技術解析節能型變壓器鐵芯材料

2021年6月21日 17:49
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導讀

本文淺析節能型變壓器鐵芯材料的激光切割工藝：減少硅鋼片毛刺，降低損耗，從而達到降低鐵芯損耗，進而降低電力變壓器損耗。


技術解析節能型變壓器鐵芯材料的圖1

變壓器是整個電網中最重要的電力設備，變壓器的本身效率非常的高，但是由于容量大、數量多的原因導致變壓器的損耗也非常的高，變壓器的損耗主要來源于變壓器中的鐵芯的鐵損和繞組的銅損，據統計全國變壓器的總損耗大概占系統發電量的百分之十左右，損耗每降低百分之一每年可以節約上百億的電量，所以采用低損耗的的鐵磁材料能夠降低變壓器的空載損耗，利用低損耗鐵芯材料的節能變電器是整個電力行業的發展方向。

一、變壓器鐵芯材料的發展


早期的變壓器鐵芯采用的是低碳鋼的材料，現在使用的硅鋼片有兩種規格，一種是零點三五毫米硅鋼片和另一種是零點五毫米硅鋼片，跟低碳鋼相比，硅鋼片的電阻幾乎不變，只是將整塊的鐵芯分割成許多金屬薄片，并且薄片之間是絕緣的，這樣就提高了磁性材料的利用率，增加交流抗阻，降低鐵芯的渦流損耗。硅鋼片的發展經歷了三個階段，早期的是熱軋硅鋼片，它的含硅量低，損耗高，在二十世紀四十年代左右就出現了冷軋無取向硅鋼片，這種硅鋼片含硅量高，而且損耗低，一推出就得到廣泛的應用，隨著研究的不斷深入，科學界發現鐵的結晶方向容易磁化，1934年美國采用冷軋和高溫熱處理結合的方法使得硅鋼片中的晶體沿著方向有規律的排序，使得它具有優良的磁性，并且逐步向工業化生產，雖然到目前為止硅鋼片的鐵損較大，鐵芯容易飽和，但因為它的生產工藝相對簡單，成本不高，所以現在硅鋼片仍然是電力變壓器比較常見的鐵芯材料。

二、硅鋼片的剪切要求


發電機、變壓器、電動機上用的硅鋼片的毛刺對它的電磁性有影響，硅鋼片的毛刺會影響電磁的特性、電機輸出功率、發電機壽命，疊片的時候毛刺會造成片間搭接短路引起漩渦損耗的增加，同時要降低疊片填充系數，所以要保證剪切后的硅鋼片基本上沒有毛刺。硅鋼片經過沖壓剪裁會產生內應力，導致晶粒變形磁導率下降，比鐵損增加，所以要保證消除內應力，保證原有性。硅鋼片在剪切的范圍內不允許帶有材料的表面有絕緣損傷，片料邊緣不能有損傷，因為會影響鐵芯的質量。剪切以后的硅鋼片必須沒有明顯的波浪，否則硅鋼片會嚴重變形，磁疇結構被破壞，損耗會增加。硅鋼下料工作一般在機械壓力機上利用沖壓磨具進行，硅鋼片的沖壓磨具是有凹凸磨具組成，安裝在沖壓機上，將硅片沖壓成電機或變壓器的定子和轉子的鐵芯片上，刃口部分要承受沖擊力、剪切力、彎曲力，同時又受到硅鋼片的擠壓和摩擦，硅鋼片的表面有特殊涂料，這樣又加強了刃口的摩擦和磨損，造成磨具制造間隙過大，當磨具制造間隙過大時，在沖裁的時候硅鋼片會受到擠壓產生變形，沖片的邊沿就會形成毛刺。硅鋼片的沖模的正常失效主要的原因就是刃口的磨損，而且磨具制造的花費高，研制周期長，這就引起了一種新的切割技術的，那就是激光切割。

