專利名稱：一種非晶鐵芯和制造方法及其高性能、低噪聲、低成本的變壓器的制作方法
技術領域：
本發明屬于變壓器制造領域，涉及一種非晶鐵芯、該鐵芯的制造方法及其高性能、 低噪聲、低成本的變壓器。
背景技術：
鐵基非晶合金作為變壓器鐵芯材料具有優良的電磁特性，已經在變壓器領域得到了大量應用。變壓器鐵芯的制造工序一般是首先用非晶合金帶材卷繞成需要尺寸的矩形或環形鐵芯或用“剪切_搭接”技術形成矩形鐵芯，然后將鐵芯在300 400°C進行一定時間的磁場熱處理；再根據需要將鐵芯裝入保護裝置或在鐵芯端面涂覆環氧樹脂使鐵芯形狀固定；最后將制好的非晶鐵芯進行繞線、裝配制成所需容量的非晶變壓器。在上述非晶鐵芯的制作方法中，熱處理工藝與最后鐵芯及變壓器的性能密切相關。專利CN1252106A公布了一種非晶帶的鐵芯熱處理方法，其特征在于，在外加磁場條件下，鐵芯在峰值溫度下保持與使功率損耗降低到最小程度所需要的均熱時間相比至少長 50%的均熱時間，以約0. 1 10°C /min的冷卻速度將該鐵芯冷卻至比所述的峰值溫度低約 100°C的溫度，保溫溫度要比峰值溫度至少高5°C。使用該種方法進行熱處理時，可使勵磁功率降低，損耗基本不變，但是上述發明是基于Metglas-SAl進行設計；專利CN101395682A 公布了一種配電用非晶態變壓器，發明了變壓器用非晶鐵芯的熱處理方法，該方法中鐵芯熱處理時，鐵芯中心溫度為300 340°C，且保持時間為0. 5小時以上，磁場強度800A/m以上，上述發明也是基于Metglas-2605SA1非晶帶材進行研究；專利CN101575664A公布了一種非晶變壓器鐵芯熱處理工藝，鐵芯的升溫速率為3 5°C /min，保溫溫度為460 500°C， 保溫時間為1. 5小時；專利CN101640128A公布了一種非晶合金鐵心的制作方法；該方法介紹了非晶帶材剪切、熱處理和固化的工藝，其中非晶鐵芯的熱處理工藝為退火溫度300 5000C，退火時間7 8小時。分析以上變壓器用非晶鐵芯的熱處理工藝可知，其基本上是基于MetglaS-2605SAl非晶帶材，對于國產非晶帶材的熱處理工藝的研究，特別是利用寬度為220 500mm的非晶帶材制造非晶鐵芯的熱處理工藝，未見發明專利。由于國產非晶帶材的表觀質量和性能參數以及寬度不同于MetglaS-2605SAl，使用現有工藝顯然不能滿足鐵芯最后的性能要求；此外，上述發明均是針對小型鐵芯進行發明的，在熱處理過程中升溫時，鐵芯內外溫差較小，保溫時間能夠較好的控制，因而在鐵芯熱處理時，基本不考慮鐵芯尺寸對非晶鐵芯熱處理工藝的影響，然而對于大容量非晶鐵芯，尺寸較大，鐵芯傳熱需要一定的時間，升溫過程中鐵芯心部與外部溫差較大(如容量為315KVA非晶鐵芯在以2. 5°C / min升溫時鐵芯心部與外部的溫差最大能夠差約100°C)，使鐵芯內外內部產生了應力，惡化了鐵芯熱處理后的性能，基于此，必須對高度為220 500mm非晶鐵芯熱處理工藝進行研允。目前市場上銷售的變壓器用非晶寬帶僅有三個規格，寬度分別為142mm、170mm、 213mm，用戶只能在此基礎上設計變壓器鐵芯，鐵芯截面、線圈參數的優化以及變壓器形狀和結構的調整等都受到一定的限制。