CN102360768B - 一种非晶铁芯和制造方法及其变压器 - Google Patents

Abstract

本发明属于变压器制造领域，涉及一种非晶铁芯和制造方法及其高性能、低噪声、低成本变压器。所述变压器非晶铁芯在频率为50Hz，最大磁通密度为1.35T条件下的铁损≤0.20W/kg，激磁功率≤0.80VA/kg。所述变压器的铁芯采用宽度为220～500mm的铁基非晶合金宽带制成，且变压器在频率为50Hz，最大磁通密度为1.35T条件下的空载损耗≤0.25W/kg，且变压器的噪声比传统的两层铁芯叠放变压器低5～10分贝，用铜量减少约1％以上。本发明简化了变压器用铁芯制造工艺流程，避免了两层铁芯叠放情况下铁芯分别固定的复杂工艺，而且减小了铁芯装配应力导致的性能恶化、降低了噪声，减小了铁芯总高度、节省了材料成本；提高了工作效率，使非晶变压器结构更加紧凑，彻底改变了现有大容量非晶变压器铁芯的制造模式。

Description

一种非晶铁芯和制造方法及其变压器

技术领域

本发明属于变压器制造领域，涉及一种非晶铁芯、该铁芯的制造方法及其高性能、低噪声、低成本的变压器。 

背景技术

铁基非晶合金作为变压器铁芯材料具有优良的电磁特性，已经在变压器领域得到了大量应用。变压器铁芯的制造工序一般是：首先用非晶合金带材卷绕成需要尺寸的矩形或环形铁芯或用“剪切-搭接”技术形成矩形铁芯，然后将铁芯在300~400℃进行一定时间的磁场热处理；再根据需要将铁芯装入保护装置或在铁芯端面涂覆环氧树脂使铁芯形状固定；最后将制好的非晶铁芯进行绕线、装配制成所需容量的非晶变压器。 

在上述非晶铁芯的制作方法中，热处理工艺与最后铁芯及变压器的性能密切相关。专利CN1252106A公布了一种非晶带的铁芯热处理方法，其特征在于，在外加磁场条件下，铁芯在峰值温度下保持与使功率损耗降低到最小程度所需要的均热时间相比至少长50%的均热时间，以约0.1~10℃/min的冷却速度将该铁芯冷却至比所述的峰值温度低约100℃的温度，保温温度要比峰值温度至少高5℃。使用该种方法进行热处理时， 可使励磁功率降低，损耗基本不变，但是上述发明是基于Metglas-SA1进行设计；专利CN101395682A公布了一种配电用非晶态变压器，发明了变压器用非晶铁芯的热处理方法，该方法中铁芯热处理时，铁芯中心温度为300～340℃，且保持时间为0.5小时以上，磁场强度800A/m以上，上述发明也是基于Metglas-2605SA1非晶带材进行研究；专利CN101575664A公布了一种非晶变压器铁芯热处理工艺，铁芯的升温速率为3～5℃/min，保温温度为460～500℃，保温时间为1.5小时；专利CN101640128A公布了一种非晶合金铁心的制作方法；该方法介绍了非晶带材剪切、热处理和固化的工艺，其中非晶铁芯的热处理工艺为退火温度300～500℃，退火时间7～8小时。分析以上变压器用非晶铁芯的热处理工艺可知，其基本上是基于Metglas-2605SA1非晶带材，对于国产非晶带材的热处理工艺的研究，特别是利用宽度为220～500mm的非晶带材制造非晶铁芯的热处理工艺，未见发明专利。由于国产非晶带材的表观质量和性能参数以及宽度不同于Metglas-2605SA1，使用现有工艺显然不能满足铁芯最后的性能要求；此外，上述发明均是针对小型铁芯进行发明的，在热处理过程中升温时，铁芯内外温差较小，保温时间能够较好的控制，因而在铁芯热处理时，基本不考虑铁芯尺寸对非晶铁芯热处理工艺的影响，然而对于大容量非晶铁芯，尺寸较大，铁芯传热需要一定的时间，升温过程中铁芯心部与外部温差较大(如容量为315KVA非晶铁芯在以2.5℃/min升温时铁芯心部与外部的温差最大能够差约100℃)，使铁芯内外内部产生了应力，恶化了铁芯热处理后的性能，基于此，必须对高度为220～500mm非晶铁芯热处理工艺进行研究。 

