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变压器铁芯的发展历程

来源:江苏金佳铁芯有限公司 发表时间:2017-04-10

铁芯是变压器的重要部件。变压器铁芯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芯损耗,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芯材料有: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。
1 、纯铁、软钢及无硅钢
最早的变压器铁芯(感应线圈铁芯)是用铁棒做成的,后来又改用铁丝制作铁芯。1885年,匈牙利岗茨工厂开始采用薄铁带作变压器铁芯;1887年,岗茨工厂出现用软铁片叠成的变压器铁芯。19世纪90年代及以后,用软铁片叠成的变压器铁芯逐渐推广。同时一些工厂用软钢片取代软铁片,制成变压器铁芯。
但是,在19世纪末及20世纪初,用软铁或软钢制造的铁芯存在三大问题。一是当时薄铁片(薄钢片)的价格昂贵,制约了它的推广;二是铁芯损耗大,发热严重;三是“铁芯老化”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,铁芯损耗迅速增加,发热更为严重,迫使人们有时不得不更换铁芯或整台变压器,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“铁芯老化”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,知道影响铁芯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,变压器铁芯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“铁芯老化”严重等先天不足,因此在硅钢片实现工业化生产后,逐渐退出了大部分变压器铁芯领域。
尽管如此,人类仍孜孜不倦地对软铁、软钢进行改进。特别是希奥弗和因森研究发现,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芯中有所应用。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首先制取出了硅。1889年,英国人巴莱特、布朗和哈德菲尔德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,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。
3 铁镍合金
铁镍合金又称坡莫合金。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,纽曼提出含镍量78.5%的铁镍合金的专利,1921年,阿诺德和埃尔门发明含镍量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。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和博左思发明超级坡莫合金,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,阿什穆斯和费弗发现Fe-Ni-Mo-Cu四元合金的性能与超级坡莫合金相当,继后,里查德和沃克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芯中。
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。
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芯、三相电机定子铁芯等,其铁芯损耗比无取向硅钢片铁芯低得多。
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。

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