專利名稱：磁芯、制造這種磁芯的方法、這種磁芯尤其在電流互感器和電流補償?shù)亩罅魅χ械膽?yīng)用以 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對交流和直流分量具有高可調(diào)制性的磁芯，一種用于制造這種磁芯的方法，和這種磁芯尤其在電流互感器和電流補償?shù)亩罅魅χ械膽?yīng)用，以及用于制造這種磁芯的合金和帶材。
在磁芯的眾多的應(yīng)用中要求針對交流和直流分量的高的可調(diào)制性，其中，分別針對交流和直流需要視應(yīng)用情況而定的專用的可調(diào)制性。例如在電流互感器和電流補償?shù)亩罅魅χ校嬖谥槍涣骱椭绷鞣至烤哂懈呖烧{(diào)制性的磁芯的應(yīng)用。
例如在DE-A 35 26 047和DE 195 48 530 A1中說明了電流補償?shù)娜ジ蓴_扼流圈。針對單相用途，電流補償?shù)娜ジ蓴_扼流圈具有兩個繞組，在多相用途中，電流補償?shù)娜ジ蓴_扼流圈具有三個或多個繞組。如此來連接去干擾扼流圈的繞組，以致基于工作電流感應(yīng)的磁通量互相抵消，而同相地流過兩個繞組的干擾電流引起軟磁鐵心的磁化。因此，以此形成的電流補償?shù)娜ジ蓴_扼流圈作為相對工作電流很小的感抗來起作用，而例如從所連接的設(shè)備出發(fā)的和通過地線閉合的干擾電流遇到很高的電感。
已知的電流補償?shù)娜ジ蓴_扼流圈的鐵心例如由非晶形的或納晶的合金、優(yōu)選地由帶材制成。在此，除了匝數(shù)和鐵心截面以外，扼流圈的電感基本上與磁芯的軟磁材料的相對磁導(dǎo)率有關(guān)。
具有開頭所述磁芯的電流互感器例如又應(yīng)用在能量計數(shù)器中，如這在WO 00/30131中所說明的那樣。能量計數(shù)器被例如用于工業(yè)和家庭中的電氣設(shè)備和設(shè)施的能耗的檢測。最古老的在此貫用的原理是弗拉里斯計數(shù)器的原理。弗拉里斯計數(shù)器基于通過與機械計數(shù)機構(gòu)相連接的圓盤的旋轉(zhuǎn)的能量計數(shù)，該圓盤通過相應(yīng)的磁場線圈的、與電流或電壓成比例的場來驅(qū)動。針對能量計數(shù)器的功能可能性的擴充、諸如針對多倍費率工作或遠距讀數(shù)采用電子能量計數(shù)器，在這些能量計數(shù)器中通過變流器和變壓器來實現(xiàn)電流檢測和電壓檢測。將這些變換器的輸出信號數(shù)字化、相乘、集成和存儲，結(jié)果是電氣參量，該電氣參量其中也供遠距讀數(shù)來使用。
這種變流器的可能的技術(shù)實施形式中的一種是按感應(yīng)原理的電流互感器。

圖1示出了這種電流互感器的等效電路圖和技術(shù)數(shù)據(jù)的范圍，如在各種應(yīng)用中出現(xiàn)的那樣。這里示出了電流互感器1。引導(dǎo)要測量的電流Iprim的初級繞組2和引導(dǎo)次級電流Isec的次級繞組3位于由軟磁材料構(gòu)造的磁芯4上。該電流Isec如此來自動調(diào)節(jié)，以致初級和次級方面的安匝在理想情況下同樣大但方向相反。圖2中示出了這種電流互感器中磁場的變化曲線，其中，磁芯中的損失由于其一般微小的值而不予考慮。于是按照感應(yīng)定理，如此來調(diào)節(jié)次級繞組3中的電流，以致該電流嘗試來阻礙其形成的原因，也就是阻礙磁芯4中磁通量的時間上的變化。
所以在理想的電流互感器中，次級電流與匝數(shù)比相乘等于負(fù)的初級電流，這由方程(1)來表明Isccidenl=-Iprim*(Nprim/Nscc)...(1)]]>由于次級負(fù)荷電阻5中的損耗、次級繞組的銅電阻6中的損耗和磁芯4中的損耗而從未達到過該理想情況。
所以在實際的電流互感器中，次級電流相對上述的理想化具有幅度誤差和相位誤差，這由方程(2)來描述幅度誤差F(I)=Isccreal-IsccidealIsccideal;]]>相位誤差 將這種電流互感器的輸出信號數(shù)字化，并且在能量計數(shù)器的電子裝置中進一步處理。
