CN104616881A

CN104616881A - 配电变压器用铁基非晶合金铁心及其制造方法

Info

Publication number: CN104616881A
Application number: CN201410842338.1A
Authority: CN
Inventors: 陈文智; 宋恩猛; 张晓雷; 吕宝川; 邢彦兴; 张淑兰
Original assignee: ANTAI NANRUI AMORPHOUS TECHNOLOGY Co Ltd; Advanced Technology and Materials Co Ltd
Current assignee: Antai amorphous Technology Co., Ltd; Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: CN104616881B

Abstract

本发明公开了一种配电变压器用铁基非晶合金铁心及其制造方法。该方法包括选取带材、带材剪切、铁心成型以及铁心退火工序，在选材工序中需要控制原料带材的磁性能的一致性、在退火过程中控制铁心内外温度之差小于50℃以及控制退火炉内气氛的绝对湿度小于15g/m³。本发明的方法大幅度降低了铁心的铁损和激磁功率的工艺系数，其中铁损工艺系数降低到1.2～1.4，激磁功率工艺系数降低到1.3～1.7，并且铁心在频率50Hz、磁感峰值1.35T条件下的铁损在0.15W/kg以下，激磁功率在0.35VA/kg以下。

Description

配电变压器用铁基非晶合金铁心及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种铁基非晶合金铁心及其制造方法，特别涉及一种配电变压器用铁基非晶合金铁心及其制造方法。

背景技术

近年来，铁基非晶合金由于其优异的软磁性能，已经越来越多地应用于配电变压器。一般地，利用铁基非晶合金带材制造变压器铁心的工艺流程包括：将连续的非晶带材剪切成预先计算的长度并顺序排列、将排列好的非晶带材成形、将成形后的铁心置于退火炉中在保护气氛下进行纵向磁场退火、将铁心端面涂覆保护材料。作为配电变压器应用的非晶铁心的磁性能指标主要包括铁损和激磁功率。

在非晶铁心生产中发现，当铁基非晶合金带材制造成铁心后，铁心的磁性能总是不如带材的磁性能，或者说，铁心的磁性能总是相对于带材磁性能有所恶化。习惯上，将铁心的磁性能指标与铁心所用非晶合金带材的磁性能指标之比称为工艺系数。一般认为，非晶铁心工艺系数的形成至少与在退火过程中铁芯内外存在温差导致退火历程不一致、铁心弯角处的弯曲应力无法完全消除、铁心搭接处产生漏磁等因素有关。利用现有技术生产的非晶铁心的磁性能工艺系数一般在1.5～2.0之间。

美国专利US4832763公开了一种非晶铁心的制造方法，其主要特点包括：为了减小铁心在退火过程中的内外温差，用绝热材料包裹在铁心的内外四周，使得热量只能通过铁心端面传入铁心内部。这种方法有效减小了铁心内外温差，但同时带来了铁心升温缓慢的缺点，为此，该专利采用加大退火炉加热功率的方法，以提高铁心升温速率、缩短退火总时间，但这又使铁心内外温差重新扩大。

中国发明专利CN200910056484.0公开了一种非晶合金铁心热处理方法与装置，其特点是：使用多个热电偶同时监视多个铁心的实际温度，并根据铁心之间的温差适当调整加热功率，目的是减小多个铁心之间的温度差，以改善多个铁心的磁性能一致性。但这种方法未控制铁心表面与内部的温差，可能导致铁心内外温差过大而使铁心局部过烧或欠烧。

中国发明专利申请CN201180008356.4公开了一种非晶铁心的退火方法。为了减小铁心在退火过程中的内外温差，该专利申请在铁心的内部插入某种加热材料，从而实现了对铁心内部加热、减小了铁心内外温差，而且可缩短退火总时间。但是，这种方法不仅使退火工艺和设备更加复杂，而且因要在退火定型后将插入的加热体抽出而使铁心产生缝隙。