目前市场上销售的变压器用非晶宽带仅有三个规格，宽度分别为142mm、170mm、213mm，用户只能在此基础上设计变压器铁芯，铁芯截面、线圈参数的优化以及变压器形状和结构的调整等都受到一定的限制。特别是对于500kVA以上的大容量变压器，由于非晶带材宽度有限，结构上通常采用两层铁芯叠放以达到变压器的容量要求，如图1所示。这种方法无疑增加了变压器装配过程中铁芯固定的难度，导致变压器制造工艺的复杂化；其次，铁芯在制造时其两个端面都要粘结一层环氧树脂等粘结材料，以使铁芯定形。当两层铁芯叠放时，两层铁芯之间将存在一个厚度约为4mm的环氧树脂层3，使铁芯总高度额外增加，进而使线圈及变压器体积增大，成本提高；此外，铁芯叠放还容易产生额外噪声等。总之，用多层铁芯叠放来制造大容量非晶变压器的方法造成了变压器工艺的复杂化以及变压器性能的下降。 

发明内容

本发明的目的是提供一种非晶铁芯、该非晶铁芯的制造方法以及用该非晶铁芯制造的高性能、低噪声、低成本的变压器，即容量为500KVA以上各种类型配电变压器、风电变压器等各种用途变压器，以解决传统的500KVA以上的大容量非晶变压器需要两层或以上铁芯叠放的问题。 

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案： 

一种非晶铁芯，用于制备高性能、低噪声、低成本的变压器，其中，所述非晶铁芯单体采用宽度为220mm～500mm的铁基非晶合金宽带不经叠放直接制成，该非晶铁芯在频率为50Hz，最大磁通密度为1.35T条件 下的铁损≤0.20W/kg，激磁功率≤0.80VA/kg。 

所述非晶铁芯单体的高度与所述铁基非晶合金宽带的宽度一致为220～500mm；铁芯窗口长度为300mm～1200mm，窗口宽度为80mm～400mm，叠厚为80mm～300mm。 

所述非晶铁芯的横截面形状可为圆环形、椭圆形或者矩形。 

所述非晶铁芯的两个端面有环氧树脂的端面涂覆层2，该涂覆层环氧树脂的厚度为1.5～2.5mm。 

所述铁基非晶合金宽带的横向厚度偏差在±2μm内，且叠片系数≥0.84。 

所述非晶铁芯为搭接型铁芯。 

所述非晶铁芯为卷绕型铁芯。 

一种高性能、低噪声、低成本的变压器用搭接型非晶铁芯的制造方法，包括如下步骤：带材剪切、铁芯成型、热处理、中间测试以及固化，其中，所述非晶铁芯单体采用宽度为220～500mm的铁基非晶合金宽带不经叠放直接制成。 

所述带材剪切步骤中，带材剪切的叠层数为10～20层，且剪切后的长度偏差为±0.5mm。 

所述铁芯成型步骤中，将剪切好的非晶带材进行码放和搭接，搭接长度≥8mm，尺寸公差在0～-2.0mm之间。 

一种高性能、低噪声、低成本的变压器用卷绕型非晶铁芯的制造方法，包括如下步骤：铁芯卷绕、热处理、中间测试以及固化，其中，所述非晶铁芯单体采用宽度为220～500mm的铁基非晶合金宽带不经叠放直 接制成。 

所述热处理步骤中，所述非晶铁芯在磁场电流大小为100A～3000A的磁场中，保证铁芯内外温差控制在20℃以内，按如下步骤进行：(1)升温阶段，以0.5～3℃/min的升温速率，将温度升至最终保温温度300～400℃；(2)保温阶段，保温时间为0.5～5小时；(3)降温阶段，以0.5～10℃/min的降温速率降至室温。 

