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      变压器铁心材料的发展
      (发布日期:2007-11-14  浏览次数:9008)

      变压器铁心材料的发展
      戴庆忠

      第一节 铁心用软磁材料

         铁心是电机、变压器的重要部件。电机、变压器铁心对材料的基本要求是,在一定频率及磁通密度下具有低的铁心损耗,和在一定磁场强度下具有高的磁通密度。在电机、变压器的发展过程中,曾经采用和目前应用的铁心材料有:1.纯铁、软钢和无硅钢;2.硅钢片;3.铁镍合金(坡莫合金);4.铁铝合金;5.非晶态合金;6.微晶合金。下面分别介绍这些材料的发展情况。

      纯铁、软钢及无硅钢

          最早的电机铁心是直棒形或马碲形的纯铁棒。1837年,斯特金(W.Sturgeon,1783~1850)首先用纯铁丝制作电机铁心。1870年,A.佩勒斯等人首先用软铁片制作铁心。1879年,爱迪生发明软钢片叠成的铁心。

          最早的变压器铁心(感应线圈铁心)是用铁棒做成的,后来又改用铁丝制作铁心。1885年,匈牙利岗茨工厂开始采用薄铁带作变压器铁心;1887年,岗茨工厂出现用软铁片叠成的变压器铁心。19世纪90年代及以后,用软铁片叠成的变压器铁心逐渐推广。同时一些工厂用软钢片取代软铁片,制成变压器铁心。

          但是,在19世纪末及20世纪初,用软铁或软钢制造的铁心存在三大问题。一是当时薄铁片(薄钢片)的价格昂贵,制约了它的推广;二是铁心损耗大,发热严重;三是“铁心老化”问题曾使许多人伤透脑筋,人们发现,电机、变压器运行一段时间后,铁心损耗迅速增加,发热更为严重,迫使人们有时不得不更换铁心或整台电机、变压器,这一问题给当时迅速发展的交流系统投下了巨大的阴影。针对“铁心老化”问题,许多人进行了大量的研究、试验工作,直到1895年才基本搞清了它的机理,知道影响铁心老化的主要因素是运行温度。

          总之,由于软铁或软钢具有导磁性高,矫顽力低、价格低廉、工艺性好等优点,因此在1900年硅钢片发明前及20世纪初一段时间里,电机、变压器铁心多是采用热轧低碳软钢片或电磁纯铁片冲制而成的。但是,软铁及软钢存在电阻率低、涡流损耗大,特别是“铁心老化”严重等先天不足,因此在硅钢片实现工业化生产后,逐渐退出了大部分电机及变压器铁心领域。

          尽管如此,人类仍孜孜不倦地对软铁、软钢进行改进。特别是希奥弗(Cioffi)和因森(Yensen)研究发现,纯铁在高温氢中进行除杂质处理后可以显著改善磁性能,使纯铁的u0达到20000,um达到340000。1940年后许多国家又推广真空冶炼法,改进轧制和热处理工艺、使软铁、软钢的性能有所改善,使它们在硅钢片风行全球的时候仍在某些小型电机变压器铁心中有所应用。特别是从50年代末期开始,情况开始发生变化。美、日、苏、英等从经济性和实际用途考虑,采用新的冶炼、轧制退火工艺,又开始大力发展冷轧无硅低碳电工钢片和电磁纯铁电工片。美国从50年代末期开始用无硅电工钢片取代一般的低硅钢片,用于生产日用电器、分马力电机和一部分小电机,1972年,美国无硅钢片的用量已占电工钢片总量的50%。苏联60年代后开发出ЭO00~ЭO300牌号的无硅钢片,推广用于小型电机、电器中;英国无硅钢片发展很快,80年代初的产量与硅钢片持平;日本无硅钢片使用较少,一些不太重要的产品则多采用低级硅钢片。

          无硅电工钢片具有价格低、冲制性能好、磁感高等优点,其最明显的缺点是损耗太高,从而大大限制了它的应用场合,所在在70年代能源危机后,无硅钢片的生产又逐渐回落。

      2 硅钢片

          1822年,著名瑞典化学家伯尔瑟利乌斯(J.J.Berzelius,1778~1848)首先制取出了硅(Si)。1889年,英国人巴莱特(W.F.Barett)、布朗(W.Brown)和哈德菲尔德(R.A.Hadfield)开始研究各种二元系和三元系合金的磁性能和电气性能。他们在研究中发现,在软钢中加入硅(Si),可以提高钢的电阻系数,降低钢的涡流及磁滞损耗,而且钢片的衰老现象也有改善。1900年,他们在《Sci. Trans.Roy. Dublin Soc.》上发表文章,介绍了研究成果,引起人们注意。1903年,美国开始生产这种加有硅的钢片,并称它为“Stalloy”(硅钢片)。同年,德国也开始生产硅钢片。不久,法国、英国、意大利等也开始生产硅钢片,苏联在1915年、日本在1924年开始生产硅钢片。