在非晶铁心的实际生产中遇到的另一个比较普遍的问题是：在夏季(尤其是高温高湿度天气)对铁心进行退火后，铁心的磁性能明显恶化，幅度可达20％以上，进一步增大了铁心的工艺参数，甚至产生废品。虽然针对铁心在夏季磁性能恶化的问题进行过很多工作，但是至今尚未获得很好的手段彻底解决该问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种配电变压器用铁基非晶合金铁心的制造方法。

本发明的目的之二在于提供一种配电变压器用铁基非晶合金铁心。

本发明的目的之三在于提供一种配电变压器。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种配电变压器用铁基非晶合金铁心的制造方法，包括选取带材、带材剪切、铁心成型以及铁心退火工序，其中：

在所述选取带材工序中，用于制造同一铁心的每层带材的叠片系数与所有带材叠片系数的平均值之间存在如下关系：所有带材叠片系数的平均值×85％≤每层带材的叠片系数≤所有带材叠片系数的平均值×115％；用于制造同一铁心的每层带材的铁损与所有带材铁损的平均值之间存在如下关系：所有带材铁损的平均值×85％≤每层带材的铁损≤所有带材铁损的平均值×115％；用于制造同一铁心的每层带材的激磁功率与所有带材激磁功率的平均值之间存在如下关系：所有带材激磁功率的平均值×85％≤每层带材的激磁功率≤所有带材激磁功率的平均值×115％；

在所述铁心退火工序中，将铁心加热到规定的退火温度后进行保温一定时间，然后冷却出炉；在铁心加热升温过程中，当退火炉中炉气温度高于250℃时，控制铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差小于50℃；在所述铁心的整个退火过程中，控制退火炉内气氛的绝对湿度小于15g/m³。

在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述选取带材步骤中，用于制造同一铁心的每层带材的叠片系数与所有带材叠片系数的平均值之间存在如下关系：所有带材叠片系数的平均值×90％≤每层带材的叠片系数≤所有带材叠片系数的平均值×110％；用于制造同一铁心的每个带材的铁损与所有带材铁损的平均值之间存在如下关系：所有带材铁损的平均值×90％≤每层带材的铁损≤所有带材铁损的平均值×110％；用于制造同一铁心的每个带材的激磁功率与所有带材激磁功率的平均值之间存在如下关系：所有带材激磁功率的平均值×90％≤每层带材的激磁功率≤所有带材激磁功率的平均值×110％。

在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述规定的退火温度为300-400℃，保温时间为0.5-5h。

在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述铁心退火为纵向磁场退火。优选地，所述纵向磁场的方式为将一根载流铜排从铁心窗口内部穿过，所述铜排所通电流为800～2000A。

在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述铁心退火工序中，所述铁心加热升温的方式为连续升温，所述连续升温为非恒定速率升温，当铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差高于45℃时，所述退火炉的加热功率自动降低，从而降低升温速率以减少铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度的差值。更优选地，所述连续升温的速度控制在0.1～5℃/min。

在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述铁心退火工序中，所述铁心加热升温的方式为间歇式升温，在第一次升温的过程中，当铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差高于45℃时停止第一次升温并进行第一次保温，待铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差小于30℃后再进行第二次升温，当铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差高于45℃时停止第二次升温并进行第二次保温，经过N次升温保温后将铁心的温度加热至规定的退火温度。更优选地，所述第N次升温后的保温时间为20-120min；N的取值范围为2～10。

在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述铁心退火工序中，通过向所述退火炉内通入干燥气体或将炉内气体循环干燥来控制退火炉内的绝对湿度小于15g/m³。更优选地，在对所述铁心加热升温之前向所述退火炉中预通干燥气体直到退火炉内的绝对湿度小于15g/m³，预通流量为10-100m³/h；在对所述铁心加热后干燥气体的流量为2-50m³/h；所述绝对湿度更优选小于15g/m³。

在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，所述干燥气体优选为干燥空气。

在上述制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述铁心退火工序中，所述冷却出炉是指以1～10℃/min的冷却速率冷却至200℃以下出炉。

一种由上述制造方法制造的配电变压器用铁基非晶合金铁心，所述铁心的铁损工艺系数为1.2～1.4，激磁功率工艺系数为1.3～1.7，并且所述铁心在频率50Hz、磁感峰值1.35T条件下的铁损在0.15W/kg以下，激磁功率在0.35VA/kg以下。