用于工業(yè)用途中能量計數(shù)的電子能量計數(shù)器由于常常很高(＞＞100A)的電流而間接地工作，也就是將專用的初級電流互感器連接在電流輸入端之前，以致在計數(shù)器本身中只須測量純雙極的、零對稱的交流(典型地1...6Aeff)。利用由高導(dǎo)磁材料制成的磁芯來構(gòu)造的電流互感器用于此，這些高導(dǎo)磁材料例如是含有約80個重量百分比的鎳、和名為“坡莫合金(Permalloy)”的鎳鐵合金。為了達到微小的測量誤差，這些電流互感器原則上具有很低的相位誤差，為此這些電流互感器此外還配備有非常多(典型地多于1000)的次級線圈。
這些電流互感器不適合于在也可在工業(yè)小型設(shè)施中采用的家用計數(shù)器中采用，因為在這種情況下一般沒有連接在前面的初級電流互感器而直接連接時，電流強度通常可能達到100A或更高，并且上述的電流互感器因此將可能飽和。此外，這些電流不包含零對稱的直流成分，這些直流成分通過在現(xiàn)代電氣設(shè)備中采用的半導(dǎo)體電路(例如整流器電路或相位截止電路(Phasenanschnittschaltung))來生成并且使得具有高導(dǎo)磁的磁芯的電流互感器磁飽和以及因此使能量計數(shù)失真。
IEC 62053系列的對此決定性的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了，遵守精度等級1或2％的電子能量計數(shù)器針對雙極零對稱正弦電流的所給出的最大可測量的有效值Imax必須能夠測量具有最大附加誤差3或6％的、單極半波整流的正弦電流的最大幅度，該幅度的數(shù)值等于最大有效值的數(shù)值。除了這些標(biāo)準(zhǔn)之外，還存在著本國和地區(qū)的規(guī)定，這些規(guī)定也允許具有單極電流較低的幅度極限值的、被定義為足夠準(zhǔn)確的能量檢測的特性。
針對這種電流的映射(Abbildung)公知變流器，這些變流器基于開放的或利用機械式放入的空氣隙剪開的和因此低導(dǎo)磁的磁回路來工作。這種變流器的實例是電流互感器，其中，將裝備有空氣隙(剪開)的鐵氧體殼式鐵心用作磁芯。該鐵氧體殼式鐵心具有作為初級電流的函數(shù)的令人滿意的線性，可是由于鐵氧體的相對低的飽和電感而需要比較大體積的磁芯，以便在電流互感器中在整個電流范圍上的高線性的情況下達到高的最大可測量的初級電流。此外，這些電流互感器同樣還具有相對外部的外加場的高敏感性，以致在那里也必須采取屏蔽措施，這些屏蔽措施是費材料和費裝配工作量的并且因而在成本方面較少有利的。此外，在鐵氧體中，磁值通常還強烈地與溫度有關(guān)。
此外還公知了基于無鐵的空心線圈來工作的變流器。該原理公知為所謂的Rogowski原理。在這種情況下，取消了軟磁材料的特性對測量精度的影響。由于這種變流器的磁開放的結(jié)構(gòu)，這些變流器必須配備有防外部場的特別昂貴的屏蔽，這由于材料花費和裝配工作量同樣是成本高的。
一種技術(shù)上優(yōu)質(zhì)的實現(xiàn)可能性是應(yīng)用具有比較低磁導(dǎo)率(μ＝1400...3000)的磁芯的電流互感器，這些磁芯由快速凝固的非晶形的軟磁材料制成。該磁導(dǎo)率在改變調(diào)制時的很好的穩(wěn)定性確保了相位誤差在整個要傳輸?shù)碾娏鞣秶系暮芨叩木€性。通過低的磁導(dǎo)率值利用在可核算的界限中的直流成分避免了飽和；相反地，該飽和導(dǎo)致在初級電流和次級電流之間出現(xiàn)比較高的相位誤差，該相位誤差在能量計數(shù)器中必須通過相應(yīng)的電子電路或軟件來補償。在電子能量計數(shù)器的迄今公知的實施形式中，存在著典型的0.5...5°的補償范圍，其中，可是來自該范圍的較高值的補償在有關(guān)信號處理的半導(dǎo)體電路和半導(dǎo)體存儲器方面要求提高設(shè)備成本的增加的花費。從在能量計數(shù)器的市場上競爭的制造商的角度來看嚴(yán)重的問題是要應(yīng)用的磁性材料的成本，因為迄今所應(yīng)用的合金含有80原子％左右的Co，這導(dǎo)致較高的材料價格。
