[基础知识] 变压器铁芯的深度知识!(转帖)

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变压器铁心材料的发展


第一节 铁心用软磁材料

    铁心是变压器的重要部件。变压器铁心对材料的基本要求是,在一定频率及磁通密度下具有低的铁心损耗,和在一定磁场强度下具有高的磁通密度。在变压器的发展过程中,曾经采用和目前应用的铁心材料有:1.纯铁、软钢和无硅钢;2.硅钢片;3.铁镍合金(坡莫合金);4.铁铝合金;5.非晶态合金;6.微晶合金。下面分别介绍这些材料的发展情况。

纯铁、软钢及无硅钢

    最早的变压器铁心(感应线圈铁心)是用铁棒做成的,后来又改用铁丝制作铁心。1885年,匈牙利岗茨工厂开始采用薄铁带作变压器铁心;1887年,岗茨工厂出现用软铁片叠成的变压器铁心。19世纪90年代及以后,用软铁片叠成的变压器铁心逐渐推广。同时一些工厂用软钢片取代软铁片,制成变压器铁心。

    但是,在19世纪末及20世纪初,用软铁或软钢制造的铁心存在三大问题。一是当时薄铁片(薄钢片)的价格昂贵,制约了它的推广;二是铁心损耗大,发热严重;三是“铁心老化”问题曾使许多人伤透脑筋,人们发现,变压器运行一段时间后,铁心损耗迅速增加,发热更为严重,迫使人们有时不得不更换铁心或变压器,这一问题给当时迅速发展的交流系统投下了巨大的阴影。针对“铁心老化”问题,许多人进行了大量的研究、试验工作,直到1895年才基本搞清了它的机理,知道影响铁心老化的主要因素是运行温度。

    总之,由于软铁或软钢具有导磁性高,矫顽力低、价格低廉、工艺性好等优点,因此在1900年硅钢片发明前及20世纪初一段时间里,电机、变压器铁心多是采用热轧低碳软钢片或电磁纯铁片冲制而成的。但是,软铁及软钢存在电阻率低、涡流损耗大,特别是“铁心老化”严重等先天不足,因此在硅钢片实现工业化生产后,逐渐退出了变压器铁心领域。

    尽管如此,人类仍孜孜不倦地对软铁、软钢进行改进。特别是希奥弗(Cioffi)和因森(Yensen)研究发现,纯铁在高温氢中进行除杂质处理后可以显著改善磁性能,使纯铁的u0达到20000,um达到340000。1940年后许多国家又推广真空冶炼法,改进轧制和热处理工艺、使软铁、软钢的性能有所改善,使它们在硅钢片风行全球的时候仍在某些小型电机变压器铁心中有所应用。特别是从50年代末期开始,情况开始发生变化。美、日、苏、英等从经济性和实际用途考虑,采用新的冶炼、轧制退火工艺,又开始大力发展冷轧无硅低碳电工钢片和电磁纯铁电工片。美国从50年代末期开始用无硅电工钢片取代一般的低硅钢片,用于生产日用电器、分马力电机和一部分小电机,1972年,美国无硅钢片的用量已占电工钢片总量的50%。苏联60年代后开发出ЭO00~ЭO300牌号的无硅钢片,推广用于小型电机、电器中;英国无硅钢片发展很快,80年代初的产量与硅钢片持平;日本无硅钢片使用较少,一些不太重要的产品则多采用低级硅钢片。

    无硅电工钢片具有价格低、冲制性能好、磁感高等优点,其最明显的缺点是损耗太高,从而大大限制了它的应用场合,所在在70年代能源危机后,无硅钢片的生产又逐渐回落。

2 硅钢片

    1822年,著名瑞典化学家伯尔瑟利乌斯(J.J.Berzelius,1778~1848)首先制取出了硅(Si)。1889年,英国人巴莱特(W.F.Barett)、布朗(W.Brown)和哈德菲尔德(R.A.Hadfield)开始研究各种二元系和三元系合金的磁性能和电气性能。他们在研究中发现,在软钢中加入硅(Si),可以提高钢的电阻系数,降低钢的涡流及磁滞损耗,而且钢片的衰老现象也有改善。1900年,他们在《Sci. Trans.Roy. Dublin Soc.》上发表文章,介绍了研究成果,引起人们注意。1903年,美国开始生产这种加有硅的钢片,并称它为“Stalloy”(硅钢片)。同年,德国也开始生产硅钢片。不久,法国、英国、意大利等也开始生产硅钢片,苏联在1915年、日本在1924年开始生产硅钢片。

