CN108109803A - 配电用非晶变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了配电用非晶变压器，包括绕组和铁芯，所述铁芯由铁基非晶合金带材制备而成，所述铁基非晶合金带材由以下组分按照配比依次经配料、冶炼、精炼和单辊快淬得到；其中，80.0≤a≤84.0，2.0≤b≤8.0，11.0≤c≤16.0，d≤0.3；所述铁芯的磁场热处理的温度为320～370℃，保温时间为60～140min，磁场强度为800～1500A/m。本申请提供的变压器配电用非晶变压器的非晶合金带材通过调整Fe、Si和B的含量，使铁基非晶合金带具有较好的软磁性能，同时通过调整铁芯的磁场热处理的参数，可降低变压器的噪音与空载损耗；FeaSibBcMd (Ⅰ)。

Description

配电用非晶变压器
技术领域
本发明涉及软磁材料技术领域，尤其涉及一种配电用非晶变压器。
背景技术
非晶合金变压器(amorphous alloy transformer)是二十世纪七十年代开发研制的一种节能型变压器。非晶合金变压器产品对于安全性、可靠性的要求特别高，具有典型的技术密集型特点。世界上最早研发非晶合金变压器的国家是美国，当时由美国通用电气(GE)公司承担了非晶合金变压器的研制项目，到上世纪八十年代末实现了商品化生产。由于使用了一种新的软磁材料-非晶合金，非晶合金变压器的性能超越了各类硅钢变压器。非晶合金变压器兼具了节能性和经济性，其显著特点是空载损耗很低，符合国家产业政策和电网节能降耗的要求，是节能效果最为先进，使用成本也较为经济的配电变压器产品。
目前，国内外在非晶变压器的制备过程中，普遍使用的均为饱和磁感应强度为1.56T左右的铁基非晶带材，与硅钢接近2.0T的饱和磁感应强度相比，铁基非晶在制备变压器时存在着体积增大的缺点。为了增强铁基非晶材料在变压器行业的竞争力，需开发饱和磁感应强度大于1.6T的铁基非晶材料。
另一方面，在非晶铁芯的制备过程中，需要将带材卷曲成一定形状，在卷曲过程中必然会产生应力，所以需进行热处理。对于软磁材料而言，要想获得优异的软磁性能需要在退火过程中加上磁场，即对产品进行磁场热处理。热处理过程中，保温时间及保温温度对带材的性能及脆性有较大的影响，所以要开发具有低热处理温度、低损耗的非晶带材，来满足非晶铁芯及非晶变压器的使用要求。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种配电用非晶变压器，该配电用非晶变压器采用的铁基非晶合金带材具有较好的软磁性能，同时变压器具有较低的噪音与空载损耗。
有鉴于此，本申请提供了一种配电用非晶变压器，包括绕组和铁芯，所述铁芯由铁基非晶合金带材制备而成，所述铁基非晶合金带材由以下组分按照配比依次经配料、冶炼、精炼和单辊快淬得到，所述铁芯由所述铁基非晶合金带材经切割、成型与磁场热处理制备得到；
FeaSibBcMd(Ⅰ)；
其中，a、b、c和d分别表示对应组分的原子百子含量；80.0≤a≤84.0，2.0≤b≤8.0，11.0≤c≤16.0，d≤0.3，a+b+c+d＝100；
M为微量元素，选自C、Mn、P、Cu、Cr和Mo中的一种或多种；
所述磁场热处理的温度为320～370℃，保温时间为60～140min，磁场强度为800～1500A/m。
优选的，所述铁基非晶带材的Fe的原子百分含量为83.0～84.0。
优选的，所述铁基非晶带材的Si的原子百分含量为2.5～5.5。
优选的，所述铁基非晶带材的B的原子百分含量为14.0～16.0。
优选的，所述铁基非晶带材的Fe的原子百分含量为83.5，所述铁基非晶带材的Si的原子百分含量为2.0～5.0，所述铁基非晶带材的B的原子百分含量为11.5～14.5。