特別是對于500kVA以上的大容量變壓器，由于非晶帶材寬度有限，結構上通常采用兩層鐵芯疊放以達到變壓器的容量要求，如圖1所示。這種方法無疑增加了變壓器裝配過程中鐵芯固定的難度，導致變壓器制造工藝的復雜化；其次，鐵芯在制造時其兩個端面都要粘結一層環氧樹脂等粘結材料，以使鐵芯定形。當兩層鐵芯疊放時，兩層鐵芯之間將存在一個厚度約為4mm的環氧樹脂層3，使鐵芯總高度額外增加，進而使線圈及變壓器體積增大，成本提高；此外，鐵芯疊放還容易產生額外噪聲等。總之，用多層鐵芯疊放來制造大容量非晶變壓器的方法造成了變 壓器工藝的復雜化以及變壓器性能的下降。

發明內容
本發明的目的是提供一種非晶鐵芯、該非晶鐵芯的制造方法以及用該非晶鐵芯制造的高性能、低噪聲、低成本的變壓器，即容量為500KVA以上各種類型配電變壓器、風電變壓器等各種用途變壓器，以解決傳統的500KVA以上的大容量非晶變壓器需要兩層或以上鐵芯疊放的問題。為了實現上述目的，本發明提供了如下技術方案—種非晶鐵芯，用于制備高性能、低噪聲、低成本的變壓器，其中，所述非晶鐵芯單體采用寬度為220mm 500mm的鐵基非晶合金寬帶不經疊放直接制成，該非晶鐵芯在頻率為50Hz，最大磁通密度為1. 35T條件下的鐵損彡0. 20W/kg，激磁功率彡0. 80VA/kg。所述非晶鐵芯單體的高度與所述鐵基非晶合金寬帶的寬度一致為220 500mm ； 鐵芯窗口長度為300mm 1200mm，窗口寬度為80mm 400mm，疊厚為80mm 300mm。所述非晶鐵芯的橫截面形狀可為圓環形、橢圓形或者矩形。所述非晶鐵芯的兩個端面有環氧樹脂的端面涂覆層2，該涂覆層環氧樹脂的厚度為 1. 5 2. 5mmο所述鐵基非晶合金寬帶的橫向厚度偏差在士 2μπι內，且疊片系數>0.84。所述非晶鐵芯為搭接型鐵芯。所述非晶鐵芯為卷繞型鐵芯。一種高性能、低噪聲、低成本的變壓器用搭接型非晶鐵芯的制造方法，包括如下步驟帶材剪切、鐵芯成型、熱處理、中間測試以及固化，其中，所述非晶鐵芯單體采用寬度為 220 500mm的鐵基非晶合金寬帶不經疊放直接制成。所述帶材剪切步驟中，帶材剪切的疊層數為10 20層，且剪切后的長度偏差為士 0. 5mmο所述鐵芯成型步驟中，將剪切好的非晶帶材進行碼放和搭接，搭接長度> 8mm，尺寸公差在0 -2. Omm之間。一種高性能、低噪聲、低成本的變壓器用卷繞型非晶鐵芯的制造方法，包括如下步驟鐵芯卷繞、熱處理、中間測試以及固化，其中，所述非晶鐵芯單體采用寬度為220 500mm的鐵基非晶合金寬帶不經疊放直接制成。所述熱處理步驟中，所述非晶鐵芯在磁場電流大小為100A 3000A的磁場中，保證鐵芯內外溫差控制在20°C以內，按如下步驟進行(1)升溫階段，以0. 5 3°C /min的升溫速率，將溫度升至最終保溫溫度300 400°C ； (2)保溫階段，保溫時間為0. 5 5小時；(3)降溫階段，以0. 5 10°C /min的降溫速率降至室溫。所述升溫階段中，采用升溫、保溫、再升溫的階梯式升溫方法升溫至最終保溫溫度，其中升溫階梯為1-5個，單個階梯的保溫時間為0. 1 2小時。所述非晶鐵芯的高度每增加50mm，升溫階段就多增加一個升溫階梯。