國(guó)產(chǎn)非晶合金帶材線切割鐵芯的結(jié)構(gòu)及磁性能

1鐵芯疊加加工技術(shù)為了解決農(nóng)業(yè)和農(nóng)村地區(qū)居民的生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能耗問(wèn)題，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議提出了在“25”期間實(shí)施中國(guó)新農(nóng)村電網(wǎng)改造和現(xiàn)代化項(xiàng)目的建議。改造資金的2.3用于購(gòu)買變電裝置。因此，節(jié)能環(huán)保的非晶晶合金電源在農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中得到了極大的開(kāi)發(fā)。我國(guó)的非晶變壓器及鐵芯制造技術(shù)發(fā)展速度緩慢,主要原因在于我國(guó)制造非晶合金變壓器鐵芯的帶材完全依賴進(jìn)口,非晶鐵芯的加工成型技術(shù)由國(guó)外壟斷,存在著制造周期長(zhǎng)、成本價(jià)格相對(duì)較高的問(wèn)題。本文設(shè)想用寬度低的國(guó)產(chǎn)非晶合金帶材通過(guò)特定的方法制成疊片系數(shù)較高的鐵芯后,沿著帶材寬度方向疊加成為高度合適的鐵芯,研究疊加前后鐵芯在工頻下的磁性能。期望通過(guò)國(guó)產(chǎn)非晶合金帶材制造出綜合性能達(dá)到國(guó)際水平的非晶合金配電變壓器,解決對(duì)國(guó)外非晶帶材的依賴性,緩解對(duì)高性能非晶帶材的需求,為國(guó)產(chǎn)非晶合金變壓器的發(fā)展提供有力的支持。2環(huán)型鐵芯的制作采用單輥快淬法制備的Fe78Si9B13非晶合金帶材(化學(xué)成分見(jiàn)表1),寬度為(50±0.2)mm,厚(27±0.2)μm,表面光潔。先用繞帶機(jī)將非晶合金帶材繞制成外徑180mm,內(nèi)徑130mm的環(huán)型鐵芯,然后將其放入特制的模具中,壓成矩形鐵芯,再將矩形鐵芯在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下進(jìn)行加縱向磁場(chǎng)熱處理,熱處理溫度380℃,保溫90min,磁場(chǎng)大小為800A/m,熱處理后在鐵芯側(cè)面用環(huán)氧膠進(jìn)行封裝固定,最后將鐵芯進(jìn)行“V”字型線切割。單個(gè)鐵芯制作工藝流程如圖1所示。采用APD10型X射線衍射儀(CuKα輻射,波長(zhǎng)λ=0.154nm,電壓35kV)對(duì)切割前后非晶合金鐵芯切縫處進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析,VHX-1003D高景深顯微鏡進(jìn)行了表面形貌分析,MATS-2010M測(cè)試裝置測(cè)量鐵芯的軟磁性能。3結(jié)果與分析3.1鐵芯切縫的非晶氧化硅圖2是切割前后非晶合金鐵芯切縫處的XRD圖譜,譜1為切割前,譜2為切割后。從譜1可看出約在2θ=45°處具有漫散衍射峰,說(shuō)明切割前鐵芯中合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu),譜2在2θ=45°處出現(xiàn)明顯的尖銳衍射峰,說(shuō)明線切割后非晶合金鐵芯切縫處有非晶態(tài)物相向晶態(tài)轉(zhuǎn)變,同時(shí)約在2θ=20°處多了一個(gè)漫散衍射峰,這可能是線切割造成Fe78Si9B13非晶合金中的Si形成了非晶氧化硅。3.2環(huán)型鐵芯的制備工藝圖3為非晶合金鐵芯側(cè)面顯微形貌。從圖3可知鐵芯中帶材的厚度大約在27μm,由于帶材表面存在厚度偏差,帶材與帶材之間的間隙在3~8μm之間,鐵芯疊片填充系數(shù)在0.85左右,因此環(huán)型鐵芯經(jīng)模具壓制成矩形的制備工藝可減少帶材之間的間隙,使鐵芯具備較高的疊片填充系數(shù)。3.3鐵芯的磁導(dǎo)率分析圖4為非晶合金鐵芯線切割前后的動(dòng)態(tài)磁滯回線。由圖4可見(jiàn),非晶合金鐵芯切割后難以飽和,切割前、后Bm達(dá)到1.5T,所需磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm分別約為100、600A/m,主要是由于切割后切縫處由于存在氣隙及晶態(tài)層使得磁阻增大,造成鐵芯的磁導(dǎo)率下降,磁化困難。同時(shí)由于氣隙的去磁作用,鐵芯的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br大大降低,由切割前的Br=1.2T降低到切割后的0.1T,但飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs幾乎不變,是因?yàn)榇判圆牧系慕M成成分對(duì)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度起主導(dǎo)作用(除非結(jié)構(gòu)有較大改變)。