一种配电变压器，包含上述配电变压器用铁基非晶合金铁心。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过控制原料带材的磁性能保证一致性、控制铁心内外温度均匀性、控制炉气绝对湿度等工艺，大幅度降低了铁心的铁损和激磁功率的工艺系数，本发明方法制备的铁心的铁损工艺系数降低到1.2～1.4，激磁功率工艺系数降低到1.3～1.7，并且铁心在频率50Hz、磁感峰值1.35T条件下的铁损在0.15W/kg以下，激磁功率在0.35VA/kg以下。本发明的铁心可用于配电变压器。

附图说明

图1是非晶带材原始磁性能偏差与所制造铁心磁性能工艺系数的关系；

图2是铁心退火过程中的内外最大温差与铁心磁性能工艺系数的关系；

图3是铁心退火过程中控制铁心内外温差后的温度～时间曲线：图3(a)为连续升温方式；图3(b)为升温途中设置保温平台(即间歇式升温方式)；

图4是铁心磁性能工艺系数随铁心退火过程中炉气绝对湿度的变化曲线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面用具体实施方式进一步说明本发明的技术方案及其效果。

在应用于配电变压器时，一般要求铁基非晶铁心具有低的铁损和激磁功率。铁损的高低决定了变压器的空载损耗，而激磁功率的高低决定了变压器的噪声。目前，制造配电变压器用的铁基非晶带材的典型磁性能指标为(使用标准Epstein方圈测量)：铁损(50Hz、1.35T)0.08～0.14W/kg、激磁功率(50Hz、1.35T)0.15～0.30VA/kg。而制造成铁心后，其铁损一般在0.14～0.20W/kg、激磁功率一般在0.30～0.50VA/kg。换言之，使用现有技术制造非晶铁心时，铁损和激磁功率的工艺系数均高达1.5～2.0。铁损工艺系数是指铁心的铁损与该铁心所用铁基非晶合金带材铁损平均值的比值；激磁功率工艺系数是指铁心的激磁功率与其所用铁基非晶合金带材激磁功率平均值的比值。

发明人通过试验发现，铁基非晶带材在制造成变压器铁心时，铁损和激磁功率的工艺系数产生的原因主要包括以下几点：

其一是铁心形状引起。铁基非晶带材磁性能测试多采用平直的片状样品，所得到的磁性能数据代表了带材自身的质量水平。而配电变压器铁心为矩形，因而制造成铁心后，铁心的拐角处将产生弯曲应力。经过退火，这种弯曲应力可以消除85％～90％，还有约10％以上的弯曲应力未能消除。由于铁基非晶带材的饱和磁致伸缩系数高达27ppm，因此磁性能对外力比较敏感。故铁心拐角处所残留的弯曲应力会使得磁性能恶化，铁心的磁性能不如所用带材，亦即产生工艺系数。由于铁心拐角处的弯曲应力难以完全消除，因此这部分原因导致的工艺系数也就难以抑制。

其二是制造同一铁心所用不同批次带材的磁性能不一致。在铁心制造过程中，首先采用15层铁基非晶带材重叠后剪切成一定长度并按照一定次序堆叠，随后将这些带材叠首尾搭接，形成矩形的、具有分布气隙的铁心。由于所用15层带材的生产批次不同，带材本身的磁性能存在一定的不一致性。这样，铁心磁性能也就与带材原始磁性能有关。一般地，铁心的铁损基本上相当于15层带材铁损的平均值，而铁心的激磁功率更加接近所用带材的激磁功率最高值。这样，如果在制造铁心时将质量好的和质量差的带材混搭使用，则整个铁心的质量就会受到质量差带材的影响，表现出铁心的工艺系数偏高；或者说，质量好的带材被浪费了。因此，控制带材磁性能一致性是改善铁心工艺系数的必要措施。