所述升温阶段中，采用升温、保温、再升温的阶梯式升温方法升温至最终保温温度，其中升温阶梯为1-5个，单个阶梯的保温时间为0.1～2小时。 

所述非晶铁芯的高度每增加50mm，升温阶段就多增加一个升温阶梯。 

所述降温阶段中，采用降温、保温、再降温的阶梯式降温方法降温至室温，其中降温阶梯为1-3个，单个阶梯的保温时间为0.1～2小时。 

所述非晶铁芯的高度每增加100mm，降温阶段就多增加一个降温阶梯。 

所述非晶铁芯的高度每增加10mm，所述保温时间增加5～10分钟。 

所述固化步骤中，在铁芯端面上涂覆环氧树脂，并在100℃～400℃的温度下保温1～5小时进行固化。 

一种高性能、低噪声、低成本的变压器，容量≥500KVA，其中，所述变压器的铁芯单体采用宽度为220～500mm的铁基非晶合金宽带不经叠放直接制成，且所述变压器在频率为50Hz，最大磁通密度为1.35T条件下的空载损耗≤0.25W/kg。 

一种高性能、低噪声、低成本的变压器的制造方法，包括如下步骤：线圈套装、铁芯固定、器身装配、注油，其中，所述变压器直接采用单体高度为220mm～500mm的非晶铁芯制成，而不采用将两个或以上铁芯叠放的方法。 

本发明的有益效果在于：简化了变压器用铁芯制造工艺流程，避免了两层铁芯叠放情况下铁芯分别固定的复杂工艺，而且减小了铁芯装配应力导致的性能恶化、降低了噪声，减小了铁芯总高度、节省了材料成本，其中用铜量减少约1％以上；提高了工作效率，使非晶变压器的结构更加紧凑，彻底改变了现有大容量非晶变压器铁芯的制造模式。 

附图说明

图1为现有技术中，采用两个或以上非晶铁芯叠放的变压器的铁芯排列结构示意图； 

图2为本发明的变压器的采用不经叠放的非晶铁芯排列结构示意图； 

图3为本发明采用的热处理工艺及现有技术热处理工艺的对比示意图，其中曲线a为现有技术热处理工艺曲线，曲线b为本发明连续热处理工艺曲线，曲线c为本发明阶梯式热处理工艺； 

图4为本发明采用的热处理工艺的升温过程中的阶梯个数与铁损和激磁功率的关系图。 

附图标记 

1    搭接边    2    端面涂覆层 

3    环氧树脂层 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。 

采用宽度为220mm～500mm的非晶合金宽带制造本发明所述的一种高性能、低噪声、低成本的变压器用非晶铁芯，上述非晶铁芯既可以是搭接型铁芯，也可以是卷绕型铁芯，其制造工艺流程如下： 

(1)非晶铁芯用材料选择：选用宽度为220mm～500mm的非晶合金宽带，要求非晶带材表面平整，同时保证选用非晶带材的横向厚度偏差在±2μm内，非晶带材的叠片系数≥0.84。 

(2)铁芯制造流程： 

I、搭接型铁芯制造流程： 

①带材剪切：根据变压器铁芯的结构设计，确定带材剪切的长度、数量，每组剪切时的叠层数取20层，然后进行分组剪切。非晶带材剪切后，长度偏差为±0.5mm。 

②铁芯成型：将剪切好的非晶带材进行码放和搭接，使得每组非晶合金片两端搭接。然后在带材叠片最外部放置外层硅钢片。要保证铁芯断面的平整度。最后使得除搭接部分外的所有气隙全部排除。要求搭接长度不小于8mm，尺寸公差在0～-2.0mm之间。中间各搭接口与相邻搭接口错开的长度取其由外层接口错开长度逐渐减小过渡到内层接口错开的长度。 

