较低,调整固化工艺能够改善固化剂对铁芯损耗的影响。

2.3 固化工艺对磁化曲线和磁导率曲线的影响

在工频50 Hz下,铁芯固化前能够在极小的磁场强度(H=7 A/m)趋于饱和,饱和磁感强度Bs =1.02T;相同磁场强度下,固化后各试验组铁芯远未达到饱和,皆呈缓慢上升趋势。其中,样品3此时的磁感应强度达到0.85T,与固化前相比下降了20%,但优于其他试验组;固化温度较高的样品9的磁感应强度仅为0.5T,与固化前相比下降了50 %。铁芯固化后磁导率明显低于固化前。其中,铁芯固化前的起始磁导率μi=163000,而铁芯固化后的μi=73400,变化率为55%;铁芯固化前的最大磁导率μmax=436000,而铁芯固化后的最大磁导率μmax=260000,变化率为40 %;随着磁场强度的增高,铁芯固化前后的磁导率差距逐步减小,最后基本保持在5%。铁芯固化后的磁性能有所下降,且不同的固化工艺造成磁性能下降也存在差别,原因在于:固化剂固化收缩应力影响铁芯磁性能,直接结果就是磁导率下降,铁芯难以饱和;不同的固化工艺造成铁芯内部的固化收缩应力存在差别,应力感生磁各向异性不同,导致铁芯固化后磁化曲线不同。

2.4 固化工艺对电感的影响

当f=50Hz时,铁芯固化前电感量为210μH,固化后电感量明显降低,其中3铁芯表现较好,电感量为100μH;随着频率增高,铁芯固化前后电感量差值逐渐减小,当f=100kHz 时,几乎达到同一水平,电感量为5~6 μH。由于固化会使铁芯磁性能降低,因此电感变化率为负。可以看出,在 f=50Hz~1kHz 范围内,各试验组的电感变化率在-50 %~-80 %,且各曲线基本保持水平,其中3铁芯的电感变化率明显低于其他试验组,保持在-50 %左右;在f=1~100 kHz范围内,电感变化率呈明显的降低趋势,同时各试验组之间的差距减小,当f=100 kHz,各试验组的电感变化率均保持在-10 %左右。这说明在f=50 Hz~1kHz 范围内,固化剂的固化收缩应力对铁芯的电感影响较大,通过调整固化工艺能有效降低固化对铁芯电感的影响;而在f=1~100 kHz范围内,固化剂对铁芯电感影响较小,通过调整固化工艺对电感变化率影响甚小。

结 论

(1)真空浸渍条件下,采用环氧树脂+聚醚胺柔性体系固化纳米晶铁芯,铁芯带材间隙填充效果较好,固化后具有优异的可切割性。

(2)正交试验分析得出铁芯损耗的主要影响因素是固化温度,最佳固化工艺为:固化温度353K,固化时间180min,填料比例10%。该工艺固化的铁芯损耗相对较低:P1/1k =7.319 W/kgP 0.5/10k = 20.888W/kg,磁感应强度(H=7 A/m)下降 20 %,起始磁导率μi下降55 %,最大磁导率μmax下降40 %

(3)在50 Hz~1 kHz 范围内,固化剂的固化收缩对铁芯电感影响较大,通过调整固化工艺能够有效降低固化对铁芯电感的影响;而在1~100 kHz范围内,固化剂对铁芯电感影响较小,对电感变化率影响甚小。



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