      2.1 热轧硅钢片

          早期硅钢片是热轧硅钢片,含硅量较低,一般Si含量为1~2%(B级),多用于电动机中。以后硅含量增加,1929年日本开始生产变压器用T级硅钢片(Si含量4~4.5%)。由于早期生产工艺不成熟,硅钢片的损耗较高。图1为1932年热轧硅钢片的损耗-磁通密度(W-B)曲线。1954年,开始制造采用焊接工艺将硅钢板焊成卷状的硅钢片,从而使连续加工成为可能。


      图1 1932年热轧硅钢片的损耗(W)-磁通密度(B)曲线

      (B级含Si1~2%;T级含Si4~4.5%)

               1954年后,随着冷轧硅钢片的出现,热轧硅钢片产量逐渐降低。美国60年代停止热轧硅钢片生产,1967年日本停止生产热轧硅钢片,英国、法国也于70年代淘汰了热轧硅钢片。美国、英国、日本30、40年代热轧硅钢片的性能比较见表1。

      美国

      Alieg-heny

      Arma-ture

      Elect-rical

      Dynamo

      Super Dynamo

      Dynamo  Special

      Transf

      "D"

      Transf

      "C"

      Transf

      "B"

      Transf

      "A"

      Transf

      "A-1"

      Transf

      "AA"

       

      Armco

      Arma-ture

      Electric

      Special

      Electric

      Interm-ediate

      Transf

      Trancor

      2

      Trancor

      3

      Trancor

      4

      Trancor

      6

       

      AISI

      M-43

      M 36

      M-27

      M-22

      M-19

      M-17

      M-15

      M-14

       

      铁损

      (0.35mm)

      W10/50

      2.25

      2.04

      1.78

      1.68

      1.44

      1.36

      1.27

      1.15

      1.03

      0.93

      0.93

      W15/50

      7.40

      6.20

      4.56

      4.30

      3.70

      3.44

      3.18

      2.84

      2.58

      2.49

      2.41

      磁化特性

      B25

      B50

      B100

      15,400

      16,300

      17,330

      15,300

      14,300

      15,120

      16,200

      15,050

      15,850

      14,750

      15,650

      14,450

      15,150

      16,600

      14,450

      15,150

      16,600

      14,000

      14,780

      15,600

       

      固有电阻率

      μΩcm

      22

      28

      45

      53

      54

      65

      68

      68

      含硅量

      %

      0.75

      1.25

      2.7

      3.7

      3.75

      5.0

      5.2

      5.2

      日本

      B

      C

      D

      T145

      T135

      T120

      铁损

      (0.35mm)

      W10/50

      2.30

      2.10

      1.80

      1.45

      1.35

      1.20

      W15/50

      6.20

      5.60

      4.80

      3.85

      3.60

      3.20

      磁化特性

      (0.35mm)

      B25

      B50

      B100

      B300

      14,800

      15,800

      16,900

      19,200

      14,700

      15,700

      16,700

      19,000

      14,400,

      15,400

      16,400

      18,700

      13,900

      14,900

      15,900

      18,200

      13,900

      14,900

      15,900

      18,200

      13,900

      14,900

      15,900

      18,200

       

      英国

      C

      B

      A

      铁损

      (0.35mm)

      W10/50

      1.40

      1.25

      1.15

      W15/50

      2.45

      2.20

      2.05

      磁化特性

      B25

      B50

      B100

      B300

      14,300

      15,200

      16,100

      18,700

      14,300

      15,200

      16,100

      18,700

      14,300

      15,200

      16,100

      18,700

       

      2.2 冷轧无取向硅钢片

          美国Allegheny Ludlum公司20世纪40年代开始生产冷轧无取向硅钢片。1954年日本开始生产冷轧无取向硅钢片。由于冷轧硅钢片具有损耗低、质量可靠、厚度均匀、表面平整等优点,所以它一出现就得到了广泛的应用,在许多场合取代了热轧硅钢片。

          冷轧无取向硅钢片自诞生之日起,就沿两条技术路线发展:一是沿低价格、低Si含量方向发展,以取代热轧硅钢片;二是沿低损耗、高Si含量方向发展。70年代石油危机后,由于节能电机、高效率发电机的需要,使低损耗冷轧无取向硅钢片得到很大发展。日本1983年开发出当时世界最高水平的H6硅钢片。表2为几个国家冷轧无取向硅钢片的性能。

      表2 冷轧无取向硅钢片性能比较

      厚度

      mm

      美国

      日本

      英国

      西德

      苏联

       