II、卷绕型铁芯制造流程： 

铁芯卷绕：直接在芯子上绕制所需形状和尺寸的铁芯。 

(3)铁芯热处理： 

非晶铁芯在热处理时，升温速率、保温时间、降温速率、磁场电流大小、加磁方式可控；同时保证了退火炉空间内部温度场的一致性，即恒温区间尽量大，确保铁芯在热处理时铁芯各个部位热处理的条件相同。另外还要根据铁芯体积的增大适当增加铁芯透热均温时间。 

本发明的铁芯尺寸较大，对于用宽度在220mm以上非晶合金宽带制造的铁芯来说，热处理工艺与现有技术处理高度在213mm及以下非晶铁芯存在很大区别，现有的热处理工艺技术只适用于小型铁芯的制作，由于铁芯尺寸较小，在铁芯的升温过程中，铁芯心部与边部的内外温差较小，热处理时可会略内外温差对非晶铁芯性能的影响，但是本发明的铁芯尺寸在现有技术的单体铁芯尺寸范围之外，热处理升温过程中铁芯各温差较大，最大甚至达100℃以上，导致铁芯内部的温度不同，导致铁芯各部位产生应力，致使热处理后性能下降，因而如何保证220mm以上高度非晶铁芯热处理时铁芯各部位的温度场的均匀性成为热处理工艺控制的难点。基于此，本发明采用了一种新型的非晶铁芯热处理方法，尽量保证了铁芯在热处理时铁芯各部位的温度场相同。 

如图3所示，非晶铁芯的热处理过程可分为三个阶段，即升温，保温、降温，其中升温和降温过程均是动态过程，铁芯内外由于导热过程使内外存在温差，为减小温差，本发明采用连续缓慢升温和阶梯式升温的方式以及连续缓慢降温和阶梯式降温的方式来尽量消除铁芯在升温和 降温过程中铁芯心部和边部的温差，使铁芯内部的各处的温度相同，保证铁芯内外温差控制在20℃以内。控制方法为：在升温阶段，采取缓慢连续升温方式或阶梯式升温方式达到所需的最终保温温度，其中升温速率为0.5～3℃/min。对于阶梯式升温方式，升温阶梯为1-5个，单个阶梯的保温时间为0.1～2小时，保温温度视具体铁芯的尺寸而定，铁芯的高度每增加50mm，热处理升温时涉及的升温工艺就多增加一个台阶。 

图4示出了500KVA铁芯以2℃/min的升温速率分别采用本发明的多次阶梯式升温方式以及现有技术的升温方式，升温到保温温度390℃后铁芯的损耗，由图4可知，阶梯式升温方式中升温时保温的次数越多，铁芯的性能越好。 

保温阶段时，由于铁芯尺寸加大，透热所需时间较长，因而热处理的保温时间要相应延长。使得保温时的铁芯各处的温度尽量一致。本发明220mm～500mm非晶铁芯的最终保温温度为300～400℃，保温时间为0.5～5小时，且铁芯高度每增加10mm保温时间要增加5～10分钟，热处理过程中可以采用氮气或氩气等惰性气体保护，也可以直接在空气中进行。此外，还要将金属导线穿过铁芯窗口，并通过改变电流大小，可实现铁芯内部磁场强度的改变，本发明的铁芯所加磁场电流大小为100A～3000A。 

如图3所示，在降温阶段中，采用缓慢连续降温方式或阶梯式降温方式降温至室温，其中降温速率为0.5～10℃/min。对于阶梯式降温方式，降温阶梯为1-3个，单个阶梯保温时间为0.1～2小时，并且，铁芯高度每增加100mm，热处理的降温工艺中多增加一个台阶。 