三、激光切割


激光切割是一個熱作用的過程，操作的難易程度由材料的物理性能決定，與機械性能沒有直接的聯系，激光切割是一種不用接觸的加工方法，沒有沖擊的加工過程，不存在刀具的磨損和斷裂，材料受力變形等等問題。激光切割硅鋼片技術可以簡化沖片的步驟，減少生產工序降低生產成本，容易實現生產工程的自動化，能夠滿足硅鋼片剪裁的要求，增加鐵芯的有效導磁面積，減少渦流漏磁的損失，改善性能，減少硅鋼片毛刺，降低損耗，從而達到降低鐵芯損耗，進而降低電力變壓器的損耗。但是利用激光切割還需要解決的問題是掛渣，硅的存在將會導致切割速度的降低和底邊容易形成掛渣現象，因此要考慮切割效率和尺寸精度控制，下面我們就硅鋼片進行激光切割工藝的實驗研究。

3.1實驗方法
激光切割硅鋼片工藝的實施主要目的是解決掛渣問題，達到剪切工藝中產生毛刺的問題，所以實驗針對熔渣形成的原因進行設計。我們根據硅鋼片的特性，激光切割試驗用高壓供氣系統，氣體噴嘴的壓強超過兩千五百千帕，氣流量超過每小時八十立方米，實驗的固定功率在三千瓦，分別用氧氣和純度高的氮氣輔助切割，先固定輔助切割氣體，分別改變切割速度和輸出功率，最后用電子探針監測。

3.2實驗的結果
經過實驗發現，用氧氣輔助切割的時候無論采用什么樣的切割速度和輸出功率都會產生嚴重的掛渣，用高純度氮氣輔助切割的時候，輸出功率相對固定時，隨著切割速度的提升，能夠得到光滑沒有熔渣的切口，切割速度相對固定時，隨著激光輸出功率的增加，也能夠得到光滑沒有熔渣的切口。

3.3產生結果的原因
經過電子探針的檢測之后發現，熔渣的成分主要是二氧化硅和鐵硅氧化物，實驗能夠表明切割過程中的硅元素容易和氧氣化學作用下生成二氧化硅和鐵硅氧化物，二氧化硅的密度比氧化鐵密度低就會在熔融區形成一個表面層，熔融態的氧化物具有強大的粘滯系數形成熔渣之后不容易被切割氣體吹走，導致表面層嚴重的掛渣，這樣硅鋼片的毛刺就會增加，損耗增大，那么鐵芯的損耗就會增大，最后電力變壓器的損耗增加，沒有起到節能的作用。用高純度的氮氣復制切割硅鋼片的時候，氮氣能夠阻隔氧氣，這樣就沒有辦法生成二氧化硅，高純度的氮氣能夠吹走熔融態的殘渣，就能夠有一個精細的切口，不會有掛渣形成，但是因為用這個方法會使得高壓的氣體消耗量非常大，氮氣的成本又非常高，生產成本就會增加，所以應該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夠吹走熔融態的硅氧化物。這個實驗做完之后對它的尺寸進行檢測測量，尺寸的精度完全滿足要求，所以說激光的切割精度容易控制，減少了硅鋼片的毛刺，降低了損耗，降低了鐵芯的損耗，能夠使得變壓器更加的節能。

總結


就目前來說，國家倡導節能環保產品，鼓勵節能技術的發展，變壓器的損耗主要來源于變壓器中的鐵芯的鐵損和繞組的銅損，電機和變壓器的性能、體積、重量和各種各樣的材料的節約都和硅鋼片的切割有關，我們對電力變壓器的鐵芯材料硅鋼片進行激光切割工藝的實驗研究，通過改善激光切割工藝，減少硅鋼片毛刺，降低損耗，從而達到降低鐵芯損耗，進而降低電力變壓器的損耗，符合國家節能降耗的政策。

使得變壓器更具有安全性、可靠性、經濟性等特點，能夠使得農村等經濟不發達地區盡快進行節能降耗變壓器更新換代。


來源：壓器技術雜志  作者：肖洪梅

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