2.1 热轧硅钢片

    早期硅钢片是热轧硅钢片,含硅量较低,一般Si含量为1~2%(B级),多用于电动机中。以后硅含量增加,1929年日本开始生产变压器用T级硅钢片(Si含量4~4.5%)。由于早期生产工艺不成熟,硅钢片的损耗较高。图1为1932年热轧硅钢片的损耗-磁通密度(W-B)曲线。1954年,开始制造采用焊接工艺将硅钢板焊成卷状的硅钢片,从而使连续加工成为可能。
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1954年后,随着冷轧硅钢片的出现,热轧硅钢片产量逐渐降低。美国60年代停止热轧硅钢片生产,1967年日本停止生产热轧硅钢片,英国、法国也于70年代淘汰了热轧硅钢片。美国、英国、日本30、40年代热轧硅钢片的性能比较见表1。
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2.2 冷轧无取向硅钢片
     美国Allegheny Ludlum公司20世纪40年代开始生产冷轧无取向硅钢片。1954年日本开始生产冷轧无取向硅钢片。由于冷轧硅钢片具有损耗低、质量可靠、厚度均匀、表面平整等优点,所以它一出现就得到了广泛的应用,在许多场合取代了热轧硅钢片。

    冷轧无取向硅钢片自诞生之日起,就沿两条技术路线发展:一是沿低价格、低Si含量方向发展,以取代热轧硅钢片;二是沿低损耗、高Si含量方向发展。70年代石油危机后,由于节能电机、高效率发电机的需要,使低损耗冷轧无取向硅钢片得到很大发展。日本1983年开发出当时世界最高水平的H6硅钢片。表2为几个国家冷轧无取向硅钢片的性能。
表2 冷轧无取向硅钢片性能比较
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2.3 取向硅钢片