      牌号

      P15/50瓦/公斤

      牌号

      P15/50瓦/公斤

      牌号

      P15/50瓦/公斤

      牌号

      P15/50瓦/公斤

      牌号

      P15/50瓦/公斤

      0.35

      M-14

      2.27

       

      M-15

      2.50

      H9

      2.40

      G250

      2.5

       

      M-19

      2.86

      H10

      2.65

      G265

      2.65

      V110-35A

      2.70

       

      M-22

      3.08

      H12

      3.10

      G315

      3.15

       

      M-36

      3.74

      H14

      3.60

      G335

      3.35

      V130-35A

      3.30

       

      M-43

      4.70

      H18

      4.40

       

      H20

      5.00

       

      H23

      5.50

       

      0.50

      H9

      2.90

       

      H10

      3.10

      V135-50A

      3.30

      Э3200

      3.40

       

      H12

      3.60

      G355

      3.55

      V150-50A

      3.50

      Э3100

      3.70

       

      H14

      4.00

      G400

      4.00

      V170-50A

      4.00

       

      H18

      4.70

      G450

      4.50

      V200-50A

      4.70

       

      H20

      5.40

      V230-50A

      5.30

       

      H23

      6.20

      V260-50A

      6.00

       

      2.3 取向硅钢片

          20年代初,威廉(Williams)对硅铁中单晶进行了研究,得到了在易磁化轴{100}方向um=1400000,认为在多晶粒板中在{100}轴向也应有极好的性能 。1926年,日本人本多· 茅发现,铁的结晶方向最容易磁化,或者说晶粒立方体棱边方向是最易磁化的方向。1934年,美国人戈斯(N.P.Goss)在试验室里研制成功取向硅钢片,他采用冷轧与高温热处理相结合的方法(表3),使硅钢片中晶粒沿轧制方向有序排列,具有优良的磁性。1935年,戈斯在《Trans Amer. Soc. Metals》上发表文章,介绍研究成果,并申请获得了英国专利(No.442211)。同年,美国Armco公司开始工业化生产冷轧取向硅钢片。40年代,美国Armco公司和Allegheny公司都生产出了高质量的变压器用取向硅钢片。Armco公司的牌号为Tran-cor(西屋公司称为Hipersil);Allegeny公司的牌号为Silectron(GE公司称为Corosil)。1953年,日本试制成冷轧取向硅钢片。1958年,日本引进Armco公司的专利技术,开始冷轧取向硅钢片的工业化生产,并在此基础上不断改进,使日本冷轧硅钢片的性能达到世界最高水平。图2是Z11取向硅钢片的磁性能与轧制方向的关系。


      图2 Z11硅钢片磁性能与轧制方向的关系

      表3 3~3.5%Si的硅钢片工艺

      温度(℃)

      板厚(mm)

      热轧

      中间退火

      第一次冷轧

      中间退火

      第二次冷轧

      涂绝缘层

      最后退火

      时效处理

      650~800

      900

      90~200

      926

      90~200

      -

      1093~1200

      100

               2

               0.75

               0.3

          单取向硅钢片在与轧制方向垂直方向的导磁性能较低,为克服这一缺点,德国真空熔炼公司在40年代发明了双取向硅钢片。1957年,美国GE公司和西屋公司也几乎同时制成双取向硅钢片,60年代日本川崎和八幡工厂也研制成功双取向硅钢片。它在轧制方向和垂直方向上的磁性能都与单取向硅钢片轧制方向的磁性能相近。这种硅钢片的晶粒呈立方体组织(图3)。单取向和双取向性硅钢片的性能比较见表4。

      表4 单取向和双取向硅钢片性能比较

      压延方向

      直角方向

      单取向

      双取向

      单取向

      双取向

      最大导磁率μm

      矫顽力HC(Oe)

      剩余磁感应Br(G)

      磁感应B(G)

      (H=2Oe)

      铁损耗15/60(W/磅)*

      (板厚0.3mm)

      55,000

      0.08

      9,500

      16,300

      0.60

      116,000

      0.07

      12,200

      16,600

      0.56

      8,000

      0.27

      1,750

      11,000

      1.60

      65,000

      0.08

      11,500

      16,000

      0.65

      *在15,000G,60Hz时的损耗


      图3 取向硅钢片的组织
      (a)单取向 (b)双取向

          1968年,日本新日铁工厂开始工业化生产高导磁密度取向硅钢片,它的商用名是“Orientcore Hi-B”,简称“Hi-B”;1972年,开发出大晶格高导磁取向硅钢片;1981年又进而开发出小晶格高导磁取向硅钢片;1982年,日本开始生产表面激光照射处理(ZDKH)的高导磁取向硅钢片,进一步降低了铁损。1988年,日本又开发出采用机械方法形成微小应力法(ADMH)的高导磁取向硅钢片。日本新日铁公司取向硅钢片的发展见图4。50年代,几个国家单取向硅钢片的性能见表5。1955~1975年间,日本取向硅钢片及无取向硅钢片的质量变迁见图5。1880~1970年间,铁心钢片铁损的下降曲线见图6。