本發(fā)明的任務(wù)是，在其有關(guān)應(yīng)用的特性方面來改進一種磁芯，該磁芯針對交流和直流分量具有高的可調(diào)制性。此外，本發(fā)明的任務(wù)在于，在其特性方面如此來設(shè)計該磁芯，以致該磁芯適于不同的應(yīng)用情況，以及給出這種磁芯的應(yīng)用。此外，本發(fā)明的任務(wù)還在于，提供一種特別廉價的磁芯。最后，本發(fā)明的任務(wù)還在于，給出一種針對這樣的磁芯的制造方法。
通過具有主權(quán)利要求1的特征的磁芯來解決該任務(wù)。此外，通過根據(jù)權(quán)利要求20的具有這樣的磁芯的電流互感器、以及根據(jù)權(quán)利要求23的具有這樣的磁芯的扼流圈來解決該任務(wù)。最后還通過一種根據(jù)權(quán)利要求16的制造方法來解決該任務(wù)。本發(fā)明思想的擴展方案和改進方案是從屬權(quán)利要求的主題。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，例如在其特性(例如溫度變化過程、相位誤差、最大初級電流、最大單極的初級電流以及成本)方面，相對公知的(例如具有鐵氧體鐵心的)電流互感器，顯著改進了具有本發(fā)明磁芯的電流互感器。在此也可以無空氣隙和封閉地構(gòu)造磁芯。除了針對交流和直流分量的高可調(diào)制性之外，該磁心還具有電流映射(stromabbildung)在寬電流范圍上的、尤其突出地適于電流計數(shù)器用途的高線性和沒有附加屏蔽措施而相對外部外加磁場的高的免疫性。因此已表明了，本發(fā)明的磁芯以特別的程度適于電流互感器和電流補償?shù)亩罅魅?。可是該磁芯也可以有利地在任意的其他用途中采用?br> 由于電流互感器和電流補償?shù)亩罅魅Φ?、通過本發(fā)明磁芯的特別特性而成為可能的簡單結(jié)構(gòu)，磁芯還可以十分廉價地來制造并因此特別適合于上述的用途，這些電流互感器和扼流圈具有還不含有或僅含有微小分量的貴重元素Co的合金制成的微小的鐵心質(zhì)量以及具有帶有比較低的匝數(shù)的卷繞。除此之外，所述特性的溫度依賴性是盡可能小的。
在以預(yù)定的最大初級電流設(shè)計本發(fā)明的電流互感器時，出發(fā)點在于，該電流與材料專用的飽和電感和鐵心截面成正比，而與次級負(fù)荷電阻以及次級繞組的電阻的值的總和成反比。鐵心大小(體積)是鐵心截面與平均的磁路長度的乘積。從中通過與材料密度的乘積得出了鐵心質(zhì)量。同時，最大單極的電流幅度與材料專用的飽和電感、并且與鐵心的平均磁路長度成正比，以及與材料的磁導(dǎo)率成反比。
在此已實現(xiàn)了最小的相位誤差，該相位誤差直至約≤8°的相位誤差值時近似地與上述的電阻總和成正比，而與磁導(dǎo)率成反比。此外還針對最大可能的飽和電感。具有約80原子％的Co的非晶形的材料具有0.8...1T的飽和電感的值。提高將可能允許在相等的最大電流時的磁芯的縮小，或者實現(xiàn)了在相同的鐵心大小時的最大電流的提高。