上述热处理工艺，对于上述步骤中的搭接型或卷绕型非晶铁芯均适用。 

(4)铁芯固化： 

叠片后的非晶铁芯，容易松散，并且由于热处理后的材料更脆，在外力的作用下极易产生碎屑。为改善这一状况，非晶铁芯需要进行端面涂覆和固化处理。固化材料要尽量选取伸缩性较好的材料，用来降低变压器运行时的噪音，常用的涂层材料为环氧树脂，将搅拌均匀的环氧搅拌倒在铁芯端面上，用铲刀找平，确保铁芯断面的平整度。然后将铁芯推入炉中进行固化。本发明中所述的固化工艺为将铁芯在100℃-400℃的热处理炉内保温1～5小时进行铁芯固化。待胶层不再发粘，呈现明显的弹性时出炉。最后，在铁芯的两个断面形成厚度约为2mm的环氧树脂层2。 

本实施例中，将铁芯的两个端面分别涂覆厚度为1.5～2.5mm(最好2mm)的环氧树脂，然后在150℃保温2.5～3小时进行铁芯固化，即得到本发明所述的一种高性能、低噪声、低成本的变压器用非晶铁芯。 

采用上述方法所制得的非晶铁芯制造一种高性能、低噪声、低成本的变压器，线圈套装及变压器组装方法如下： 

本发明的特点是大容量变压器的每个铁芯均由一层铁芯组成，如图4所示，而不需要像图1那样按照现有技术使两层以上铁芯的叠放，因而，铁芯的固定和线圈套装更为方便：(1)将铁芯的搭接边1打开；(2)将线圈在装配平台上固定；(3)将线圈的初级绕组和次级绕组套装在非晶铁芯上；(4)将铁芯搭接边1闭合；(5)将铁芯紧固。即可制得本发明 的一种高性能、低噪声、低成本的变压器。 

下面，选取220mm～500mm之间不同宽度的非晶合金宽带，采用上述方法制造变压器铁芯。并且，用现有技术的142、170、213mm非晶合金带材按照类似工艺制造变压器铁芯。最后，将两类铁芯及由两类铁芯所制得的变压器的性能进行对比。需要说明的是，本发明的实施方式不仅适用于图4所示的三相五柱式变压器铁芯，也适用于三相三柱式或其它形式的变压器铁芯。 

所制造的非晶铁芯及变压器的性能如表1所示。从测试数据看出，采用了宽度为220～500mm的铁基非晶合金宽带制造变压器铁芯，其高度为220～500mm，窗口长度为300mm～1200mm，窗口宽度为80mm～400mm，叠厚为80mm～300mm，并且，在频率为50Hz，最大磁通密度为1.35T条件下的铁损≤0.20W/kg，激磁功率≤0.80VA/kg。 

并且，用上述铁芯所制成的变压器，在频率为50Hz，最大磁通密度为1.35T条件下的空载损耗≤0.25W/kg，且所述变压器的噪声比传统的两层铁芯叠放变压器低5～10分贝，用铜量减少约1％以上。 

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。 

Claims (20)

1.一种非晶铁芯，用于制备变压器，其特征在于：非晶铁芯单体的高度与铁基非晶合金宽带的宽度一致为220～500mm，采用宽度为220mm～500mm的铁基非晶合金宽带不经叠放，经过铁芯成型、阶梯式热处理工艺及固化直接制成，该非晶铁芯在频率为50Hz，最大磁通密度为1.35T条件下的铁损≤0.20W/kg，激磁功率≤0.80VA/kg。 

2.如权利要求1所述的非晶铁芯，其特征在于：所述非晶铁芯单体铁芯窗口长度为300mm～1200mm，窗口宽度为80mm～400mm，叠厚为80mm～300mm。 

3.如权利要求1所述的非晶铁芯，其特征在于：所述非晶铁芯的横截面形状可为圆环形、椭圆形或者矩形。 

4.如权利要求1所述的非晶铁芯，其特征在于：所述非晶铁芯的两个端面有环氧树脂的端面涂覆层（2），该涂覆层环氧树脂的厚度为1.5～2.5mm。 

5.如权利要求1所述的非晶铁芯，其特征在于：所述铁基非晶合金宽带的横向厚度偏差在±2μm内，且叠片系数≥0.84。 

6.如权利要求1所述的非晶铁芯，其特征在于：所述非晶铁芯为搭接型铁芯。 

7.如权利要求1所述的非晶铁芯，其特征在于：所述非晶铁芯为卷绕型铁芯。 

8.一种如权利要求6所述的变压器用非晶铁芯的制造方法，包括如下步骤：带材剪切、铁芯成型、热处理、中间测试以及固化，其特征在于：所述非晶铁芯单体采用宽度为220～500mm的铁基非晶合金宽带不经叠放直接制成。 