优选的，所述磁场热处理的温度为330～350℃，保温时间为80～120min。
优选的，所述铁基非晶带材的临界厚度至少为45μm，对折180°不断，厚度为23～32μm，宽度为100～300mm；饱和磁感应强度≥1.62T，矫顽力≤4A/m。
优选的，在磁密1.35T，50Hz条件下，所述配电用非晶变压器铁芯的损耗≤0.20W/kg，激磁功率≤0.35VA/kg。
本申请提供了一种配电用非晶变压器，其包括铁芯与绕组，其中铁芯由铁基非晶合金带材制备而成，所述铁基非晶合金带材由Fe、Si、B按照配比依次经过配料、冶炼、精炼、单辊快淬得到，其中所述铁芯的磁场热处理的温度为320～370℃，保温时间为60～140min，磁场强度为800～1500A/m。本申请提供的配电用非晶变压器的基础原料铁基非晶带材由于Si的含量较低，使得到的非晶合金带材的韧性较好，将其作为变压器的铁芯降低了变压器的噪音；同时，Si、Fe、B元素的添加以及含量的调整，提高了非晶合金带材的软磁性能，同时本申请微量元素的添加，也有利于非晶合金带材磁性能的提高；进一步的，本申请的铁芯通过在磁场热处理过程中选择适当的热处理温度、保温时间与磁场强度，使铁芯用于配电用非晶变压器有利于降低变压器的空载损耗。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
变压器中的铁芯是由非晶铁基合金带材卷曲而成的，针对现有技术中非晶铁基合金带材软磁性能不优良的问题，本申请提供了一种配电用非晶变压器，该变压器中的关键配件铁芯由非晶铁基带材制作得到，该铁基非晶合金带材通过调整Fe、Si和B的含量，提高了非晶合金带材的软磁性能，同时在试验中发现，通过调整磁场热处理的相关参数，可使铁芯用于变压器可降低变压器的噪音与空载损耗。具体的，本申请提供了一种配电用非晶变压器，包括绕组和铁芯，其特征在于，所述铁芯由铁基非晶合金带材制备而成，所述铁基非晶合金带材由以下组分按照配比依次经配料、冶炼、精炼和单辊快淬得到，所述铁芯由所述铁基非晶合金带材经切割、成型与磁场热处理制备得到；
FeaSibBcMd(Ⅰ)；
其中，a、b、c和d分别表示对应组分的原子百子含量；80.0≤a≤84.0，2.0≤b≤8.0，11.0≤c≤16.0，d≤0.3，a+b+c+d＝100；
M为微量元素，选自C、Mn、P、Cu、Cr和Mo中的一种或多种；
所述磁场热处理的温度为320～370℃，保温时间为60～140min，磁场强度为800～1500A/m。
具体的，在上述铁基非晶带材中，所述Fe元素为铁磁性元素，为铁基非晶合金带材磁性的主要来源，高的Fe含量是带材具有高饱和磁感应强度值的重要保障；但过高的Fe元素会导致合金的非晶形成能力下降，使工业生产难以实现。本申请中Fe的原子百分含量为80.0≤a≤84.0，在具体实施例中，所述Fe的原子百分含量为80.5～84.0，更具体的，所述Fe的原子百分含量为80.5、81、82、82.5、83、83.5或84。
Si和B元素为非晶形成元素，是合金系统在工业生产条件下能形成非晶的必要条件。Si元素的原子百分含量为2.0～8.0，过低会导致非晶形成能力下降，且影响带材的磁性能，过高会偏离共晶点同样会降低非晶形成能力；在具体实施例中，Si的含量为2.5～5.5，具体的，所述Si的含量为2.5、3.5、4.0、4.5或5.5；本申请中Si的含量较低，可进一步降低非晶铁基合金的韧性。B元素的范围为11.0～16.0，小于11时，合金非晶形成能力偏低，大于16时，偏离共晶点，合金非晶形成能力降低；在具体实施例中，所述B的含量为14.0～16.0。