      图4 日本新日铁公司取向硅钢片的发展
      ·Z:Orientcore 硅钢片(取向硅钢片)
       ZH:Orientcore Hi-B硅钢片
      *ZDKH:激光照射处理取向硅钢片

       


      图5 日本硅钢片质量的变迁


      图6 1880~1970年间硅钢片铁损下降曲线

      表5 各国单取向硅钢片磁特性

      国别

      苏联

      美国

      英国

      西德

      国家标准

      或厂名

      ΓOCT802-58

      钢铁公司

      Armco公司

      列查特公司

      克鲁普公司

      厚度

      0.35mm

      0.355mm

      0.355mm

      0.305mm

      0.33mm

      0.35mm

      等级

      Э310

      Э320

      Э330

      Э330A

      80

      73

      66

      M-7X

      M-6X

      M-7W

      M-6W

      44

      40

      37

      33

      HyPerm5

      铁损

      P15/50(W/kg)

      1.75

      1.5

      1.3

      1.1

      1.36

      1.22

      1.11

      1.22

      1.11

      1.19

      1.07

      1.36

      1.23

      1.12

      1.01

      1.3~

      1.6

      磁化特性

      B0.3

      B0.5

      B1

      B5

      B10

      B25

      B50

      -

      -

      -

      -

      16,000

      17,500

      18,300

      -

      -

      -

      -

      1, 6,500

      18,000

      18,700

      -

      -

      -

      -

      17,000

      18,500

      19,000

      -

      -

      -

      -

      17,000

      18,500

      19,000

      11,150

      13,250

      14,900

      16,800

      17,400

      18,250

      18,900

      12,700

      14,250

      15,500

      17,250

      17,800

      18,600

      19,200

      13,800

      15,100

      16,100

      17,500

      18,000

      18,800

      19,300

      11,100

      13,800

      15,150

      16,600

      17,100

      17,900

      18,600

      11,800

      14,300

      15,700

      17,050

      17,600

      18,400

      19,100

      11,650

      13,600

      15,000

      16,450

      17,000

      17,950

      18,700

      12,400

      14,200

      15,550

      17,000

      17,500

      18,300

      19,000

      10,400

      12,700

      14,000

      16,500

      17,000

      -

      -

      11,400

      14,000

      15,000

      17,000

      17,500

      -

      -

      12,300

      14,700

      16,000

      18,500

      18,500

      -

      -

      13,500

      15,200

      17,000

      19,000

      19,000

      -

      -

      6,900

      11,330

      14,000

      -

      -

      -

      -

      最大导磁率

      μm

      42,500

      53,700

      70,500

      50,000

      54,000

      45,000

      50,000

      37,000

      43,500

      53,000

      61,000

      31,000

                                         

      注:——B0.3代表0.3Oe时的磁通密度(G),其余类推。

      3 铁镍合金(坡莫合金)

          铁镍合金又称坡莫合金(Permalloy)。它是一种在弱磁场具有高磁导率和低矫顽力的低频软磁材料。早期铁镍合金是应电话通信需要而研制的。铁镍合金的含镍量从36%到80%,变化幅度很宽,因此它的磁性和应用领域也不大相同。1917年,纽曼(G.Neumaun)提出含镍量78.5%的铁镍合金的专利(加拿大专利No.180539),1921年,阿诺德(Arnold)和埃尔门(G.W.Elmen)发明含镍量78.5%的铁镍合金。这种铁镍合金的导磁率特别好,比一般硅钢片高10~20倍,但其电阻率较低。纽曼的发明促进铁镍合金在20年代得到了较广泛的工业应用。后来,人们在铁镍合金中加入钼、铬、铜提高磁性能、电阻率和改善热处理性能。加入铜的铁镍合金在英国称为铜坡莫合金(Mumetal)。1934年,纽曼发明钼坡莫合金(Ni72% ,Cu14%, Mo3%),不仅使导磁率大大提高(u0=60000~90000),而且提高了电阻率,使涡流损耗大大降低。除钼坡莫合金外,30年代还应用了铬坡莫合金,(Ni78.5%, Cr3.8%,其余Fe)。1947年,美国贝尔实验室的布思(Boothy)和博左思(Bozorth)发明超级坡莫合金(Supermalloy),它是一种四元合金(Ni79%,Mo5%,Mn0.5%,其余Fe),其导磁性更好,u0达到100,000,um达到1,000,000。50年代初,阿什穆斯(Assmus)和费弗(Pfeifer)发现Fe-Ni-Mo-Cu四元合金的性能与超级坡莫合金相当,继后,里查德(Richards)和沃克(Walker)又对该四元合金进行了改进,得到一种高性能的Fe-Ni-Mo-Cu四元合金(Ni77%,Mo14%,Cu4%,其余Fe)并取名为“Super-mumetal”,um达到200,000。1956年,霍依(G.H.Howe)发明一种晶粒取向和磁畴取向的铁镍合金(Ni65%,Mo2%,Fe33%),并取名为“Dynamax“,其um最高达到1,780,000。