其三是铁心退火过程中的内外温差。在铁心成形后，要对铁心进行纵向磁场退火。退火的目的之一是消除在带材制造过程中产生的内应力和铁心成形时产生的弯曲应力，从而降低铁损；目的之二是使非晶材料内部形成沿使用方向的感生磁各向异性，以降低激磁功率。退火一般是以一定的升温速率使铁心温度升高到预定温度并保温一定时间完成的。由于配电变压器容量的要求，其铁心尺寸较大，目前一般采用宽度为142、170和213mm的铁基非晶带材，铁心的叠厚一般在30mm至100mm以上。由于铁基非晶带材的厚度仅为约0.025mm，整个铁心由数百层至上千层带材堆叠而成，而层间不可避免地存在间隙，这导致铁心的导热率较低。因此，在退火过程中，铁心的内外存在很大温差。具体地说，在铁心退火过程中，铁心的外表面与炉气接触，基本上与炉气温度相同，而铁心内部温度的上升则明显滞后于表面。这样，铁心外部与内部所经过的热历程存在明显差异，这种差异将导致铁心外部和内部的退火效果不同，因而磁性能也不同。例如，如果保证铁心内部在预定温度下保温足够长的时间，则铁心外部可能已经超温或者保温时间过长而导致过烧；而如果仅保证铁心外部的保温时间，则铁心内部有可能还未达到预定温度或者保温时间太短而导致欠烧。因此，控制铁心在退火过程中的内外温差是很重要的。

其四是铁心中带材的表面氧化引起。发明人发现，铁心退火后，其内部的带材表面发生不同程度的氧化，尤其是在环境中绝对湿度(空气含水量)高于20g/m³(例如室温30℃、相对湿度80％RH时的绝对湿度为24.3g/m³)的夏季阴雨天气更加严重。当带材发生严重的表面氧化时，一方面表面氧化层与带材自身具有不同的热膨胀系数和密度，会对带材施加额外的应力，从而使磁性能恶化；另一方面相邻两层带材的表面氧化层会发生粘连，造成短路，增大涡流，这些都会使铁心磁性能发生大幅度恶化，从而提高铁心的工艺系数。

因此，为了得到较低工艺系数的铁心，本发明提供的铁心制造方法主要通过保证带材磁性能一致性、控制铁心内外温差、减轻带材表面氧化三方面来控制非晶铁心铁损工艺系数控制在1.2～1.4之间、激磁功率工艺系数控制在1.3～1.7之间。

本发明的铁心制造方法包括选取带材、带材剪切、铁心成型以及铁心退火工序。

在所述选取带材工序中，用于制造同一铁心的每层带材的叠片系数与所有带材叠片系数的平均值之间存在如下关系：所有带材叠片系数的平均值×85％≤每层带材的叠片系数≤所有带材叠片系数的平均值×115％(即构成同一铁心的所有带材的叠片系数的波动均在其平均值的±15％以内)；用于制造同一铁心的每个带材的铁损与所述带材铁损的平均值之间存在如下关系：所有带材铁损的平均值×85％≤每层带材的铁损≤所有带材铁损的平均值×115％(即构成同一铁心的所有带材的铁损的波动均在其平均值的±15％以内)；用于制造同一铁心的每个带材的激磁功率与所述带材激磁功率的平均值之间存在如下关系：所有带材激磁功率的平均值×85％≤每层带材的激磁功率≤所有带材激磁功率的平均值×115％(即构成同一铁心的所有带材的激磁功率的波动均在其平均值的±15％以内)；

本发明在选材工序中控制所用非晶带材的磁性能的一致性。试验表明，当制造铁心所需的15层带材的铁损和激磁功率波动在其平均值的±15％以下时，在本发明最佳退火工艺下铁心铁损的工艺系数可以控制在1.2～1.4之间，激磁功率的工艺系数可以控制在1.3～1.7之间，如图1所示。