首先假設(shè)，鐵心大小(鐵心體積)保持恒定。同樣，通常由計數(shù)器設(shè)計師隨同確定的參量、如次級匝數(shù)以及次級負(fù)荷電阻不應(yīng)改變。因此在飽和電感從0.9T提高到1.2T時，例如像帶有10原子％的Ni的納晶材料具有該飽和電感那樣，電流互感器可能映射提高了33％的的初級電流。此外，在具有提高了的飽和電感的、保持不變的最大單極的電流幅度時和在保持不變的鐵心大小時，這種結(jié)構(gòu)將可能允許更高的磁導(dǎo)率，例如從在具有約80原子％的Co的非晶形材料時的1500...3000提高到具有10原子％的Ni的納晶材料的2000...4000。這種磁導(dǎo)率又導(dǎo)致降低了約25％的相位誤差，這顯著地降低了能量計數(shù)器中的補償工作量。如果然后還使用針對保持不變的最大的初級電流將鐵心截面減小了25％的可能性，以及為了降低次級繞組的電阻的目的來相應(yīng)地調(diào)節(jié)大小比例，則有可能，在保持不變的次級負(fù)荷電阻中使相位誤差從5°減半到例如2.5°。
在這種情況下，在應(yīng)用具有10原子％的Ni的納晶材料時，鐵心材料的成本可被降到在由具有約80原子％的Co的非晶形材料制成的鐵心時的材料成本的近30％。
尤其適于在電流互感器中采用的本發(fā)明磁芯的優(yōu)選的實施形式規(guī)定了，磁芯由鐵磁合金制成的成卷帶材來構(gòu)成，其中，合金的至少50％由細(xì)的晶體顆粒所占據(jù)(納晶合金)，這些顆粒具有100nm或更小的、優(yōu)選地50nm或更小的平均的顆粒大小，該磁芯具有大于1000、優(yōu)選地1500的而小于10000、優(yōu)選地6000的磁導(dǎo)率，該磁導(dǎo)率通過在垂直于磁化方向的磁場中的回火來調(diào)節(jié)。飽和電感在此大于等于1特斯拉。
其它優(yōu)選的實施形式還具有λs＜15ppm(優(yōu)選地＜10ppm)的飽和磁致伸縮。通常要么只通過昂貴的Co基合金來實現(xiàn)這種特性，而在納晶的Fe基合金中，常用合金中的磁導(dǎo)率范圍大于10000。本發(fā)明磁芯的合金具有可以基本上用下列分子式來描述的成分FeaCobNicCudMeSifBgXh，其中，M是元素V、Nb、Ta、Ti、Mo、W、Zr、Cr、Mn和Hf中的至少一種，a、b、c、d、e、f、g以原子％為單位來給出，X表示元素P、Ge、C以及市面上常用的雜質(zhì)，并且其中a、b、c、d、e、f、g、h滿足以下的條件0≤b≤402＜c＜200.5≤d≤2；1≤e≤6；6.5≤f≤18；5≤g≤14；h＜5原子％其中5≤b+c≤45，其中a+b+c+d+e+f＝100。
優(yōu)選地，磁芯具有滿足以下的條件的合金成分a、b、c、d、e、f、g、h0≤b≤202＜c＜150.5≤d≤2；1≤e≤6；6.5≤f≤18；5≤g≤14；
h＜5原子％其中5≤b+c≤30，其中a+b+c+d+e+f＝100。
特別優(yōu)選地，磁芯具有滿足以下的條件的合金成分a、b、c、d、e、f、g、h0≤b≤102＜c≤150.5≤d≤2；1≤e≤6；6.5≤f≤18；5≤g≤14；h＜5原子％其中5≤b+c≤20，其中a+b+c+d+e+f＝100。
其合金成分滿足以下的條件的磁芯提供了完全優(yōu)異的結(jié)果0.7≤d≤1.5；2≤e≤4；8≤f≤16；6≤g≤12；h＜2原子％其中5≤b+c≤20，其中a+b+c+d+e+f＝100。優(yōu)選的實施形式具有小于Ni含量的Co含量。
已表明，在這種磁芯中，磁導(dǎo)率與磁化的依賴性是很小的。磁芯的磁滯回線因此是很窄的和線性的。這要求的前提是，剩余磁感應(yīng)與飽和電感的盡可能少于30％(優(yōu)選地20％)的盡可能小的比例以及盡可能少于1A/cm、更好為0.2A/cm的矯頑磁場強度。該比例導(dǎo)致磁導(dǎo)率值的高的穩(wěn)定性。這樣，磁導(dǎo)率的非線性為Δμ/μ＜15％(更好為小于10％)，其中，Δμ是直至在例如1.2特斯拉的飽和電感之下約5％時在整個可測量的磁化范圍上的磁導(dǎo)率的最小和最大值之間的差值的最大值，而μ描述了在該磁化范圍中的磁導(dǎo)率的平均值。