          铁镍合金具有导磁率很大、矫顽率很低、电阻率不高的特点,加之价格昂贵、工艺性能较差等特点。因此,在电机变压器领域,仅用作小型变压器、控制用微电机、控制用变压器、高灵敏度变压器和高精度变压器等的铁心中。

          50年代末期铁镍合金与纯铁、硅钢片的磁化曲线的比较见图7。50年代末期,铁镍合金的性能见表6。

      1.取向性硅钢片;2.纯铁;3.45%N:坡莫合金;
      4.50%取向性坡莫合金;5.超级坡莫合
      图7铁镍合金与其它材料的磁化曲线

      表6 各国铁镍合金的性能

      国别

      材料牌号

      厚度

      (mm)

      化学成分

      初导磁率μo

      最大导磁率

      μm

      矫顽力

      Hc(Oe)

      磁感应

      Bs(G)

      电阻系数×10-5

      ρ(Ω·cm)

      生产厂

      苏联

      50H

      0.35

      50镍 <, /SPAN>

      3,000

      35,000

      0.12

      15,000

      4.5

      79HMA

      0.1

      5钼79镍

      50,000

      200,000

      0.015

      7,500

      5.6

      0.005

      15,000

      68,000

      0.07

      80HXC

      0.1

      2.8铬1.3硅80镍

      40,000

      140,000

      0.02

      7,000

      6.3

      0.01

      18,000

      65,000

      0.05

      美国

      45Permalloy

      45镍

      2,500

      25,000

      0.3

      16,000

      4.5

      西方电气公司

      3.8-78.5Cr

      Permalloy

      3.8铬

      78.5镍

      12,000

      62,000

      0.05

      8,000

      6.5

      4-79Mo

      Permalloy

      4钼79镍

      20,000

      100,000

      0.05

      8,700

      5.5

      Supermalloy

      5钼79镍

      100,000

      1000,000

      0.002

      7,900

      6.0

      电报工程公司

      英国

      Mumetal

      77镍

      20,000~30,000

      90,000

      0.03

      8,000

      6.2

      Supermumetal

      50,000

      200,000

      0.007

      8,000

      6.0

      Radio

      Metal

      50镍

      2,000

      25,000

      0.16

      16,000<, O:P>

      4.5

      Special

      Radil-metal

      4,500

      45,000

      0.055

      16,000

      4.0

      真空冶炼工厂

      西德

      Permenorm

      5000H2

      50镍

      5,500

      60,000

      0.1

      Permenorm

      5000H3

      3,000

      35,000

      0.1

      16,000

      Permenorm

      5000G3

      3,000

      35,000

      0.08

      Vacoperm

      70~80镍加铬、钼、铜等

      35,000

      90,000

      0.015

      8,000

      PermalloyC

      25,000

      150,000

      0.008

      9,000

      M1040

      30,000

      90,000

      0.015

      6,200

      M583

      20,000

      90,000

      0.015

      5,000

      Ultrapem

      120,000

      300,000~

      500,000

      0.006

      8,000

      日本

      TMC

      ≤0.1

      镍78

      20,000~50,000

      60,000~

      120,000

      东北金属工业

      TMC-V

      0.05~0.2

      30,000~70,000

      80,000~

      200,000

      TMB

      ≤0.35

      镍45

      2,000~4,000

      20,000~

      40,000

      超坡莫

      0.025

      0.05,0.1

      钼5镍79

      50,000~150,000

      250,000~

      600,000

      4 铁铝合金

          本世纪初叶,人们发现在纯铁中加入1%的铝可以提高纯铁的磁性能,但并未在电工领域获得应用。1948年,日本人增本·斋藤着眼于Fe2Al的规则晶粒,进行了含铝16%的铁铝合金的研究,获得成功,他将这种铁铝合金命名为“Alperm”,其u0=3100,u-m-=54700。同年5月,他在《日本金属学会志》上发表了他的研究成果,引起较大反响,并使这种合金在40年代末期后进入工业应用领域。但是,当时这种合金既硬又脆,机械加工性能较差。1954年,美国人纳奇曼(F.Nachman)将含铝16%的铁铝合金经真空冶炼、氢中脱碳、脱氧,经铸-热轧-冷轧,制成了0.1mm厚的薄板,并取名为“Alfenol”,这种铁铝合金的导磁性有所提高,u0=1500~4000,um=15000~70000(以后又提高到115,000~130,000)。

