变压器铁芯材料的技术动向

发布于：2016/5/6 0:00:00 | 1733 次阅读

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    铁芯作为变压器的部件，所用的材料对电力变压器和电子变压器的性能和价格都起着关键性作用。例如，硅钢价格从2004年起上涨，到2005年初达到250～300%，促使电力变压器行业在2004年11月和2005年3月两次召开紧急会议，上调电力变压器出厂价格，达到30%。电子变压器行业虽然受硅钢涨价影响，没有电力变压器行业那样严重，也在2005年6月，由全国电子变压器行业协会提出“关于调整变压器产品价格的建议”，一些电子变压器企业也将产品价格上调3～10%。从这个例子可以看出，铁芯材料对变压器有着重大的影响。
    1、硅钢
    硅钢是电力变压器和电子变压器用量最多的铁芯材料。电力变压器铁芯材料是取向冷轧硅钢，取向和无取向冷轧硅钢大量用于工频电子变压器中，特殊硅钢和薄带硅钢运用于中频电子变压器中，现在硅钢在电子变压器中的使用频率已超过20kHz，达到325kHz。因此，硅钢的市场和技术方面的动向，对电力变压器和电子变压器都会产生重大影响。
    1.1 取向冷轧硅钢的技术动向
    取向冷轧硅钢用在电力变压器中的主要技术要求是饱和磁密高、损耗小，在改进电力变压器用的取向冷轧硅钢性能方面的技术进展有：
    ①减少钢带厚度，电力变压器用取向冷轧硅钢厚度已经从0.35mm减少到0.30mm、0.27mm、0.23mm，个别的甚至减少到0.15mm。
    国内生产的23Q110的0.23mm厚取向冷轧硅钢，饱和磁密为1.8T，在1.7T和50Hz下的单位重量损耗P1.7/50为1.10W/kg。
    ②使硅钢带材表面光滑，不形成硅酸镁底层，去除磁化时的钉扎位置，提高180°畴壁移动性和磁化均匀性，然后再涂张力涂层。经过这样处理后，0.23mm厚取向冷轧硅钢的损耗P1.7/50下降到0.7W/kg以下。
    ③在硅钢中加0.008～0.02%的Bi或Pb，可以把饱和磁密提高到1.96～1.98T。
    ④改变退火工艺，细化磁畴，可以使取向冷轧硅钢的损耗再下降0.23mm厚的损耗P1.7/50下降到0.55W/kg，甚至到0.45W/kg。
    可以看出，在厚度仍然为0.23mm时，采用近年来的技术改进措施，取向冷轧硅钢带材性能大为提高，损耗比国产的23Q110下降40～50%，比日本产的23ZDkH80下降20～35%。
    电子变压器用的取向冷轧硅钢的技术要求，除了要求纵向(取向)饱和磁密高、损耗小而外，还要考虑电子变压器的特点，例如用作E型冲片铁芯时，在E型冲片中，有五分之一长度与纵向正交，是横向磁场，因此也要求横向磁性能好，但是取向和无取向相比，损耗低得多。所以在要求效率高的电力变压器中，采用取向冷轧硅钢的越来越多。
    1.2 无取向冷轧硅钢的技术动向
    目前，无取向冷轧硅钢大部分都被用来制造电机铁芯，包括发电站的大中型电机铁芯、工业用小型电机铁芯、汽车用小型微型电机铁芯、家用电器用的小型微型电机铁芯，各种电机铁芯对无取向冷轧硅钢有不同的要求。有的电机(例如汽车的雨刷器电机)要求体积小，铁芯材料要求工作磁密高，因此开发出硅含量小于1%的无取向冷轧硅钢。这种硅钢也可以用于要求体积小的电子变压器中，有的电机(例如空调压缩机电机)要求能变频调速，工作频率从50～60Hz，扩展到从10～1kHz，同时要求铁芯材料低频高磁密下损耗P1.5/50和中频下损耗P1.0/400都小，因此开发出0.35mm厚的硅含量1.5～3%的无取向冷轧硅钢。这种硅钢也可以用于高次谐波的工频电子变压器和400Hz左右的中频电子变压器中。有的电机(例如高速印刷机电机)转速高达每分钟几万转，工作频率400～1kHz，要求铁芯材料中频损耗P1.0/400和P1.0/1K小，因此开发出厚度为0.25mm、0.2mm、0.15mm的无取向冷轧硅钢，这种硅钢也可以用于中频400Hz、1kHz甚至10kHz的中频电子变压器中，电机铁芯大都是用冲片叠装而成的，而且是大批量生产。所以开发的无取向冷轧硅钢，都要求冲压加工性能好，材料尺寸、性能一致性好，对大批量冲压生产的小型电子变压器也同样适用。
    下面介绍几种日本近年来开发的无取向冷轧硅钢，其技术开发出发点虽然是电机铁芯，但是对电子变压器也同样适用。