    20年代初,威廉(Williams)对硅铁中单晶进行了研究,得到了在易磁化轴{100}方向um=1400000,认为在多晶粒板中在{100}轴向也应有极好的性能 。1926年,日本人本多· 茅发现,铁的结晶方向最容易磁化,或者说晶粒立方体棱边方向是最易磁化的方向。1934年,美国人戈斯(N.P.Goss)在试验室里研制成功取向硅钢片,他采用冷轧与高温热处理相结合的方法(表3),使硅钢片中晶粒沿轧制方向有序排列,具有优良的磁性。1935年,戈斯在《Trans Amer. Soc. Metals》上发表文章,介绍研究成果,并申请获得了英国专利(No.442211)。同年,美国Armco公司开始工业化生产冷轧取向硅钢片。40年代,美国Armco公司和Allegheny公司都生产出了高质量的变压器用取向硅钢片。Armco公司的牌号为Tran-cor(西屋公司称为Hipersil);Allegeny公司的牌号为Silectron(GE公司称为Corosil)。1953年,日本试制成冷轧取向硅钢片。1958年,日本引进Armco公司的专利技术,开始冷轧取向硅钢片的工业化生产,并在此基础上不断改进,使日本冷轧硅钢片的性能达到世界最高水平。图2是Z11取向硅钢片的磁性能与轧制方向的关系。
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单取向硅钢片在与轧制方向垂直方向的导磁性能较低,为克服这一缺点,德国真空熔炼公司在40年代发明了双取向硅钢片。1957年,美国GE公司和西屋公司也几乎同时制成双取向硅钢片,60年代日本川崎和八幡工厂也研制成功双取向硅钢片。它在轧制方向和垂直方向上的磁性能都与单取向硅钢片轧制方向的磁性能相近。这种硅钢片的晶粒呈立方体组织(图3)。单取向和双取向性硅钢片的性能比较见表4。
      表4 单取向和双取向硅钢片性能比较
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    1968年,日本新日铁工厂开始工业化生产高导磁密度取向硅钢片,它的商用名是“Orientcore Hi-B”,简称“Hi-B”;1972年,开发出大晶格高导磁取向硅钢片;1981年又进而开发出小晶格高导磁取向硅钢片;1982年,日本开始生产表面激光照射处理(ZDKH)的高导磁取向硅钢片,进一步降低了铁损。1988年,日本又开发出采用机械方法形成微小应力法(ADMH)的高导磁取向硅钢片。日本新日铁公司取向硅钢片的发展见图4。50年代,几个国家单取向硅钢片的性能见表5。1955~1975年间,日本取向硅钢片及无取向硅钢片的质量变迁见图5。1880~1970年间,铁心钢片铁损的下降曲线见图6。
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      铁镍合金又称坡莫合金(Permalloy)。它是一种在弱磁场具有高磁导率和低矫顽力的低频软磁材料。早期铁镍合金是应电话通信需要而研制的。铁镍合金的含镍量从36%到80%,变化幅度很宽,因此它的磁性和应用领域也不大相同。1917年,纽曼(G.Neumaun)提出含镍量78.5%的铁镍合金的专利(加拿大专利No.180539),1921年,阿诺德(Arnold)和埃尔门(G.W.Elmen)发明含镍量78.5%的铁镍合金。这种铁镍合金的导磁率特别好,比一般硅钢片高10~20倍,但其电阻率较低。纽曼的发明促进铁镍合金在20年代得到了较广泛的工业应用。后来,人们在铁镍合金中加入钼、铬、铜提高磁性能、电阻率和改善热处理性能。加入铜的铁镍合金在英国称为铜坡莫合金(Mumetal)。1934年,纽曼发明钼坡莫合金(Ni72% ,Cu14%, Mo3%),不仅使导磁率大大提高(u0=60000~90000),而且提高了电阻率,使涡流损耗大大降低。除钼坡莫合金外,30年代还应用了铬坡莫合金,(Ni78.5%, Cr3.8%,其余Fe)。1947年,美国贝尔实验室的布思(Boothy)和博左思(Bozorth)发明超级坡莫合金(Supermalloy),它是一种四元合金(Ni79%,Mo5%,Mn0.5%,其余Fe),其导磁性更好,u0达到100,000,um达到1,000,000。50年代初,阿什穆斯(Assmus)和费弗(Pfeifer)发现Fe-Ni-Mo-Cu四元合金的性能与超级坡莫合金相当,继后,里查德(Richards)和沃克(Walker)又对该四元合金进行了改进,得到一种高性能的Fe-Ni-Mo-Cu四元合金(Ni77%,Mo14%,Cu4%,其余Fe)并取名为“Super-mumetal”,um达到200,000。1956年,霍依(G.H.Howe)发明一种晶粒取向和磁畴取向的铁镍合金(Ni65%,Mo2%,Fe33%),并取名为“Dynamax“,其um最高达到1,780,000。

    铁镍合金具有导磁率很大、矫顽率很低、电阻率不高的特点,加之价格昂贵、工艺性能较差等特点。因此,在电机变压器领域,仅用作小型变压器、控制用微电机、控制用变压器、高灵敏度变压器和高精度变压器等的铁心中。

    50年代末期铁镍合金与纯铁、硅钢片的磁化曲线的比较见图7。50年代末期,铁镍合金的性能见表6。
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图7铁镍合金与其它材料的磁化曲线
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  4 铁铝合金
    本世纪初叶,人们发现在纯铁中加入1%的铝可以提高纯铁的磁性能,但并未在电工领域获得应用。1948年,日本人增本·斋藤着眼于Fe2Al的规则晶粒,进行了含铝16%的铁铝合金的研究,获得成功,他将这种铁铝合金命名为“Alperm”,其u0=3100,u-m-=54700。同年5月,他在《日本金属学会志》上发表了他的研究成果,引起较大反响,并使这种合金在40年代末期后进入工业应用领域。但是,当时这种合金既硬又脆,机械加工性能较差。1954年,美国人纳奇曼(F.Nachman)将含铝16%的铁铝合金经真空冶炼、氢中脱碳、脱氧,经铸-热轧-冷轧,制成了0.1mm厚的薄板,并取名为“Alfenol”,这种铁铝合金的导磁性有所提高,u0=1500~4000,um=15000~70000(以后又提高到115,000~130,000)。