具体地，为了保证所使用15层带材的磁性能一致性，一个较好的手段就是预先根据磁性能对铁基非晶带材进行分档，并且每只铁心只使用同一档次的带材生产，以减小每个铁心所用带材的磁性能波动范围。试验表明，如果同档中带材的磁性能波动范围大于±15％，则由该档带材制备的铁心的磁性能工艺系数将明显增大。如果将每一档带材的磁性能波动范围控制在±15％以内是较为合适的。更优选地，可将每一档带材的磁性能波动范围控制在±10％以内，即用于制造同一铁心的每层带材的叠片系数与所述带材叠片系数的平均值之间存在如下关系：所有带材叠片系数的平均值×90％≤每层带材的叠片系数≤所有带材叠片系数的平均值×110％(即构成同一铁心的所有带材的叠片系数的波动均在其平均值的±10％以内)；用于制造同一铁心的层带材的铁损与所述带材铁损的平均值之间存在如下关系：所有带材铁损的平均值×90％≤每个带材的铁损≤所有带材铁损的平均值×110％(即构成同一铁心的所有带材的铁损的波动均在其平均值的±10％以内)；用于制造同一铁心的每层带材的激磁功率与所述带材激磁功率的平均值之间存在如下关系：所有带材激磁功率的平均值×90％≤每层带材的激磁功率≤所有带材激磁功率的平均值×110％(即构成同一铁心的所有带材的激磁功率的波动均在其平均值的±10％以内)。当然，将每档带材的磁性能波动控制在更小范围内在技术上也是完全可行的，但过多过细的带材分档会在一定程度上增加非晶带材和铁心生产过程的管理成本。

在所述带材剪切工序中，将连续的非晶带材剪切成预先计算的长度。

在所述铁心成型工序中，将剪切后的非晶带材按照一定次序堆叠，随后将这些带材叠首尾搭接，形成矩形的、具有分布气隙的铁心。

在所述铁心退火工序中，将铁心加热到规定的退火温度后进行保温一定时间，然后冷却出炉；在铁心加热升温过程中，当退火炉中炉气温度高于250℃时，控制铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差小于50℃(比如温差为35℃、40℃、43℃、45℃、48℃)；

具体地，本发明在铁心退火过程中控制铁心内外温差。本发明通过试验发现，当铁心在退火过程中的内外温差大于50℃时，由于铁心内外材料的温度历程不一致，退火效果存在较大差异，铁心的整体磁性能将明显恶化，即工艺系数明显增大。而当铁心的内外温差小于50℃时，铁心磁性能的工艺系数将明显减小，在本发明最佳退火工艺下，铁心的内外温差小于50℃时，铁心的铁损工艺系数将小于1.4，激磁功率的工艺系数将小于1.7，如图2所示。

为了控制铁心退火过程中的温差，本发明将铁心内外温差与退火炉控制系统形成闭环控制，根据铁心内外温差适当调节加热功率。为了控制铁心内外温差，需要分别监测铁心表面和内部的温度。其可以通过以下控温系统来实现铁心内外温差的控制。所述控温系统包括：炉温传感器，设置于热处理炉内，以测量炉温；铁芯表面温度传感器，设置于铁心外表面，以测量铁心表面的温度；铁心中心位置温度传感器，设置于铁心横截面中间位置，用于测量铁心内的温度；温度控制器，分别与炉温传感器、铁芯表面温度传感器和铁心中心位置温度传感器连接，以根据设定的铁心内外温差和实际铁心内外温差来实时调整退火炉的加热功率(即调整退火炉的加热速率)或者停止退火炉的加热；当实际铁心内外温差等于或超过设定的铁心内外温差时，温度控制器将退火炉的加热功率下调至规定值或直接停止退火炉的加热

控制方法分为两种：

一种是采用较为缓慢的连续升温方式，即铁心表面温度和铁心内部温度均连续上升，而且二者的温差始终保持在50℃以下，如图3(a)所示；一旦二者温差高于45℃，则上述控温系统会适当降低退火炉加热功率，以减小温差。所述连续升温为非恒定速率升温，当铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差高于45℃时，所述退火炉的加热功率自动降低，从而降低升温速率以减少铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度的差值。整个升温过程中可能会通过多次降低退火炉的加热功率来控制铁心的内外温差小于50℃。由于铁心的规格不同，传热效率也存在差异，使得不同规格铁心的具体升温速率也各不相同，但一般升温速率控制在0.1～5℃/min之间。