    ⑴硅含量小于1%的无取向冷轧硅钢
    日本川崎公司开发的0.5mm厚0.6%Si+0.3%Al硅钢，磁密B100为1.95T，损耗P1.5/50为4W/kg。如果再加0.5～2%Ni，提高电阻率，可使损耗再降低，B100为1.96T，P1.5/50为3W/kg左右。用于电子变压器，工作磁密Bm可取1.9T，体积小。
    ⑵硅含量1.5～3.0%的无取向冷轧硅钢
    硅含量增加，钢硬度增加，加工性能变差，一种方法是增加Al含量来控制Si合金，使硬度HV小于200，保证加工性能。因为Al增加电阻率和Si相近，但提高钢硬度只有Si的三分之一。一般都采用厚度0.35mm，降低损耗。采用这种方法的有日本新日铁公司开发的0.35mm厚2%Si+2%Al钢，损耗P1.5/50小于2.1W/kg。硬度HV小于200，平均晶粒尺寸约为150μm，冲片加工性明显提高，屈服强度260～370N/mm2。
    ⑶无取向冷轧硅钢薄带
    把带厚从0.5mm和0.35mm减薄到0.2mm和0.15mm，可以使损耗降至三分之一和五分之一，使电机和变压器的工作频率提高到400～1kHz，近年来，0.35mm以下薄带开发出多种新产品。
    日本新日铁公司开发的20HTH1200硅钢薄带，厚0.20mm，损耗P1.0/400为11W/kg，P1.0/1K为21W/kg，磁密B50为1.63T，屈服强度为420Mpa。15HTH1000硅钢薄带，厚0.15mm，损耗P1.0/400为10W/kg，P1.0/1k为16.7W/kg，磁密B50为1.61T。
    ⑷粘接涂层
    近年来日本各公司开发出各种粘接涂层，涂在硅钢带上，冲片后叠片时加0.1～1.0N/mm2压力，加热150～250℃，可以使叠片铁芯粘接在一起，形成整体，不再用焊接或铆接。这种粘接涂层的无取向冷轧硅钢的冲片性能好，不产生局部应变，磁性均匀，铁芯噪声小，但是铁芯不能再经消除应力退火。
    日本住友金属公司的粘接涂层为涂环氧树脂(或丙烯树脂)+硬化剂(密脂树脂)，再加SiO2或AL2O3，提高粘接强度，单面涂层厚度小于2μm，剪切强度大于50kgf/cm2。
    2、特种硅钢的技术动向
    为了减少硅钢在中频和高频下的涡流损耗，除了开发硅钢带外，上世纪90年代开发出了硅含量6.5%的硅钢和梯度硅钢，但是硬度HV为350，加工性能差。近年来，日本川崎公司开发出加Cr的硅钢，主要成分为4.5%Si+4%Cr，电阻率为82μΩcm，与6.5%硅钢相同，硬度为230，伸长率为25%，晶粒小于100mm，可以冲压加工成冲片和铆接，0.10mm厚加Cr的硅钢，磁叠B50为1.55T，损耗P0.2/5k为20W/kg；P0.1/10k为10W/kg；P0.05/20K为6W//kg,耐磨蚀性好，在盐水和湿气中，不涂层也不腐蚀。用这种加Cr硅钢制成25kHz下开关电源中的滤波电感，在直流偏流0～30A时，电感为0.42MH和0.32MH，铁芯损耗为22W/kg，比铁基非晶合金(29W/kg)和6.5%硅钢(36W/kg)都小。还用作为70kHz感应加热焊接用双端阻抗元件和脉冲励磁的高速执行机构中，效果都比无取向冷轧硅钢和6.5%硅钢好。
    根据前面介绍的硅钢技术开发情况，现将有关技术指标汇集如下表：
    2.1 非晶合金市场和技术动向
    (1)非晶合金的市场动向
    国内已有几家企业准备筹建铁基非晶合金带材生产线，国内生产非晶合金带材技术已经成熟。安泰科技股份有限公司生产的宽150mm以下的非晶合金带材，质量已接近国际水平。同时，非晶合金带材的主要原料产地在中国，在国内生产带材，不用把矿石原料出口到国外，再把非晶合金带材从国外进口回来。这样既减少来回的运输费，又减少出口和进口关税。可以使非晶合金带材生产成本和价格再降低一些。更重要的是可以形成从开矿、冶炼硼铁、非晶合金制带、非晶合金铁芯制造直到非晶合金变压器生产的完整的非晶合金产业链，从而可以独立自主的、充分的满足国内电网对非晶合金配电变压器的需要。
    (2)铁基非晶合金的技术动向
    铁基非晶合金是非晶合金中用量最多的一种，为了改善用铁基非晶合金加工成的配电变压器铁芯性能，最近出现几点显着的变化：