          在铁铝合金中,人们还添加某些其它元素,如Mo、Mn等,以改善其性能。如美国的“Thermanol”合金(Al16%,Mo3%,Fe81%),前苏联的“Ю14Г3”合金(Al14.4%,Mn3.26%,其余Fe)。

          铁铝合金具有较高的导磁率和较高的电阻率,加之价格较铁镍合金便宜,并具有良好的耐热、耐蚀性能,所以在小型变压器、控制变压器、互感器和微特电机中得到了应用。

          50年代末期的铁铝合金性能见表7

      表7 各国铁铝合金性能

      国别

      苏联

      日本

      美国

      材料名称

      Ю16

      Ю14Γ3

      Ю14M2

      Alperm

      New

      Alperm

      11.7

      Alfenol

      15.5

      Alfenol

      Thermanol

      化学成分

      铝16

      铝14.4

      锰3.26

      铝14.83

      钼1.97

      铝11.7

      铝15.5

      铝16钼3

      初导磁率μO

      3,750

      3,700

      3,000

      6,000

      3,400

      4,600

      6,300

      最大导磁率μm

      67,000

      60,000

      124,500

      55,000

      100,000

      30,000

      96,000

      100,000

      最大磁感应Bs(G)

      B8=5,650

      8,550

      8,950

      8,000

      8,000

      14,300

      7,900

      5,400

      残余磁感应Br(G)

      3,500

      3,700

      4,250

      3,500

      4,500

      3,700

      2,500

      矫顽力Hc(Oe)

      0.022

      0.038

      0.022

      0.030

      0.025

      0.077

      0.079

      0.018

      电阻系数(Ω·cm×10-5

      14.5

      14.3

      14

      15

      注:B8磁场在8Oe下的磁感应;4)苏联Bs=B125(在125 Oe下的磁感应);5)美国Bs=B30(在30Oe下的磁感应)

      5 非晶态合金

          非晶态电工钢片是把一些液态合金(如Fe-Si-B合金)以每秒百万度摄氏的冷却速度直接冷却到固态,获得合金中的非晶结构的一种软磁材料,其主要优点是磁感应高、铁耗低(约为取向硅钢片的1/2~1/3)。

          1960年,美国人杜韦兹(P.Duwez)发明快淬金属工艺,制造出非晶合金。1968年,GE公司的留博斯基(Luborsky)发现非晶合金具有损耗很低(10.44/W/kg)的特点。为此,1970年美国联信(Allied)公司开始生产非晶合金带材,从而引发了70年代研究非晶合金的高潮。1979年出现单辊非晶制带法,推动了非晶合金工业化生产。1979年,Allied公司研制出260 5SC非晶态合金(Fe81%,Bl1%,Si3%,C5%),后又研制出不含C的260 5S2的非晶态合金(Fe78%,Bl3%,Si9%)。80年代,美国、日本、德国相继建成年产万吨级的连续制带设备,苏联、德国、捷克、匈牙利等也建成了非晶合金工业生产装置。中国从1976年开始研究非晶合金,80年代开始生产非晶合金。

          非晶合金钢片已用于冲制变压器铁心、三相电机定子铁心等,其铁心损耗比无取向硅钢片铁心低得多。

          非晶态合金钢片与热轧硅钢片、冷轧硅钢片的损耗比较见表8,非晶合金与高导磁硅钢片性能比较见表9。

      表8 几种电工钢片的相对损耗(B=1.5T)

      年份

      材料

      相对损耗

      1960年前

      1958

      1972

      1981

      1983

      1985

      热轧非取向硅钢片

      冷轧非取向硅钢片

      高导磁大晶格取向硅钢片

      高导磁小晶格取向硅钢片

      高导磁激光照射硅钢片

      非晶态合金

      100

      30

      27

      25

      20

      8

      表9    非晶合金与高导磁硅钢片性能的对比

      特性项目

      非晶合金
      2605SC

      非晶合金
      2605S2

      高导磁电工钢片
      Z6H

      电力铁心片
      2605S2

      100℃,1.4T/60Hz
      时单位损耗
      (W/kg)

      100℃,1.4T/60Hz
      时励磁特性
      (VA/kg)

      25℃饱和磁通密度(T)

      100℃饱和磁通密度(T)

      矫顽力(A/m)

      剩磁(T)

      磁致伸缩
      (×102mm)

      电阻率(μΩ·cm)

        0.27

       