除以上Fe、Si、B元素外，本申请中的合金系中还可以包括微量元素M，选自C、Mn、P、Cu、Cr和Mo中的一种或多种。微量元素一方面可以提高合金系统的复杂性，提升钢水的流动性改善制带工艺，另一方面可增加合金的电阻率，进而改善带材的磁性能；但其含量应控制在0.3以下，含量过高会使带材的饱和磁感应强度很快下降。在具体实施例中，所述微量元素可以选自Mo和P，也可以选自C和P，也可以选自Cr或Mo，还可选自Mn和Cu。
在本申请的实施例中公开了一种铁芯的组成，其具体为：Fe的原子百分含量为83.5％，Si的原子百分含量为2.0～5.0，B的原子百分含量为11.5～14.5。
本申请所述铁基非晶合金带材由上述Fe、Si与B通过优选的配方比例依次经过配料、冶炼、精炼、单辊快淬得到，其中配料、冶炼、精炼、单辊快淬的具体流程按照本领域技术人员熟知的流程进行即可，对此本申请没有特别的限制；但是对于本申请上述特定成分的非晶合金而言，还是有区别的，例如：所述熔炼的温度为1350～1550℃，时间为90～140min；熔炼后升温保温镇定，所述升温的温度为1350～1470℃，精炼的时间为60～100min；精炼结束后进行30～60min的镇静进行单辊快淬，即得到非晶合金带材。此时的非晶合金带材未完全非晶状态，其临界厚度至少为45μm，且任性较好，对折180°不断，带材的厚度为23～32μm，宽度为100～300mm；饱和磁感应强度≥1.62T，矫顽力≤4A/m。
对于非晶带材而言，带厚是影响其铁芯损耗的重要参数之一，这也是非晶带材之所以在空载损耗方面优于硅钢片的主要因素。软磁材料的铁芯损耗主要包含三个部分：磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗。而厚度的大小直接影响涡流损耗的大小。对于磁性材料而言，在磁畴壁处，会出现涡电流，涡电流的流动，在每个瞬间都会产生与外磁场产生的磁通方向相反的磁通，越到材料内部，这种反向的作用就越强，致使磁感应强度和磁场强度沿样品截面严重不均匀。等效来看，好像材料内部的磁感应强度被排斥到材料表面，这种现象叫趋肤效应，这就是软磁材料要制成薄带的原因-减少涡流的作用。但是对于非晶带材并不是越薄越好，带材越薄在后续铁芯的剪切加工过程中会增加刀具的磨损，增加带材组数，进而提高铁芯的成本。综合考虑以上两个方面，选择非晶带材的合适厚度为23-32μm。
上述非晶合金带材经过切割、成型、磁场热处理，即得到非晶合金铁芯。所述磁场热处理的磁场强度为800～1500A/m，温度为320～370℃，时间为60～140min；上述磁场热处理的温度是指铁芯芯部的温度。在具体实施例中，所述磁场热处理的温度具体为：320℃、330℃、340℃、350℃、360℃或370℃；所述磁场热处理的保温时间具体为60min、80min、100min、120min或140min。
配电用非晶变压器在制备过程中，需要将非晶带材制作成卷铁芯，如果将材料弯曲，则产生应力，该应力会导致磁性能恶化，所以需要将铁芯在磁场中实施退火处理，以释放应力来改善特性。对于铁芯而言，其热处理工艺主要包含三个参数：保温温度、保温时间、磁场强度。首先对于保温温度必须低于晶化温度，一旦高于晶化温度，非晶带材会发生晶化，磁性能急剧恶化，本发明所述合金其晶化温度均小于500℃，在低于晶化温度的前提下，合适的保温温度区间是非晶带材获得优良磁性能的保障，实验结果表明，带材的铁芯损耗、激磁功率与保温温度的关系是随着保温温度的提高，此两项参数有先降低后增大的趋势，即对于本发明而言，当保温温度小于320℃或大于370℃时，都会出现性能恶化的现象，在320～370℃之间能获得合格的磁性能。