    在铁铝合金中,人们还添加某些其它元素,如Mo、Mn等,以改善其性能。如美国的“Thermanol”合金(Al16%,Mo3%,Fe81%),前苏联的“Ю14Г3”合金(Al14.4%,Mn3.26%,其余Fe)。

    铁铝合金具有较高的导磁率和较高的电阻率,加之价格较铁镍合金便宜,并具有良好的耐热、耐蚀性能,所以在小型变压器、控制变压器、互感器和微特电机中得到了应用。

    50年代末期的铁铝合金性能见表7
                              表7 各国铁铝合金性能
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5 非晶态合金

    非晶态电工钢片是把一些液态合金(如Fe-Si-B合金)以每秒百万度摄氏的冷却速度直接冷却到固态,获得合金中的非晶结构的一种软磁材料,其主要优点是磁感应高、铁耗低(约为取向硅钢片的1/2~1/3)。

    1960年,美国人杜韦兹(P.Duwez)发明快淬金属工艺,制造出非晶合金。1968年,GE公司的留博斯基(Luborsky)发现非晶合金具有损耗很低(10.44/W/kg)的特点。为此,1970年美国联信(Allied)公司开始生产非晶合金带材,从而引发了70年代研究非晶合金的高潮。1979年出现单辊非晶制带法,推动了非晶合金工业化生产。1979年,Allied公司研制出260 5SC非晶态合金(Fe81%,Bl1%,Si3%,C5%),后又研制出不含C的260 5S2的非晶态合金(Fe78%,Bl3%,Si9%)。80年代,美国、日本、德国相继建成年产万吨级的连续制带设备,苏联、德国、捷克、匈牙利等也建成了非晶合金工业生产装置。中国从1976年开始研究非晶合金,80年代开始生产非晶合金。

    非晶合金钢片已用于冲制变压器铁心、三相电机定子铁心等,其铁心损耗比无取向硅钢片铁心低得多。

    非晶态合金钢片与热轧硅钢片、冷轧硅钢片的损耗比较见表8,非晶合金与高导磁硅钢片性能比较见表9。
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  6 微晶合金

    微晶合金材料是随近20年来金属快速凝固技术进步而发展起来的新型导磁材料。1988年,日本日立金属所发现(Fe,Co)-Si-B系铁基合金中加入适量的Cu和Nb等元素,其非晶薄带在经低温加热后即在非晶相内析出约20mm大小的bcc亚稳相的均匀分布的超微晶粒,即制备出了纳米级Fe-Si微晶窄带。90年代,许多国家纳米级Fe-Si微晶合金进行了研究,形成了不同的工艺路线,如对晶粒取向硅钢片室温局部加压,然后高温退火,使形成纳米级微晶;或采用激光照射使其微晶化;或采用特殊工艺使Fe-Si-B非晶合金微晶化。除Fe-Si系列外,人们对Fe-M-B及Fe-M-C等系列微晶材料也进行了研究。

    微晶合金钢片的饱和磁感应强度和磁导率很高,铁耗非常低,可用于要求较高的电机、电器中。

7 电工钢片绝缘层

    为了增大电机铁心叠片间的绝缘,减小叠片中的涡流损耗,同时改善电工钢片的焊接、冲剪性能,电工钢片表面都要求有一层绝缘层。

    对绝缘层的基本要求是:绝缘电阻高、化学稳定性好、机械强度高、不粘结、耐腐蚀,同时要求绝缘层薄而平整,以提高叠片的叠片系数。

    早期电工钢片是没有绝缘层的,后来随着人们对铁心涡流损耗的认识才开始注意电工钢片绝缘层问题。在电机发展史上,电工钢片绝缘伴随冶金、化工等的发展,也出现了许多变化,其主要绝缘方法有:

    (1)氧化膜绝缘。利用钢片在退火过程中形成的氧化膜作为绝缘。这种方式简单、价廉,但绝缘效果欠佳,早期电机、变压器中应用较多,目前仅用于部分小型电机、变压器中。

    (2)涂水玻璃绝缘。水玻璃绝缘便宜,但工艺性差、绝缘膜湿度大。

    (3)纸绝缘。在整张电工钢片的一面粘一层绝缘纸。这种绝缘出现在19世纪末期,曾在欧洲等地得到广泛应用。

    (4)无机盐涂层。将电工钢片放在铬酸盐或磷酸盐热溶液中,使之在钢片表面产生一层绝缘膜。

    (5)无机漆绝缘。早期曾采用无机漆(如桐油漆)涂电工钢片两面。

    (6)有机漆绝缘。用合成漆、酚醛树脂、合成树脂等在电工钢片两面涂漆,这是应用最广的绝缘方式。

    (7)半有机漆绝缘。用水溶性或水分散系树脂与无机盐配合后得到的半有机漆,涂刷电工钢片表面。

图8为50年代前日本电工钢片绝缘层的层间电阻的比较。
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第二节 超导材料

    19世纪后半期,人类对物体的电阻与温度的关系已经有了清楚的认识。温度升高使电阻增大;温度降低会使电阻减小。但是,如温度接近绝对零度(Ok)时会发生什么情况呢?许多科学家为此争执不休,例如英国科学家开尔文(L.Kelvin,1824~1967)认为当温度接近绝对零度时,物体中的电子会“冻结”,物体会变成绝缘体。1908年,荷兰物理学家翁纳斯(H.K.Onnes,1853~1926)在荷兰莱顿大学实现了氢气(He)的液化,得到了4.2K(-269℃)的低温,同时他用液氦测量研究金属电阻下降的现象时,发现金、银、铜等金属的电阻有一个不能再减少的极限值。1911年,他发现水银在4.2K时的电阻会突然消失,后来他又发现铅、锡等金属在其临界温界Tc下也有这种现象,翁纳斯称这种现象为超导电性,具有超导电性的材料称为超导材料或超导体。后来人们陆续发现有28种元素可以在常压下制成超导体,其中Tc最高的是铌(9.15K),Tc最低的是钨(0.01K),还发现有几千种合金和化合物可以是超导体。20世纪20年代后,人们对超导体材料的性能和机理进行了大量的研究工作。1933年,荷兰人迈斯纳(W.Missner,1892~1959)和奥森菲尔德(R.Ochsenfeld)发现超导体内磁通为零的所谓“迈斯纳-奥森菲尔德效应”;1954年,美籍德国人马蒂阿斯(B.T.Mathias,1818~1980)提出超导性经验法则,发现数百种超导材料。1957年,巴丁(Bardeen)、库伯(L.N.Cooper,1924~)和施瑞弗(J.R.Schrieffer,1931~)三人提出了一种微观的超导机理-BCS理论,把超导理论研究提到新水平,由此他们三人同获1972年诺贝尔物理奖金。早期超导材料要么临界温度很低,或者临界磁场很小,因而没有太多使用价值,因此从30年代开始就致力于提高超导材料的临界温度,并取得了一定成绩。从40年代到70年代初,超导材料的临界温度大约每10年提高2.5K,其最高临界温度的超导材料是1973年发现的铌三锗(23.2K),所有超导材料都必须要用昂贵、稀少的液氦冷却,这就极大地限制了超导体的应用和推广。