所述降溫階段中，采用降溫、保溫、再降溫的階梯式降溫方法降溫至室溫，其中降溫階梯為1-3個，單個階梯的保溫時間為0. 1 2小時。所述非晶鐵芯的高度每增加100mm，降溫階段就多增加一個降溫階梯。所述非晶鐵芯的高度每增加10mm，所述 保溫時間增加5 10分鐘。所述固化步驟中，在鐵芯端面上涂覆環氧樹脂，并在100°C 400°C的溫度下保溫 1 5小時進行固化。一種高性能、低噪聲、低成本的變壓器，容量> 500KVA，其中，所述變壓器的鐵芯單體采用寬度為220 500mm的鐵基非晶合金寬帶不經疊放直接制成，且所述變壓器在頻率為50Hz，最大磁通密度為1. 35T條件下的空載損耗彡0. 25W/kg。一種高性能、低噪聲、低成本的變壓器的制造方法，包括如下步驟線圈套裝、鐵芯固定、器身裝配、注油，其中，所述變壓器直接采用單體高度為220mm 500mm的非晶鐵芯制成，而不采用將兩個或以上鐵芯疊放的方法。本發明的有益效果在于簡化了變壓器用鐵芯制造工藝流程，避免了兩層鐵芯疊放情況下鐵芯分別固定的復雜工藝，而且減小了鐵芯裝配應力導致的性能惡化、降低了噪聲，減小了鐵芯總高度、節省了材料成本，其中用銅量減少約以上；提高了工作效率，使非晶變壓器的結構更加緊湊，徹底改變了現有大容量非晶變壓器鐵芯的制造模式。


圖1為現有技術中，采用兩個或以上非晶鐵芯疊放的變壓器的鐵芯排列結構示意圖；圖2為本發明的變壓器的采用不經疊放的非晶鐵芯排列結構示意圖；圖3為本發明采用的熱處理工藝及現有技術熱處理工藝的對比示意圖，其中曲線 a為現有技術熱處理工藝曲線，曲線b為本發明連續熱處理工藝曲線，曲線c為本發明階梯式熱處理工藝；圖4為本發明采用的熱處理工藝的升溫過程中的階梯個數與鐵損和激磁功率的關系圖。附圖標記1 搭接邊 2 端面涂覆層3 環氧樹脂層
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。采用寬度為220mm 500mm的非晶合金寬帶制造本發明所述的一種高性能、低噪聲、低成本的變壓器用非晶鐵芯，上述非晶鐵芯既可以是搭接型鐵芯，也可以是卷繞型鐵芯，其制造工藝流程如下
(1)非晶鐵芯用材料選擇選用寬度為220mm 500mm的非晶合金寬帶，要求非晶帶材表面平整，同時保證選用非晶帶材的橫向厚度偏差在士2 μ m內，非晶帶材的疊片系數 ^ 0. 84。(2)鐵芯制造流程I、搭接型鐵芯制造流程 ①帶材剪切根據變壓器鐵芯的結構設計，確定帶材剪切的長度、數量，每組剪切時的疊層數取20層，然后進行分組剪切。非晶帶材剪切后，長度偏差為士0.5mm。②鐵芯成型將剪切好的非晶帶材進行碼放和搭接，使得每組非晶合金片兩端搭接。然后在帶材疊片最外部放置外層硅鋼片。要保證鐵芯斷面的平整度。最后使得除搭接部分外的所有氣隙全部排除。要求搭接長度不小于8mm，尺寸公差在0 -2. Omm之間。中間各搭接口與相鄰搭接口錯開的長度取其由外層接口錯開長度逐漸減小過渡到內層接口錯開的長度。II、卷繞型鐵芯制造流程鐵芯卷繞直接在芯子上繞制所需形狀和尺寸的鐵芯。(3)鐵芯熱處理非晶鐵芯在熱處理時，升溫速率、保溫時間、降溫速率、磁場電流大小、加磁方式可控；同時保證了退火爐空間內部溫度場的一致性，即恒溫區間盡量大，確保鐵芯在熱處理時鐵芯各個部位熱處理的條件相同。