9.如权利要求8所述的非晶铁芯的制造方法，其特征在于：所述带材剪切步骤中，带材剪切的叠层数为10～20层，且剪切后的长度偏差为±0.5mm。 

10.如权利要求8所述的非晶铁芯的制造方法，其特征在于：所述铁芯成型步骤中，将剪切好的非晶带材进行码放和搭接，搭接长度≥8mm，尺寸公差在0～-2.0mm之间。 

11.一种如权利要求7所述的非晶铁芯的制造方法，包括如下步骤：铁芯卷绕、热处理、中间测试以及固化，其特征在于：所述非晶铁芯单体的高度与所述铁基非晶合金宽带的宽度一致为220～500mm，采用宽度为220～500mm的铁基非晶合金宽带不经叠放直接制成。 

12.如权利要求8或11所述的非晶铁芯的制造方法，其特征在于：所述热处理步骤中，所述非晶铁芯在磁场电流大小为100A～3000A的磁场中，保证铁芯内外温差控制在20℃以内，按如下步骤进行：（1）升温阶段，以0.5～3℃/min的升温速率，将温度升至最终保温温度300～400℃；（2）保温阶段，保温时间为0.5～5小时；（3）降温阶段，以0.5～10℃/min的降温速率降至室温。 

13.如权利要求12所述的非晶铁芯的制造方法，其特征在于：所述 升温阶段中，采用升温、保温、再升温的阶梯式升温方法升温至最终保温温度，其中升温阶梯为1-5个，单个阶梯的保温时间为0.1～2小时。 

14.如权利要求13所述的非晶铁芯的制造方法，其特征在于：所述非晶铁芯的高度每增加50mm，升温阶段就多增加一个升温阶梯。 

15.如权利要求12所述的非晶铁芯的制造方法，其特征在于：所述降温阶段中，采用降温、保温、再降温的阶梯式降温方法降温至室温，其中降温阶梯为1-3个，单个阶梯的保温时间为0.1～2小时。 

16.如权利要求15所述的非晶铁芯的制造方法，其特征在于：所述非晶铁芯的高度每增加100mm，降温阶段就多增加一个降温阶梯。 

17.如权利要求8或11所述的非晶铁芯的制造方法，其特征在于：所述非晶铁芯的高度每增加10mm，所述保温时间增加5～10分钟。 

18.如权利要求8或11所述的非晶铁芯的制造方法，其特征在于：所述固化步骤中，在铁芯端面上涂覆环氧树脂，并在100℃～400℃的温度下保温1～5小时进行固化。 

19.一种如权利要求1所述的非晶铁芯制备的变压器，容量≥500KVA，其特征在于：所述变压器的铁芯单体的高度与所述铁基非晶合金宽带的宽度一致为220～500mm，采用宽度为220～500mm的铁基非晶合金宽带不经叠放直接经过铁芯成型、阶梯式热处理工艺及固化制成，且所述变压器在频率为50Hz，最大磁通密度为1.35T条件下的空载损耗≤0.25W/kg。 

20.一种如权利要求19所述的变压器的制造方法，包括如下步骤：线圈套装、铁芯固定、器身装配、注油，其特征在于：所述变压器直接采用单体高度为220mm～500mm的非晶铁芯经过铁芯成型、阶梯式热处理工艺及固化制成，铁芯单体的高度与所述铁基非晶合金宽带的宽度一致为220～500mm，而不采用将两个或以上铁芯叠放的方法。 

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