另一种是采用比第一种方法更快的升温速率，但在铁心内外温差高于45℃时降低加热功率或停止加热，以保证铁心表面温度基本不再上升，形成保温平台，以等待铁心内部温度的升高，如图3b所示。待铁心内外温差小于30℃后再次加大退火炉的加热功率即加大升温速率，使铁心继续升温。具体地，所述铁心加热升温的方式为间歇式升温，在第一次升温的过程中，当铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差高于45℃时停止第一次升温并进行第一次保温，待铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差小于30℃后再进行第二次升温，当铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差又高于45℃时停止第二次升温并进行第二次保温，经过N次升温保温后将铁心的温度加热至规定的退火温度。

由于铁心尺寸的差异，平台数量即N和保持时间的设置也会有区别。铁心的叠厚越大，所需要的保温平台保持时间就越长。对于常用规格的配电变压器铁心，保温平台的保持时间最短为20分钟，最长不超过120分钟。保温平台可以设置一个或多个，尤其对于大尺寸的铁心，设置多个平台更加有利于保持较小的铁心内外温差，N的取值范围为2～10。

虽然采用缓慢的连续升温或升温过程中设置保温平台可以减小铁心内外温差，但同时也延长了退火时间。因此，为了保证生产效率，铁心的退火过程并非越慢越好，而是要在保证铁心内外温差小于50℃的前提下尽快地升温。

在所述铁心退火工序中，所述规定的退火温度为300-400℃(比如305℃、320℃、340℃、350℃、370℃、380℃、390℃)，保温时间为0.5-5h(比如0.7h、1h、1.5h、2h、3h、4h、4.5h)。

所述铁心退火为纵向磁场退火。对铁心施加纵向磁场的方式为将一根载流铜排从铁心窗口内部穿过，铜排所通电流为800～2000A(810A、850A、950A、1100A、1300A、1500A、1600A、1700A、1800A、1900A、1950A)。

在所述铁心退火工序中，在所述铁心的整个退火过程中，控制退火炉内气氛的绝对湿度小于15g/m³(比如2g/m³、4g/m³、6g/m³、8g/m³、9g/m³、12g/m³、14g/m³)。

发明人发现，铁心的磁性能工艺系数与铁心退火后的表面氧化程度有关。铁心由铁基非晶带材堆叠而成，而非晶带材厚度仅为约0.025mm，铁心的叠厚达数十毫米甚至一百多毫米，因此每只铁心需要由上千层非晶带材堆叠，铁心所用带材的总表面积很大。例如，容量为200kVA配电变压器用的一只非晶铁心，质量为45kg，铁心尺寸为：内窗口63×165mm、叠厚75mm，用100组非晶带材堆叠而成，每组15层非晶带材，故铁心所用非晶带材的总层数为1500层。根据铁心尺寸，可以计算得到铁心所用非晶带材的总表面积约为297m³。

由于铁心中的每层非晶带材之间总存在一部分空气，或者说非晶带材表面的很大一部分与炉气接触，因此每层带材的表面都存在氧化的可能性。本发明通过试验发现，铁心磁性能的恶化与铁心退火时的炉气的绝对湿度(含水量)密切相关，在本发明最佳退火工艺和选材条件下，炉气中的绝对湿度控制在15g/m³以下，铁心的铁损工艺系数降低到1.2～1.4，激磁功率工艺系数降低到1.3～1.7，如图4所示。这说明，铁心的表面氧化主要由炉气中的水分引起，只要设法将炉气中的绝对湿度控制在15g/m³以下，即可有效减轻铁心内部带材的表面氧化，从而减轻铁心磁性能恶化，即降低铁心的磁性能工艺系数。优选地，在对所述铁心加热升温之前向所述退火炉中预通干燥气体直到退火炉内的绝对湿度小于15g/m³，预通流量为10-100m³/h；在对所述铁心加热后将干燥气体的流量调整为2-50m³/h。炉气中的绝对湿度优选控制在10g/m³以下。