对于保温时间，其原理与保温温度相似，有一合适的时间区间，保温时间过短或过长，均不能使本发明达到最优的性能。最后，合适的磁场强度是材料磁化的必要保证。对非晶材料进行磁场退火的主要原因是固定方向、固定强度的磁场促使材料的磁畴偏转向磁场方向，降低材料的磁各向异性，优化软磁性能。对于本发明而言，当磁场强度小于800A/m时，材料磁化过程不完全，无法达到最佳的效果，当磁场强度＞1500A/m时，材料磁化完全，磁性能不会因磁场强度的增大而优化，反而会增加热处理过程的难度及成本。本申请热处理后的非晶合金铁芯的饱和磁感应强度＞1.62T，在磁密1.35T，50Hz条件下，铁芯损耗≤0.20W/kg，激磁功率≤0.35VA/kg。
将上述非晶合金铁芯组装成变压器，对于K200KVA变压器，此种非晶配电变压器的噪音为40～43db，空载损耗为85～90W，较常规非晶配电变压器低3～5db，空载损耗降低5％～10％。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铁基非晶合金进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
本发明按FeaSibBcMd的合金组成进行配料，使用中频冶炼炉将金属原材料按一定的冶炼工艺进行熔炼，所述熔炼的温度为1350～1550℃，时间为90～140min；检验成分合格后，将熔炼后的钢液出钢至中频底铸炉中进行升温保温镇定，升温的温度优选为1350～1470℃，熔炼时间为60～100min；熔炼结束进行30～60min的镇静后然后采用单辊快淬制备出宽度为142mm，厚度为23～28μm的铁基非晶宽带。采用此种合金及工艺制备出的铁基非晶带材是完全非晶态，韧性优良，可对折180°不断。采用振动样品磁强计测试非晶带材的磁感音强度Bs、B80，数据结果如表1所示。
使用由上述方法制备出的铁基非晶带材，制作用于组装非晶变压器的非晶铁芯；制备出的铁芯需经过热处理后才能获得优良的磁性能，并去除铁芯本身的内应力。铁芯的热处理是在一定的磁场强度下进行，所需的磁场强度在800～1500A/M；在热处理过程中，主要控制铁芯芯部的温度，对于本发明而言，铁芯芯部的温度应控制在320～370℃。另外，还要控制保温时间，对于本发明保温时间在60～140min；磁场热处理的全程在氩气气氛条件下进行。热处理后，测试非晶铁芯在50Hz，1.35T及1.4T条件的铁芯损耗及激磁功率。表1中列举了本发明例与对比例的合金成分、Bs、B80、激磁功率(Pe)、铁芯损耗(P)。其中实施例1～15为本发明例。
表1实施例与对比例制备的非晶铁芯的成分与性能数据表
从以上实施例可以看出，本发明实施例的合金成分均能获得较好的饱和磁感应强度，Bs不小于1.63T，B80不小于1.60T；超过目前电力变压器常规使用的饱和磁感应强度为1.56T的常规铁基非晶材料(对比例1)。饱和磁感应强度的提高可进一步优化变压器铁芯的设计，并且能降低变压器的体积，减少成本。
由表1中铁芯的性能可以看出，符合本发明的合金成分在1.35T/50Hz条件下，和使用普通磁密带材(对比例1)中得到的磁性能基本一致，热处理后铁芯的激磁功率≤0.300VA/kg、铁芯损耗≤0.1800W/g能满足变压器的使用。另外，从1.4T/50Hz的数据上看，本发明非晶合金的性能明显优于对比例，主要是因为其饱和磁密升高，使铁芯能在更高的磁密获得更低的性能。对于本发明，热处理后的铁芯的激磁功率≤0.3500VA/kg、铁芯损耗≤0.200W/g；基于优良的磁性能，在优化变压器设计时，能得到优良性能的变压器。
表2是在不同退火温度下，本发明实施例与对比例的激磁功率数据表。表3是在不同退火温度下，本发明实施例与对比例的铁芯损耗数据表，保温时间为120min，测试条件为1.35T，50Hz。