圖5、6分別示出了封裝態(tài)、切割態(tài)鐵芯的磁化曲線,圖7、8分別示出了封裝態(tài)、切割態(tài)鐵芯的磁導(dǎo)率曲線。由圖5、6可以看出,封裝態(tài)、切割態(tài)4個(gè)鐵芯疊加的磁化曲線都介于4個(gè)單個(gè)的鐵芯磁化曲線之間,磁導(dǎo)率曲線亦是如此,這說(shuō)明通過(guò)寬度低的鐵芯沿著帶材寬度方向疊加成為高度合適的鐵芯是可行的,這主要是由于4個(gè)鐵芯疊加前后,鐵芯內(nèi)部的磁力線方向沒(méi)有發(fā)生改變,而是磁力線的簡(jiǎn)單相互疊加,使得在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下,鐵芯疊加后的Bm、μa值均位于疊加前鐵芯的之間。同時(shí),對(duì)于三相合金變壓器鐵芯的工作磁通密度Bm值一般取1.3T左右,此時(shí)對(duì)于封裝態(tài)、切割態(tài)鐵芯的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為30、400A/m,這樣鐵芯切割后造成變壓器的空載電流增大,這就要求變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程中要合理地選擇工作磁通密度。圖9、10分別示出了封裝態(tài)、切割態(tài)鐵芯的勵(lì)磁曲線。由圖9、10可以看出,封裝態(tài)時(shí),鐵芯在Bm值為1.3T時(shí)勵(lì)磁容量為0.25VA/kg,但切割態(tài)在Bm值為1.3T時(shí)勵(lì)磁容量達(dá)到了7VA/kg左右,相比封裝態(tài)增加了近30倍,主要是由于切割后氣隙的存在使得磁阻增大,鐵芯中內(nèi)應(yīng)力增大,切縫處存在晶態(tài)層使得磁化困難,在鐵芯感應(yīng)出相同的Bm值時(shí),切割態(tài)需要的勵(lì)磁容量比封裝態(tài)要增大。勵(lì)磁容量的增大勢(shì)必會(huì)造成鐵芯應(yīng)用于變壓器時(shí)的空載電流增大,當(dāng)空載電流超過(guò)額定電流的20%時(shí),變壓器就不能使用,因?yàn)樗臏厣龑⒊^(guò)允許值,工作時(shí)間稍長(zhǎng),嚴(yán)重的就會(huì)導(dǎo)致燒毀事故,因此切割態(tài)鐵芯在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)Bm值取值要比封裝態(tài)低。圖11、12為封裝態(tài)、切割態(tài)鐵芯的損耗曲線。從圖11、12可以看出,在B≤1.35T時(shí),損耗值Ps隨著B(niǎo)m值的增大幾乎成正比關(guān)系,但當(dāng)B>1.35T時(shí),Ps大幅度增加,尤其在Bm為1.5T以后,由于鐵芯磁感應(yīng)已經(jīng)飽和,鐵芯會(huì)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的發(fā)熱,損耗值快速上升,因此對(duì)于國(guó)產(chǎn)非晶合金帶材在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)磁通密度不宜選得過(guò)高。在Bm=1.3T,f=50Hz時(shí),封裝態(tài)、切割態(tài)的損耗值Ps分別為0.16和0.30W/kg,主要是由于切割后鐵芯存在著一定的氣隙,工作時(shí)在氣隙處磁力線不再沿著帶材方向,有漏磁現(xiàn)象,同時(shí)有可能直接經(jīng)過(guò)短距離的D空間短路,在垂直于帶材方向產(chǎn)生交變磁通,從而產(chǎn)生側(cè)面渦流損耗(如圖13所示),使得切割態(tài)鐵芯的損耗增加,但可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣隙的大小和切割工藝來(lái)減少漏磁,減少鐵損值,使其滿足變壓器的要求。4切割前后鐵芯勵(lì)磁容量的測(cè)定,f(1)非晶合金鐵芯線切割后切縫處的非晶合金結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,由非晶態(tài)向晶態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。(2)切割后不改變鐵芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,但磁化困難,損耗值增加。在B=1.3T,f=50Hz時(shí),與切割前相比,鐵芯切割后的勵(lì)磁容量由0.32VA/