    ①工作磁密逐步提高。单相非晶合金配电变压器工作磁密从1.30T提高到1.35T最近又提高到1.40T；三相非晶合金配电变压器工作磁密从1.25T提高到1.30T，最近又提高到1.35T，这样可以减少配电变压器铁芯用量和成本。
    ②损耗逐步下降。原来在1.30T和50Hz下损耗小于0.20W/kg，现在1.40T50Hz下损耗小于0.18W/kg，个别可达到0.16W/kg。
    ③铁芯填充系数不断提高。从原来的0.80，提高到0.86，个别的已超过0.90，接近0.1mm厚冷轧硅钢铁芯填充系数水平。
    这样，非晶合金配电变压器更显示出比取向冷轧硅钢配电变压器的优越性。以单相配电变压器为例，同样容量10kVA的非晶合金配电变压器铁芯，只比硅钢配电变压器铁芯重20%左右，体积大8%左右。在考虑非晶合金铁芯，单位重量价格仍为取向冷轧硅钢的120%情况下，非晶合金配电变压器铁芯总价格为硅钢配电变压器铁芯总价格的144%，变压器总成本只增加18%左右。如果按现行非晶合金铁芯单位重量价格40元/kg计算，非晶合金配电变压器铁芯总价格只有硅钢配电变压器铁芯总价格的89%，总成本还会低4%左右。因此，铁基非晶合金参数变化以后，将会显着提升非晶合金配电变压器与硅钢配电变压器的竞争力。
    (3)纳米晶合金的技术动向
    上世纪80年代末开发的铁基纳米晶合金(FeNbCuSiB)，商品各叫Finement，具有饱和磁密比较高1.23T，磁导率高15X104，中高频损耗小，P0.2/100k为30W/kg，温度和环境稳定性好等特点，是适合于作为中高频电子变压器的综合磁性能优良的铁芯材料。近年来，通过调整其中的成份比例，或者添加其他合金元素，开发出一系列纳米晶合金。有的提高磁导率，有的降低高频损耗，有的降低剩余磁密Br，以便满足不同种类和不同要求的电子变压器的需要。例如有一种7.2mm厚的Finement纳米晶合金，在500kHz和0.1T下损耗为11W/kg，可以用于工作频率30k～500kHz的高频电源变压器铁芯。又例如有一种低剩余磁密Br的Finement纳米晶合金，从20k～300kHz比较宽的频段内，磁导率都比较高，损耗比较小，可以用于共模电感器铁芯。
    2.2 软磁铁氧体的技术动向
    软磁铁氧体在新材料开发方面，自1998～2001年沉寂了一段时间之后，最近取得了一系列突破。
    在功率损耗低材料方面，以100kHz X200mT，100℃条件下为例，日本TDK公司的PC40为410mW/cm3，PC44为300mW/cm3，PC47为250mW/cm3，日本TOKIN公司的BHI为250mW/cm3。国内金宁生产的JP4E也达到300mW/cm3。日本TDK公司在2003年开发出宽温度低功率损耗材料PC95，在25～120℃范围内，损耗均小于350mW/cm3，磁密Bs为540mt，(25℃)和430mt(100℃)，是目前性能良的低功率损耗材料。
    在高频变压器材料方面，日本TDK公司的PC50，日本FDK公司的7H20，日本TOKIN公司的B40都可以用于1MHz高频。Ferroxcube公司的3F3、3F4、3F35、4F1等工作频率都超过1MHz。国内金宁的JP5A工作频率都达到500k～1.5MHz，本磁的DMR1.2k的工作频率甚至超过3MHz，达到5.64MHz。
    3、结语
    从以上介绍的各种变压器铁芯材料的近期市场和技术动向，作者提出几点看法，供读者参考：
    ①从现在国内生产总量来看，硅钢居首位，软磁铁氧体其次，非晶合金第三。因此，讨论变压器铁芯材料时，要考虑市场因素，硅钢不单是电力变压器铁芯材料的重点，也是电子变压器铁芯材料的重点，那种讨论磁性材料时只注意软磁铁氧体，不注意硅钢和非晶合金等金属磁性材料，是不全面的。
    ②不论哪种变压器铁芯材料都具有商品特性，市场价格动向决定于供需情况。如果破坏了供需平衡，就会引起市场价格不正常的变化，取向冷轧硅钢不断涨价就是一例。
    ③市场动向也影响技术动向，市场需要推动技术发展，同时，技术开发出新产品新工艺也会反过来影响市场动向。那种讨论铁芯材料发展动向时，只注意技术动向，不注意市场动向，也是不全面的。
    ④一个企业，必须根据市场动向选择项目，还必须根据技术动向争取技术，才可能保持不断的向较高较大的目标发展。国内外都有这样的例子，值得学习和借鉴。

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