除了磁芯之外，具有本發(fā)明磁芯的電流互感器還具有至少一個初級繞組和一個次級繞組，次級負(fù)荷電阻與該次級繞組并聯(lián)，該次級負(fù)荷電阻低歐姆地閉合次級電流回路。由于在所述范圍中的磁芯的磁導(dǎo)率基本上與磁化無關(guān)，所以具有這種磁芯的該變流器的絕對的相位誤差和絕對的幅度誤差在此在寬的初級電流范圍上幾乎是恒定的。絕對的幅度誤差可以小于1％。絕對的相位誤差可以小于5°。由于良好的線性，通過配備有該電流互感器的能量計數(shù)器的電子裝置或軟件，可以容易地補償相位誤差和幅度誤差的絕對值，這導(dǎo)致電功率的高的測量精度。
由于納晶的結(jié)構(gòu)，磁芯具有驚人高的耐老化性，該耐老化性允許磁芯的超過120℃、在個別情況下甚至于150℃左右的應(yīng)用極限溫度。具有該磁芯的變流器恰恰因此適用于遠在室溫之上的用途。
磁芯的特性只是很微弱地與溫度有關(guān)，其中，這種關(guān)系又在很大程度上線性變化。磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)在此應(yīng)該為顯著少于0.5％/K、優(yōu)選地少于0.2％/K的絕對值。
本發(fā)明所基于的知識在于，利用所述成分的合金通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢援a(chǎn)生具有所述的特性的磁芯。在此應(yīng)互相協(xié)調(diào)很多的參數(shù)，以便磁芯具有所述的特性。
通過在熱處理時產(chǎn)生的納晶的兩相結(jié)構(gòu)，在同時高的飽和電感和高的熱穩(wěn)定性的情況下，滿足了良好的軟磁特性的兩個基本的前提。優(yōu)選地由帶材來制造鐵心，這些帶材在它們這方面由本發(fā)明的合金制成。
以下借助附圖中示出的實施例來詳細(xì)闡述本發(fā)明。其中圖1示出了公知的變流器的等效電路圖，以及在工作中可能出現(xiàn)的各種技術(shù)數(shù)據(jù)的范圍，圖2示出了按圖1的變流器中的磁場的變化曲線，圖3示出了幅度誤差(以％為單位)和相位誤差(以°為單位)與640A的額定初級電流IprimN的初級電流(以A為單位)的關(guān)系的變化曲線，圖4示出了幅度誤差(以％為單位)和相位誤差(以°為單位)與400A的額定初級電流IprimN的初級電流(以A為單位)的關(guān)系的變化曲線，以及圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的合金的磁滯回線。
以下示范性地考察了“具有電子能量計數(shù)器的直流容差的電流互感器”的應(yīng)用領(lǐng)域。在有關(guān)的分析研究中已表明，在很久以來公知的經(jīng)典的具有高導(dǎo)磁的鐵心的電流互感器中，不可能滿足標(biāo)準(zhǔn)系列IEC62053對直流容差的要求。這些針對具有直接連接的電子家用計數(shù)器的要求是決定性的標(biāo)準(zhǔn)要求，在存在半波整流(也就是純單極)的正弦電流時也必須可能進行能量檢測。
經(jīng)典的電流互感器在這里失效，因為通過建立的單極通量使得高導(dǎo)磁的鐵心很快飽和。隨著鐵心材料的磁導(dǎo)率的減小，通量下降(Flussabfall)的時間常數(shù)也隨著電感而降低，以致已尋找在應(yīng)用低導(dǎo)磁的非晶形合金中的問題的解決方案。但是在這里，比較高的價格是不利的，該價格主要是由具有約80％的Co的非晶形的帶材決定的。
考慮的出發(fā)點因此在于，找到替代的很低磁導(dǎo)率(μ優(yōu)選為約1500...6000)的合金變型，該合金變型適于代替具有明顯成本優(yōu)點的非晶形的低磁導(dǎo)率的Co基帶材。
在這種情況下，重要的是澄清以下的問題，即可實現(xiàn)的線性是否大體上達到了在該方面卓越的Co基帶材，以致可以滿足對能量測量的精度的要求。以若干可靠性可以期望，通過優(yōu)化的途徑可以將更高的飽和電感轉(zhuǎn)用到各自的應(yīng)用中。前提是根據(jù)IEC 62053的完善的功能性，該功能性迄今具有相對采用便宜的鐵氧體鐵心的可觀的技術(shù)上的優(yōu)點。