为了降低退火炉中炉气的绝对湿度，可在铁心退火过程中向退火炉内持续通入干燥气体，例如氮气、氩气、干燥空气或其它气体。

如果采用氮气，可采用瓶装氮气或用制氮机产生；如果采用氩气，可使用瓶装氩气；如果采用干燥空气，可以使用空气干燥机将空气中的水分排除。

为了较快地使得炉内气氛的绝对湿度降低到15g/m³以下，可使用露点低于-20℃的干燥气体。由于铁心装炉后炉内气氛与环境大气相同，开始向炉内通入干燥气体后，干燥气体与炉内原有气氛混合并逐渐排出。因此炉内气氛的替换是比较缓慢的。为了更快地降低炉气的湿度，所通入干燥气体的露点越低，与原有炉气混合后的湿度就越低，因此就越容易达到绝对湿度降低到15g/m³以下的要求。当然，使用更低露点的干燥气体更有利于较快地降低炉气湿度，但是对所用气体的质量要求会更高，增加了生产成本。

为了保证在较短时间内有效降低炉气湿度，可在退火炉升温前将干燥气体的预通流量控制在10～100m³/h(比如20m³/h、30m³/h、40m³/h、50m³/h、70m³/h、80m³/h、95m³/h)。如果干燥气体流量太小，则会明显延长炉气绝对湿度达到15g/m³以下所需时间，降低生产效率；反之。如果流量大于100m³/h，虽然能够进一步缩短预通气时间，但是气体消耗量将明显增大，会增加气体消耗成本或提高气体干燥设备成本。待炉气湿度达到15g/m³以下并开始升温后，干燥气体的流量可直接或逐步降低到2～50m³/h(比如5m³/h、10m³/h、20m³/h、30m³/h、40m³/h、45m³/h)。对于不同的退火炉，由于其容积、保温材料和密封性的不同，所要求的干燥气体流量和所需时间均存在一定差异。一般说来，适当调整干燥气体预通流量，将炉气绝对湿度达到15g/m³以下所需时间控制在10～60分钟是比较适宜的。

在所述铁心退火工序中，所述冷却出炉是指以1～10℃/min(比如2℃/min、4℃/min、6℃/min、8℃/min)冷却速率冷却至200℃以下出炉。

更具体地，铁心的退火工序为：

(1)将成型铁心装入退火炉内，并连接磁场用铜排；

(2)关闭炉门；

(3)向炉内预通干燥气体，流量为10～100m³/h；直到炉内气氛的绝对湿度达到15g/m³以下；

(4)按照规定的程序开始升温，同时适当减小干燥气体流量，流量为2～50m³/h，并接通磁场电源；

(5)升温至退火温度后将铁心保温规定时间；

(6)打开炉门，向炉内鼓风以使铁心强制快速冷却；

(7)当铁心温度降低到200℃以下时断开磁场电源并出炉。

通过上述制造方法得到的铁心的性能如下：铁心的铁损与该铁心所用铁基非晶合金带材铁损的比值(即铁损工艺系数)为1.2～1.4，铁心的激磁功率与其所用铁基非晶合金带材激磁功率的比值(即激磁功率工艺系数)为1.3～1.7。铁心在频率50Hz、磁感峰值1.35T条件下的铁损在0.15W/kg以下，激磁功率在0.35VA/kg以下。

本发明方法获得的铁心可用于配电变压器。采用本发明铁心制造的配电变压器的结构与现有配电变压器相同。

下面通过7个实施例和4个对比例对本发明的方法及得到的铁心性能进行说明。

实施例和比较例均使用宽度为170mm铁基非晶合金带材，其标称成分为Fe₇₈Si₉B₁₃(下标为相应元素的原子百分比)。用爱泼斯坦方圈测量得到的不同批次带材样品的磁性能范围(频率50Hz、磁感峰值1.35T条件下)分别为：铁损P＝0.082～0.115W/kg，激磁功率Pe＝0.210～0.366VA/kg。

将上述带材分别按照不同磁性能范围组合获得不同范围的铁损和激磁功率波动值配合，各实施例和对比例采用的非晶带材的铁损和激磁功率情况参见表1，各实施例和对比例采用的非晶带材的叠片系数的波动范围均在±10％，然后通过剪切、成型等工序制成配电变压器铁心。铁心的标称规格为：内窗口高度185mm，内窗口宽度130mm，叠厚87mm，质量85kg。

