技术解析节能型变压器铁芯材料

电力变压器视界

2021年6月21日 17:49

导读

本文浅析节能型变压器铁芯材料的激光切割工艺：减少硅钢片毛刺，降低损耗，从而达到降低铁芯损耗，进而降低电力变压器损耗。

变压器是整个电网中最重要的电力设备，变压器的本身效率非常的高，但是由于容量大、数量多的原因导致变压器的损耗也非常的高，变压器的损耗主要来源于变压器中的铁芯的铁损和绕组的铜损，据统计全国变压器的总损耗大概占系统发电量的百分之十左右，损耗每降低百分之一每年可以节约上百亿的电量，所以采用低损耗的的铁磁材料能够降低变压器的空载损耗，利用低损耗铁芯材料的节能变电器是整个电力行业的发展方向。

一、变压器铁芯材料的发展

早期的变压器铁芯采用的是低碳钢的材料，现在使用的硅钢片有两种规格，一种是零点三五毫米硅钢片和另一种是零点五毫米硅钢片，跟低碳钢相比，硅钢片的电阻几乎不变，只是将整块的铁芯分割成许多金属薄片，并且薄片之间是绝缘的，这样就提高了磁性材料的利用率，增加交流抗阻，降低铁芯的涡流损耗。硅钢片的发展经历了三个阶段，早期的是热轧硅钢片，它的含硅量低，损耗高，在二十世纪四十年代左右就出现了冷轧无取向硅钢片，这种硅钢片含硅量高，而且损耗低，一推出就得到广泛的应用，随着研究的不断深入，科学界发现铁的结晶方向容易磁化，1934年美国采用冷轧和高温热处理结合的方法使得硅钢片中的晶体沿着方向有规律的排序，使得它具有优良的磁性，并且逐步向工业化生产，虽然到目前为止硅钢片的铁损较大，铁芯容易饱和，但因为它的生产工艺相对简单，成本不高，所以现在硅钢片仍然是电力变压器比较常见的铁芯材料。

二、硅钢片的剪切要求

发电机、变压器、电动机上用的硅钢片的毛刺对它的电磁性有影响，硅钢片的毛刺会影响电磁的特性、电机输出功率、发电机寿命，叠片的时候毛刺会造成片间搭接短路引起漩涡损耗的增加，同时要降低叠片填充系数，所以要保证剪切后的硅钢片基本上没有毛刺。硅钢片经过冲压剪裁会产生内应力，导致晶粒变形磁导率下降，比铁损增加，所以要保证消除内应力，保证原有性。硅钢片在剪切的范围内不允许带有材料的表面有绝缘损伤，片料边缘不能有损伤，因为会影响铁芯的质量。剪切以后的硅钢片必须没有明显的波浪，否则硅钢片会严重变形，磁畴结构被破坏，损耗会增加。硅钢下料工作一般在机械压力机上利用冲压磨具进行，硅钢片的冲压磨具是有凹凸磨具组成，安装在冲压机上，将硅片冲压成电机或变压器的定子和转子的铁芯片上，刃口部分要承受冲击力、剪切力、弯曲力，同时又受到硅钢片的挤压和摩擦，硅钢片的表面有特殊涂料，这样又加强了刃口的摩擦和磨损，造成磨具制造间隙过大，当磨具制造间隙过大时，在冲裁的时候硅钢片会受到挤压产生变形，冲片的边沿就会形成毛刺。硅钢片的冲模的正常失效主要的原因就是刃口的磨损，而且磨具制造的花费高，研制周期长，这就引起了一种新的切割技术的，那就是激光切割。

三、激光切割

激光切割是一个热作用的过程，操作的难易程度由材料的物理性能决定，与机械性能没有直接的联系，激光切割是一种不用接触的加工方法，没有冲击的加工过程，不存在刀具的磨损和断裂，材料受力变形等等问题。激光切割硅钢片技术可以简化冲片的步骤，减少生产工序降低生产成本，容易实现生产工程的自动化，能够满足硅钢片剪裁的要求，增加铁芯的有效导磁面积，减少涡流漏磁的损失，改善性能，减少硅钢片毛刺，降低损耗，从而达到降低铁芯损耗，进而降低电力变压器的损耗。但是利用激光切割还需要解决的问题是挂渣，硅的存在将会导致切割速度的降低和底边容易形成挂渣现象，因此要考虑切割效率和尺寸精度控制，下面我们就硅钢片进行激光切割工艺的实验研究。

3.1实验方法

激光切割硅钢片工艺的实施主要目的是解决挂渣问题，达到剪切工艺中产生毛刺的问题，所以实验针对熔渣形成的原因进行设计。我们根据硅钢片的特性，激光切割试验用高压供气系统，气体喷嘴的压强超过两千五百千帕，气流量超过每小时八十立方米，实验的固定功率在三千瓦，分别用氧气和纯度高的氮气辅助切割，先固定辅助切割气体，分别改变切割速度和输出功率，最后用电子探针监测。

3.2实验的结果

经过实验发现，用氧气辅助切割的时候无论采用什么样的切割速度和输出功率都会产生严重的挂渣，用高纯度氮气辅助切割的时候，输出功率相对固定时，随着切割速度的提升，能够得到光滑没有熔渣的切口，切割速度相对固定时，随着激光输出功率的增加，也能够得到光滑没有熔渣的切口。

3.3产生结果的原因

经过电子探针的检测之后发现，熔渣的成分主要是二氧化硅和铁硅氧化物，实验能够表明切割过程中的硅元素容易和氧气化学作用下生成二氧化硅和铁硅氧化物，二氧化硅的密度比氧化铁密度低就会在熔融区形成一个表面层，熔融态的氧化物具有强大的粘滞系数形成熔渣之后不容易被切割气体吹走，导致表面层严重的挂渣，这样硅钢片的毛刺就会增加，损耗增大，那么铁芯的损耗就会增大，最后电力变压器的损耗增加，没有起到节能的作用。用高纯度的氮气复制切割硅钢片的时候，氮气能够阻隔氧气，这样就没有办法生成二氧化硅，高纯度的氮气能够吹走熔融态的残渣，就能够有一个精细的切口，不会有挂渣形成，但是因为用这个方法会使得高压的气体消耗量非常大，氮气的成本又非常高，生产成本就会增加，所以应该采取其他的手段防止硅氧化物的形成，或者在形成硅氧化物之后能够吹走熔融态的硅氧化物。这个实验做完之后对它的尺寸进行检测测量，尺寸的精度完全满足要求，所以说激光的切割精度容易控制，减少了硅钢片的毛刺，降低了损耗，降低了铁芯的损耗，能够使得变压器更加的节能。

总结

就目前来说，国家倡导节能环保产品，鼓励节能技术的发展，变压器的损耗主要来源于变压器中的铁芯的铁损和绕组的铜损，电机和变压器的性能、体积、重量和各种各样的材料的节约都和硅钢片的切割有关，我们对电力变压器的铁芯材料硅钢片进行激光切割工艺的实验研究，通过改善激光切割工艺，减少硅钢片毛刺，降低损耗，从而达到降低铁芯损耗，进而降低电力变压器的损耗，符合国家节能降耗的政策。

使得变压器更具有安全性、可靠性、经济性等特点，能够使得农村等经济不发达地区尽快进行节能降耗变压器更新换代。

来源：压器技术杂志作者：肖洪梅

技术解析节能型变压器铁芯材料的图2