首先分析研究了在Si含量方面以及在Nb含量方面進行變化的帶材。試驗程序包括每個在橫向場熱處理時具有兩種不同溫度的變型的各兩個鐵心和三種合金成分。在抽樣試驗方式的合金變型的范圍內(nèi)，澆鑄了由試驗合金制成的6.2mm寬的帶材，并且加工成環(huán)形帶鐵心。為了達到橫向場中的盡可能平緩的磁滯回線，在不同溫度的情況下處理了這些環(huán)形帶鐵心。首先確定所達到的平均的磁導(dǎo)率μav以及其它的基礎(chǔ)參數(shù)(請參閱表1)表1具有V和Ni添加物的合金
在分析研究開始時，將所有的鐵心無應(yīng)力地放入槽中而不加填料，隨后將這些鐵心進行適當(dāng)?shù)乩p繞，用于測量線性，其中，首先觀察了25℃處的值。結(jié)果匯總在表2中表2具有V和Ni添加物和“未固定”的線性的合金(無應(yīng)力地在槽中)
為了更好的清晰性，通過量度來Δμ/μ平均來表達曲線分布的線性，其中，在進入飽和時的最后兩個數(shù)據(jù)點未計入求平均值中。磁芯絕大部分示出了線性，該線性是合適的，以便在應(yīng)用針對電子能量計數(shù)器中的電流互感器的鐵心時確保所要求的在寬電流范圍上的能量測量的精密性。變型3B形成了一種例外，其中，以12.5％已達到了比較高的值，其原因估計在于橫向場中的過退火。
為了確定應(yīng)用相關(guān)的固定影響，隨后已將每種變型的鐵心要么利用絕緣的塑料層來涂敷，要么放入具有軟彈性的粘結(jié)材料的適配的塑料槽中，并且重新纏繞/測量。在此得出了鐵心的線性特性的明顯不同的圖像，從兩個以下的表3和4中可以看出該線性特性表3制造相關(guān)地(fertigungsnah)固定線性(塑料層)
表4制造相關(guān)地固定線性(具有軟彈性的粘結(jié)材料的塑料槽)
表3示出了塑料層對特性曲線的線性的明顯影響。通過由Ni添加物引起的磁致伸縮，對在約120℃時凝固的和在冷卻時收縮的層的收縮應(yīng)力，材料這樣強烈地作出了反應(yīng)，使得所產(chǎn)生的線性針對在精密電流互感器中的采用顯得不再是合宜的。線性偏差達到了以下的值，這些值為無磁致伸縮的非晶形的Co基合金的用作比較的值之上約9直至超過50的系數(shù)。
通過槽固定促成了明顯更有利的特性。在這里，在應(yīng)用軟彈性的粘結(jié)材料時，非線性僅上升最多達系數(shù)2。在任何情況下，變型1B、2A、2B和3A在室溫時用作針對高線性的電流互感器是合宜的。針對用于在寬(例如-40℃至+70℃)的溫度范圍上的廣泛的思考，同樣考察了復(fù)合磁導(dǎo)率的溫度特性。例如鐵心2A-2的變化曲線示出了磁導(dǎo)率的負(fù)的溫度系數(shù)，該溫度系數(shù)在-40℃和+85℃之間幾乎線性地變化，并且針對鐵心2B-2具有約-0.1％/K的值。該值既適用于4mA/cm的激勵磁場的幅度又適用于15mA/cm。已發(fā)現(xiàn)了，只要在上升的溫度的情況下正的溫度系數(shù)與銅線的上升的電阻相反地變化，并且因此降低了相位誤差的范圍內(nèi)，正的溫度系數(shù)則對于電流互感器是有利的。在設(shè)計電流互感器時，因此必須特別注意誤差隨溫度而產(chǎn)生的較大變化。在應(yīng)用軟彈性的粘結(jié)材料時已表明，既在高的溫度又在低的溫度的情況下的溫度變化都導(dǎo)致了變換器誤差的附加的線性偏差。在這里，在鐵心上出現(xiàn)了拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，該拉應(yīng)力或壓應(yīng)力由于固化的粘結(jié)材料的彈性特性而從槽材料那里傳來。可以由此來實現(xiàn)該效應(yīng)的明顯減小，即已應(yīng)用軟塑性的不反應(yīng)的膏泥來代替軟彈性的反應(yīng)粘結(jié)材料作為填料。因此可以將-40℃至+85℃的溫度范圍之內(nèi)的線性值保持近似恒定。