然后对铁心进行纵向磁场退火。根据本发明，不同炉次退火时的升温制度分别采用缓慢连续升温和设置两个保温平台两种方式，以得到不同的铁心内外温差值。另外，不同炉次即不同实施例和对比例分别使用不同的保护气体和流量，具体参见表1。

铁心退火后，去除固定铁心的夹板，并进行适当的松散处理，然后用程控电参数测试仪测量每只铁心在频率50Hz、磁感峰值1.35T条件下的铁损和激磁功率，并计算铁心的铁损和激磁功率与所用带材相应指标平均值的比值(即得到工艺系数)。铁心的各种参数如表1所示。

从表1看出，本发明在采取包括将15层带材的铁损和激磁功率波动在其平均值的±15％以下、使铁心在退火过程中的内外温差小于50℃、将铁心退火过程中炉内气氛的绝对湿度降低到15g/m³以下等措施的技术方案之后，铁心的磁性能工艺系数得到了显著降低，其中铁心的铁损工艺系数降低到1.2～1.4，激磁功率工艺系数降低到1.3～1.7，并且铁心在频率50Hz、磁感峰值1.35T条件下的铁损在0.15W/kg以下，激磁功率在0.35VA/kg以下。

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，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

1.一种配电变压器用铁基非晶合金铁心的制造方法，其特征在于，包括选取带材、带材剪切、铁心成型以及铁心退火工序，其中：

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述选取带材步骤中，用于制造同一铁心的每层带材的叠片系数与所有带材叠片系数的平均值之间存在如下关系：所有带材叠片系数的平均值×90％≤每层带材的叠片系数≤所有带材叠片系数的平均值×110％；用于制造同一铁心的每个带材的铁损与所有带材铁损的平均值之间存在如下关系：所有带材铁损的平均值×90％≤每层带材的铁损≤所有带材铁损的平均值×110％；用于制造同一铁心的每个带材的激磁功率与所有带材激磁功率的平均值之间存在如下关系：所有带材激磁功率的平均值×90％≤每层带材的激磁功率≤所有带材激磁功率的平均值×110％。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述规定的退火温度为300-400℃，保温时间为0.5-5h。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述铁心退火工序中，所述铁心加热升温的方式为连续升温，所述连续升温为非恒定速率升温，当铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差高于45℃时，所述退火炉的加热功率自动降低，从而降低升温速率以减少铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度的差值；优选地，所述连续升温的速度控制在0.1～5℃/min。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述铁心退火工序中，所述铁心加热升温的方式为间歇式升温，在第一次升温的过程中，当铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差高于45℃时停止第一次升温并进行第一次保温，待铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差小于30℃后再进行第二次升温，当铁心横截面中间位置的温度与铁心表面温度之差高于45℃时停止第二次升温并进行第二次保温，经过N次升温保温后将铁心的温度加热至规定的退火温度；优选地，所述第N次升温后的保温时间为20-120min；N的取值范围为2～10。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述铁心退火工序中，通过向所述退火炉内通入干燥气体或将炉内气体循环干燥来控制退火炉内的绝对湿度小于15g/m³；优选地，在对所述铁心加热升温之前向所述退火炉中预通干燥气体直到退火炉内的绝对湿度小于15g/m³，预通流量为10-100m³/h；在对所述铁心加热后干燥气体的流量为2-50m³/h；所述绝对湿度优选小于15g/m³。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述干燥气体为干燥空气。

8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述铁心退火工序中，所述冷却出炉是指以1～10℃/min的冷却速率冷却至200℃以下出炉。

9.一种由权利要求1-8所述任一制造方法制造的配电变压器用铁基非晶合金铁心，所述铁心的铁损工艺系数为1.2～1.4，激磁功率工艺系数为1.3～1.7，并且所述铁心在频率50Hz、磁感峰值1.35T条件下的铁损在0.15W/kg以下，激磁功率在0.35VA/kg以下。

10.一种配电变压器，包含权利要求9所述的配电变压器用铁基非晶合金铁心。