    1986年4月,一声春雷震响,瑞士科学家贝特诺兹(J.G.Bednorz)和米勒(K.A.Muller)宣布制备出Tc=35K的超导体-La-B-Cu氧化物超导体,从而引发了全球范围内研究高温超导材料的热潮。1987年1月,美国朱经武等人宣布观察到La-Ba-Cu氧化物在52.5K时具有超导电性,并于1987年制备出Tc=90K的氧化物超导体。中国赵忠贤、陈立泉等人1987年2月制备出Tc=78.5K,抗磁转变温度93K的Y-Ba-Cu-0超导体;1987年2月25日,赵忠贤等人向世界公布了这种超导体的组成元素极大地推动了国内外高温超导体的研究工作。其后,法国米切尔(Michel)等人宣布发现Tc=110K的Bi-Sr-Ca-Cu氧化物超导体;1988年,美国盛正直等人发现Tc=125K的Tl-Ba-Ca-Cu氧化物超导体。人们把这些氧化物陶瓷超导体统称为高温超导体。

    高温超导体的发现具有划时代的意义,但在初期,高温超导材料的临界磁场Hc虽然都很高,但临界电流密度Jc却很低,最初Jc只有102A/cm2左右,与应用相差很远。为此,科学家从多方面进行攻关,80年代末至90年代初,日本、中国等已制备出Jc=(2~9.7)×104A/cm2的高温超导体,高温超导体线材的制备工艺也有所进展。预计在2005年前,室温超导体将问世,高温超导体的Jc将继续稳步提高;高温超导体的可加工性问题将得到解决。那时,高温超导体将大步进入强电领域,必将给整个电工产业,乃至全社会产生巨大的影响。

    超导材料临界温度的提高见图9和表10。
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俘虏:我国和日本硅钢片的表示法

我国牌号的标号:
(1)冷轧无取向硅钢带(片)

表示方法:DW+铁损值(在频率为50HZ,波形为正弦的磁感峰值为1.5T的单位重量铁损值。)的

100倍+厚度值的100倍。 如DW470-50 表示铁损值为4.7w/kg,厚度为0.5mm的冷轧无取向硅钢,

现新型号表示为50W470。

(2)冷轧取向硅钢带(片)

表示方法:DQ+铁损值(在频率为50HZ,波形为正弦的磁感峰值为1.7T的单位重量铁损值。)的

100倍+厚度值的100倍。有时铁损值后加G表示高磁感。 如DQ133-30表示铁损值为1.33,厚度为

0.3mm的冷轧取向硅钢带(片),现新型号表示为30Q133。

(3)热轧硅钢板

    热轧硅钢板用DR表示,按硅含量的多少分成低硅钢(含硅量≤2.8%)、高硅钢(含硅量>

2.8%)。 表示方法:DR+铁损值(用50HZ反复磁化和按正弦形变化的磁感应强度最大值为1.5T时

的单位重量铁损值)的100倍+厚度值的100倍。如DR510-50表示铁损值为5.1,厚度为0.5mm的热

轧硅钢板。家用电器用热轧硅钢薄板的牌号用JDR+铁损值+厚度值来表示,如JDR540-50。

2、日本牌号表示方法:

(1)冷轧无取向硅钢带由公称厚度(扩大100倍的值)+代号A+铁损保证值(将频率50HZ,最大

磁通密度为1.5T时的铁损值扩大100倍后的值)。 如50A470表示厚度为0.5mm,铁损保证值为≤

4.7的冷轧无取向硅钢带。

(2)冷轧取向硅钢带由公称厚度(扩大100倍的值)+代号G:表示普通材料,P:表示高取向性

材料+铁损保证值(将频率50HZ,最大磁通密度为1.7T时的铁损值扩大100倍后的值)。如30G130

表示厚度为0.3mm,铁损保证值为≤1.3的冷轧取向硅钢带。

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呵呵,技术贴,慢慢学习

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发表于 2007-6-23 18:34 | 显示全部楼层
哪里转载的?不错。
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的确非常详细的资料,理论性较强

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发表于 2007-6-24 14:59 | 显示全部楼层
来点实际的。
做点环形非晶太合金。
大家饶牛。

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发表于 2008-12-7 21:34 | 显示全部楼层
我也认真的看了!进来留个名。

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发表于 2008-12-7 22:43 | 显示全部楼层
这帖子又出来了,虽然转载,但不错。

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呵呵!长见实了,谢谢楼主,

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我也留个名。

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不错,留个名
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