        0.72

       

      1.61

       

        1.51

      4.8

      1.12

        30(较大)

      125

        0.21

       

        0.37

       

      1.55

       

        1.49

      3.2

      1.17

        27(较大)

      130

        0.9

       

      0.94

       

      2.03

       

        2.03

      7.2

      1.5

        4(较小)

      4.5

       

      0.25

       

       

       

        1.58

       

       

      1.47

      3.2

      1.2

      厚度(μm)

      密度(gcm2

      叠片系数(%)

      居里温度(℃)

      结晶温度(℃)

      抗张力(N/mm2

      硬度(Hr)

      30

      7.32

      >75

      375

      475

      700

      1050

      30

      7.18

      >75

      414

      550

      1500

      900

      300

      7.65

      97

      746

       

      320

      210

      130

      7.18

      90

      415

      535

      6 微晶合金

          微晶合金材料是随近20年来金属快速凝固技术进步而发展起来的新型导磁材料。1988年,日本日立金属所发现(Fe,Co)-Si-B系铁基合金中加入适量的Cu和Nb等元素,其非晶薄带在经低温加热后即在非晶相内析出约20mm大小的bcc亚稳相的均匀分布的超微晶粒,即制备出了纳米级Fe-Si微晶窄带。90年代,许多国家纳米级Fe-Si微晶合金进行了研究,形成了不同的工艺路线,如对晶粒取向硅钢片室温局部加压,然后高温退火,使形成纳米级微晶;或采用激光照射使其微晶化;或采用特殊工艺使Fe-Si-B非晶合金微晶化。除Fe-Si系列外,人们对Fe-M-B及Fe-M-C等系列微晶材料也进行了研究。

          微晶合金钢片的饱和磁感应强度和磁导率很高,铁耗非常低,可用于要求较高的电机、电器中。

      7 电工钢片绝缘层

          为了增大电机铁心叠片间的绝缘,减小叠片中的涡流损耗,同时改善电工钢片的焊接、冲剪性能,电工钢片表面都要求有一层绝缘层。

          对绝缘层的基本要求是:绝缘电阻高、化学稳定性好、机械强度高、不粘结、耐腐蚀,同时要求绝缘层薄而平整,以提高叠片的叠片系数。

          早期电工钢片是没有绝缘层的,后来随着人们对铁心涡流损耗的认识才开始注意电工钢片绝缘层问题。在电机发展史上,电工钢片绝缘伴随冶金、化工等的发展,也出现了许多变化,其主要绝缘方法有:

          (1)氧化膜绝缘。利用钢片在退火过程中形成的氧化膜作为绝缘。这种方式简单、价廉,但绝缘效果欠佳,早期电机、变压器中应用较多,目前仅用于部分小型电机、变压器中。

          (2)涂水玻璃绝缘。水玻璃绝缘便宜,但工艺性差、绝缘膜湿度大。

          (3)纸绝缘。在整张电工钢片的一面粘一层绝缘纸。这种绝缘出现在19世纪末期,曾在欧洲等地得到广泛应用。

          (4)无机盐涂层。将电工钢片放在铬酸盐或磷酸盐热溶液中,使之在钢片表面产生一层绝缘膜。

          (5)无机漆绝缘。早期曾采用无机漆(如桐油漆)涂电工钢片两面。

          (6)有机漆绝缘。用合成漆、酚醛树脂、合成树脂等在电工钢片两面涂漆,这是应用最广的绝缘方式。

          (7)半有机漆绝缘。用水溶性或水分散系树脂与无机盐配合后得到的半有机漆,涂刷电工钢片表面。

      图8为50年代前日本电工钢片绝缘层的层间电阻的比较。


      图8 50年代前电工钢片绝缘层层间电阻的比较

      第二节 超导材料

          19世纪后半期,人类对物体的电阻与温度的关系已经有了清楚的认识。温度升高使电阻增大;温度降低会使电阻减小。但是,如温度接近绝对零度(Ok)时会发生什么情况呢?许多科学家为此争执不休,例如英国科学家开尔文(L.Kelvin,1824~1967)认为当温度接近绝对零度时,物体中的电子会“冻结”,物体会变成绝缘体。1908年,荷兰物理学家翁纳斯(H.K.Onnes,1853~1926)在荷兰莱顿大学实现了氢气(He)的液化,得到了4.2K(-269℃)的低温,同时他用液氦测量研究金属电阻下降的现象时,发现金、银、铜等金属的电阻有一个不能再减少的极限值。1911年,他发现水银在4.2K时的电阻会突然消失,后来他又发现铅、锡等金属在其临界温界Tc下也有这种现象,翁纳斯称这种现象为超导电性,具有超导电性的材料称为超导材料或超导体。后来人们陆续发现有28种元素可以在常压下制成超导体,其中Tc最高的是铌(9.15K),Tc最低的是钨(0.01K),还发现有几千种合金和化合物可以是超导体。20世纪20年代后,人们对超导体材料的性能和机理进行了大量的研究工作。1933年,荷兰人迈斯纳(W.Missner,1892~1959)和奥森菲尔德(R.Ochsenfeld)发现超导体内磁通为零的所谓“迈斯纳-奥森菲尔德效应”;1954年,美籍德国人马蒂阿斯(B.T.Mathias,1818~1980)提出超导性经验法则,发现数百种超导材料。1957年,巴丁(Bardeen)、库伯(L.N.Cooper,1924~)和施瑞弗(J.R.Schrieffer,1931~)三人提出了一种微观的超导机理-BCS理论,把超导理论研究提到新水平,由此他们三人同获1972年诺贝尔物理奖金。早期超导材料要么临界温度很低,或者临界磁场很小,因而没有太多使用价值,因此从30年代开始就致力于提高超导材料的临界温度,并取得了一定成绩。从40年代到70年代初,超导材料的临界温度大约每10年提高2.5K,其最高临界温度的超导材料是1973年发现的铌三锗(23.2K),所有超导材料都必须要用昂贵、稀少的液氦冷却,这就极大地限制了超导体的应用和推广。

          1986年4月,一声春雷震响,瑞士科学家贝特诺兹(J.G.Bednorz)和米勒(K.A.Muller)宣布制备出Tc=35K的超导体-La-B-Cu氧化物超导体,从而引发了全球范围内研究高温超导材料的热潮。1987年1月,美国朱经武等人宣布观察到La-Ba-Cu氧化物在52.5K时具有超导电性,并于1987年制备出Tc=90K的氧化物超导体。中国赵忠贤、陈立泉等人1987年2月制备出Tc=78.5K,抗磁转变温度93K的Y-Ba-Cu-0超导体;1987年2月25日,赵忠贤等人向世界公布了这种超导体的组成元素极大地推动了国内外高温超导体的研究工作。其后,法国米切尔(Michel)等人宣布发现Tc=110K的Bi-Sr-Ca-Cu氧化物超导体;1988年,美国盛正直等人发现Tc=125K的Tl-Ba-Ca-Cu氧化物超导体。人们把这些氧化物陶瓷超导体统称为高温超导体。

          高温超导体的发现具有划时代的意义,但在初期,高温超导材料的临界磁场Hc虽然都很高,但临界电流密度Jc却很低,最初Jc只有102A/cm2左右,与应用相差很远。为此,科学家从多方面进行攻关,80年代末至90年代初,日本、中国等已制备出Jc=(2~9.7)×104A/cm2的高温超导体,高温超导体线材的制备工艺也有所进展。预计在2005年前,室温超导体将问世,高温超导体的Jc将继续稳步提高;高温超导体的可加工性问题将得到解决。那时,高温超导体将大步进入强电领域,必将给整个电工产业,乃至全社会产生巨大的影响。

          超导材料临界温度的提高见图9和表10。


      图9超导材料临界温度的提高

      表10 超导材料临界温度Tc的变迁

      时间

      发明人

      材料

      Tc(K)

      1911

      1913

      1933

      1941

      1953

      1954

      1961

      1967

      1971

      1973

      1986.4

      1986.12.23

      1986.12.26

      1987.1.29

      1987.2.24

      1987.3

      1987

      1988

      翁纳斯

      翁纳斯

      贾斯蒂(Justi)

      马蒂阿斯(Mathias)

      哈迪(Hardy)等

      马蒂阿斯

      孔茨勒(Kunzler)

      马蒂阿斯

      韦伯(Webb)

      加瓦勒(J.R.Gavaler)

      泰斯塔迪(Tasterdi)

      贝特诺兹(Bednorz)

      米勒(Muller)

      日本东京大学

      赵忠贤、陈立泉等(中)

      朱经武(美)

      赵忠贤、陈立泉等(中)

      西德

      米切尔(Michel)

      盛正直(美)

      Hg

      Pb

      Nb

      NbN

      NbN+NbC

      V3Si

      Nb3Sn

      Nb3Sn

      NbAl0.8Ge0.2

      Nb3Ga

      Nb3Ga

      La-Ba-Cu-0

        Sr-La-Cu-0

      氧化物超导体

      Y-Ba-Cu-0

      发现125K超导材料

      Bi-Sr-Ca-Cu-0

      Tl-Ba-Ca-Cu-0

      4.2

      7.2

      9.15

      16.0

      17.8

      17.1

      18

      18.1

      20.05

      20.3

      23.2

      35

      37.5

      48.6

      90

      78.5

      110

      125

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