表2本发明实施例与对比例热处理后的铁芯的激磁功率数据表
(VA/kg)
表3本发明实施例与对比例的热处理后的铁芯损耗数据表(W/kg)
从表2及表3中可以看出，在320-370℃范围内，本发明例的铁芯性能均能达到小于0.20W/kg及小于0.35VA/kg的要求；并且其热处理温度要比常规材料(对比例)的最佳热处理温度低20～50℃。
表4是在不同退火时间下，本发明实施例的激磁功率及铁芯损耗数据表，表中的铁芯的保温温度均为340℃。
表4本发明实施例铁芯不同退火时间下的激磁功率与铁芯损耗数据表
从表中可以看出，热处理过程中，铁芯的保温时间在60～140min，本发明实施例均可以获得小于0.20W/kg及0.35VA/kg的性能。
将热处理后的铁芯装配成变压器，测试非晶变压器的噪音及空载损耗，具体数据见表5，表中每种合金对应变压器的容量均为200KVA。
表5由实施例与对比例制备的铁芯装配的变压器的噪音与空载
损耗数据表
表5中，铁芯的热处理是在一定的磁场强度下进行，所需的磁场强度在800～1500A/M；铁芯芯部的温度应控制在320～370℃，保温时间在60～140min；磁场热处理的全程在氩气气氛条件下进行。从表中数据可以看出，使用本发明合金制作的非晶变压器均可以达到电网标准的要求；与现用低磁密的带材制作的变压器相比(对比例1)，空载损耗低5％～10％，噪音低3～5db。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种配电用非晶变压器，包括绕组和铁芯，其特征在于，所述铁芯由铁基非晶合金带材制备而成，所述铁基非晶合金带材由以下组分按照配比依次经配料、冶炼、精炼和单辊快淬得到，所述铁芯由所述铁基非晶合金带材经切割、成型与磁场热处理制备得到；
FeaSibBcMd (Ⅰ)；
其中，a、b、c和d分别表示对应组分的原子百子含量；80.0≤a≤84.0，2.0≤b≤8.0，11.0≤c≤16.0，d≤0.3，a+b+c+d＝100；
M为微量元素，选自C、Mn、P、Cu、Cr和Mo中的一种或多种；
所述磁场热处理的温度为320～370℃，保温时间为60～140min，磁场强度为800～1500A/m。
2.根据权利要求1所述的配电用非晶变压器，其特征在于，所述铁基非晶带材的Fe的原子百分含量为83.0～84.0。
3.根据权利要求1所述的配电用非晶变压器，其特征在于，所述铁基非晶带材的Si的原子百分含量为2.5～5.5。
4.根据权利要求1所述的配电用非晶变压器，其特征在于，所述铁基非晶带材的B的原子百分含量为14.0～16.0。
5.根据权利要求1所述的配电用非晶变压器，其特征在于，所述铁基非晶带材的Fe的原子百分含量为83.5，所述铁基非晶带材的Si的原子百分含量为2.0～5.0，所述铁基非晶带材的B的原子百分含量为11.5～14.5。
6.根据权利要求1所述的配电用非晶变压器，其特征在于，所述磁场热处理的温度为330～350℃，保温时间为80～120min。
7.根据权利要求1～6任一项所述的配电用非晶变压器，其特征在于，所述铁基非晶带材的临界厚度至少为45μm，对折180°不断，厚度为23～32μm，宽度为100～300mm；饱和磁感应强度≥1.62T，矫顽力≤4A/m。
8.根据权利要求1～6任一项所述的配电用非晶变压器，其特征在于，在磁密1.35T，50Hz条件下，所述配电用非晶变压器铁芯的损耗≤0.20W/kg，激磁功率≤0.35VA/kg。
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