納晶材料的明顯優(yōu)點是磁導(dǎo)率的可變性，在采用槽固定時該磁導(dǎo)率也能以令人滿意的線性得到應(yīng)用。通過所擴展的可使用的調(diào)制范圍，可以容易地按照可預(yù)加負(fù)荷性的最佳值來協(xié)調(diào)容許直流的電流互感器。為了改善該線性，當(dāng)降低10％的添加的Ni的百分比時，為了得到4000或6400的磁導(dǎo)率，也可以減小磁致伸縮。
圖3和4示出了幅度誤差(以％為單位)和相位誤差(以°為誤差)與640A(圖3)和400A(圖4)的各種額定初級電流IprimN的初級電流(以A為單位)的關(guān)系的變化曲線。
圖5最后示出了合金的磁滯回線(以T為單位的磁通量B相對以A/cm為單位的場強H)，該合金具有65.2原子％的Fe、12原子％的Ni、0.8原子％的Cu、2.5原子％的Nb、11.5原子％的Si和8原子％的B。在表5中將該合金與其它的本發(fā)明的合金相對照，其中，QF代表橫向場處理，而LF代表縱向場處理。用*表征的合金是不屬于本發(fā)明的比較合金。
總是需要橫向場中的熱處理(橫向場處理QF)，其中，利用可在橫向場處理之前或之后進行的、附加的縱向場中的熱處理(縱向場處理LF)，可以任意調(diào)節(jié)磁導(dǎo)率。這具有以下的優(yōu)點，由同樣的合金可以制成具有不同特性的鐵心，并且因此制成不同等級的電流互感器(電流等級)。橫向場處理的溫度和持續(xù)時間的組合應(yīng)比縱向場處理的溫度和持續(xù)時間具有始終更強的影響。
表5
上面的表5中所列舉的值在此意味著1.QF＝橫向磁場中的熱處理，LF＝橫向磁場中的熱處理。
2.在實例1至21的Hm＝8A/cm和實例22至24的Hm＝32A/cm的最大場強時測量了Bm.
3.μ表示平均的磁導(dǎo)率，定義為磁滯曲線的平均斜率4.編號Nr.1和Nr.6為非本發(fā)明的比較實例。
來自表5的合金的編號不同于表1-4中的編號。因而，可以容易地區(qū)別表5和其他表之間的磁導(dǎo)率值，因為涉及不同的試驗系列。
利用本發(fā)明的磁芯可以制成電流互感器，其中，半波整流的正弦形初級電流的最大不失真可映射的幅度在數(shù)值方面為最大不失真可映射的雙極正弦形初級電流的有效值的至少10％、更好為20％。
權(quán)利要求
1.具有線性的B-H回線和在交流和直流時具有高可調(diào)制性的磁芯，該磁芯具有大于500和小于15000的相對磁導(dǎo)率μ，該磁芯具有其數(shù)值小于15ppm的飽和磁致伸縮λs，以及該磁芯由鐵磁合金制成，其中，所述合金的至少50％由具有100nm或更少的平均顆粒大小的細(xì)的晶體顆粒所占據(jù)(納晶合金)，并且該合金由分子式FeaCobNicCudMeSifBgXh來表征，其中M是元素V、Nb、Ta、Ti、Mo、W、Zr、Cr、Mn和Hf中的至少一種，以原子％為單位給出了a、b、c、d、e、f、g，X表示元素P、Ge、C以及市面上通用的雜質(zhì)，以及a、b、c、d、e、f、g、h滿足以下的條件0≤b≤402＜c＜200.5≤d≤2；1≤e≤6；6.5≤f≤18；5≤g≤14；h＜5原子％其中5≤b+c≤45，其中a+b+c+d+e+f＝100。
2.按權(quán)利要求1所述的磁芯，其中，a、b、c、d、e、f、g、h滿足以下的條件0≤b≤202＜c≤150.5≤d≤2；1≤e≤6；6.5≤f≤18；5≤g≤14；h＜5原子％其中5≤b+c≤30，其中a+b+c+d+e+f＝100。
3.按以上權(quán)利要求之一所述的磁芯，其中，a、b、c、d、e、f、g、h滿足以下的條件0≤b≤102＜c≤150.5≤d≤2；1≤e≤6；6.5≤f≤18；5≤g≤14；h＜5原子％其中5≤b+c≤20，其中a+b+c+d+e+f＝100。
4.按以上權(quán)利要求之一所述的磁芯，其中，a、b、c、d、e、f、g和h滿足以下的條件0.7＜d＜1.5；2＜e＜4；8＜f＜16；6＜g＜12；其中h＜2。
5.按以上權(quán)利要求之一所述的磁芯，其中，Co含量小于或等于Ni含量。
6.按以上權(quán)利要求之一所述的磁芯，該磁心為由具有小于50μm的厚度的帶材纏繞的環(huán)形帶鐵心的形式。
7.按權(quán)利要求1至6之一所述的磁芯，其中，矯頑磁場強度Hc的值小于1A/cm。
8.按權(quán)利要求1至7之一所述的磁芯，其中，剩磁比例小于0.1。
9.按權(quán)利要求1至8之一所述的磁芯，該磁芯具有大于1000而小于10000的相對磁導(dǎo)率μ。
10.按權(quán)利要求1至9之一所述的磁芯，該磁芯具有大于1500而小于6000的相對磁導(dǎo)率μ。
11.按權(quán)利要求1至10之一所述的磁芯，其中，所述飽和磁致伸縮λs小于10ppm。
12.按權(quán)利要求1至11之一所述的磁芯，其中，所述合金的至少50％由具有50nm或更少的平均顆粒大小的細(xì)的晶體顆粒所占據(jù)。
13.按權(quán)利要求1至12之一所述的磁芯，其中，該磁芯被構(gòu)成為封閉的、無空氣隙的環(huán)形鐵心、橢圓鐵心或矩形鐵心。
14.按權(quán)利要求1至13之一所述的磁芯，該磁芯被固定在槽中。
15.按權(quán)利要求14所述的磁芯，其中，規(guī)定軟彈性的反應(yīng)粘結(jié)材料和/或軟塑性的不反應(yīng)的膏泥用于固定所述鐵心。
16.用于制造按權(quán)利要求1至15之一所述的磁芯的方法，其中，在橫向磁場中實現(xiàn)熱處理。
17.按權(quán)利要求16所述的方法，其中，還在縱向磁場中實現(xiàn)熱處理。
18.按權(quán)利要求16或17所述的方法，其中，在所述縱向磁場中的熱處理之前實現(xiàn)所述橫向場中的熱處理。
19.按權(quán)利要求16或17所述的方法，其中，在所述縱向磁場中的熱處理之后實現(xiàn)所述橫向場中的熱處理。
20.具有按權(quán)利要求1至15之一所述的磁芯的交流電流互感器，其中，所述電流互感器除了所述作為互感器鐵心的磁芯之外還具有一個初級繞組和至少一個次級繞組，其中，所述次級繞組由次級負(fù)荷電阻和/或測量電子裝置來低歐姆地閉合。
21.按權(quán)利要求20所述的電流互感器，在根據(jù)規(guī)定和根據(jù)測量地與次級負(fù)荷電阻和/或測量電子裝置相連接的情況下，該電流互感器具有最大7.5°的相位誤差。
22.按權(quán)利要求21所述的電流互感器，在根據(jù)規(guī)定和根據(jù)測量地與次級負(fù)荷電阻和/或測量電子裝置相連接的情況下，該電流互感器具有最大5°的相位誤差。
23.具有按權(quán)利要求1至15之一所述的磁芯的電流補償?shù)亩罅魅Γ渲?，所述扼流圈除了所述磁?M)之外還具有至少兩個繞組。
24.按權(quán)利要求23所述的電流補償?shù)亩罅魅?，其中，所述扼流圈在為額定電流的至少10％的泄漏電流流動時也具有在150KHz至1MHz的頻率范圍中的至少20dB的插入衰減。
25.按權(quán)利要求24所述的電流補償?shù)亩罅魅Γ渲?，所述扼流圈在為額定電流的至少20％的泄漏電流流動時也具有在150KHz至1MHz的頻率范圍中的至少20dB的插入衰減。
全文摘要
具有線性的B－H回線和在交流和直流時具有高可調(diào)制性的磁芯，該磁芯具有大于500和小于15000的相對磁導(dǎo)率，該磁芯具有其數(shù)值小于15ppm的飽和磁致伸縮λ
文檔編號H01F17/06GK1757079SQ200480005617
公開日2006年4月5日 申請日期2004年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月2日
發(fā)明者G·赫爾策爾, D·奧特 申請人:真空融化兩合公司