另外還要根據鐵芯體積的增大適當增加鐵芯透熱均溫時間。本發明的鐵芯尺寸較大，對于用寬度在220mm以上非晶合金寬帶制造的鐵芯來說，熱處理工藝與現有技術處理高度在213mm及以下非晶鐵芯存在很大區別，現有的熱處理工藝技術只適用于小型鐵芯的制作，由于鐵芯尺寸較小，在鐵芯的升溫過程中，鐵芯心部與邊部的內外溫差較小，熱處理時可會略內外溫差對非晶鐵芯性能的影響，但是本發明的鐵芯尺寸在現有技術的單體鐵芯尺寸范圍之外，熱處理升溫過程中鐵芯各溫差較大，最大甚至達100°C以上，導致鐵芯內部的溫度不同，導致鐵芯各部位產生應力，致使熱處理后性能下降，因而如何保證220mm以上高度非晶鐵芯熱處理時鐵芯各部位的溫度場的均勻性成為熱處理工藝控制的難點。基于此，本發明采用了一種新型的非晶鐵芯熱處理方法，盡量保證了鐵芯在熱處理時鐵芯各部位的溫度場相同。如圖3所示，非晶鐵芯的熱處理過程可分為三個階段，即升溫，保溫、降溫，其中升溫和降溫過程均是動態過程，鐵芯內外由于導熱過程使內外存在溫差，為減小溫差，本發明采用連續緩慢升溫和階梯式升溫的方式以及連續緩慢降溫和階梯式降溫的方式來盡量消除鐵芯在升溫和降溫過程中鐵芯心部和邊部的溫差，使鐵芯內部的各處的溫度相同，保證鐵芯內外溫差控制在20°C以內。控制方法為在升溫階段，采取緩慢連續升溫方式或階梯式升溫方式達到所需的最終保溫溫度，其中升溫速率為0. 5 3°C /min。對于階梯式升溫方式，升溫階梯為1-5個，單個階梯的保溫時間為0. 1 2小時，保溫溫度視具體鐵芯的尺寸而定，鐵芯的高度每增加50mm，熱處理升溫時涉及的升溫工藝就多增加一個臺階。圖4示出了 500KVA鐵芯以2V /min的升溫速率分別采用本發明的多次階梯式升溫方式以及現有技術的升溫方式，升溫到保溫溫度390°C后鐵芯的損耗，由圖4可知，階梯式升溫方式中升溫時保溫的次數越多，鐵芯的性能越好。
保溫階段時，由于鐵芯尺寸加大，透熱所需時間較長，因而熱處理的保溫時間要相應延長。使得保溫時的鐵芯各處的溫度盡量一致。本發明220mm 500mm非晶鐵芯的最終保溫溫度為300 400°C，保溫時間為0. 5 5小時，且鐵芯高度每增加IOmm保溫時間要增加5 10分鐘，熱處理過程中可以采用氮氣或氬氣等惰性氣體保護，也可以直接在空氣中進行。此外，還要將金屬導線穿過鐵芯窗口，并通過改變電流大小，可實現鐵芯內部磁場強度的改變，本發明的鐵芯所加磁場電流大小為100A 3000A。如圖3所示，在降溫階段中，采用緩慢連續降溫方式或階梯式降溫方式降溫至室溫，其中降溫速率為0. 5 10°C /min。對于階梯式降溫方式，降溫階梯為1_3個，單個階梯保溫時間為0. 1 2小時，并且，鐵芯高度每增加100mm，熱處理的降溫工藝中多增加一個臺階。

上述熱處理工藝，對于上述步驟中的搭接型或卷繞型非晶鐵芯均適用。(4)鐵芯固化疊片后的非晶鐵芯，容易松散，并且由于熱處理后的材料更脆，在外力的作用下極易產生碎屑。為改善這一狀況，非晶鐵芯需要進行端面涂覆和固化處理。固化材料要盡量選取伸縮性較好的材料，用來降低變壓器運行時的噪音，常用的涂層材料為環氧樹脂，將攪拌均勻的環氧攪拌倒在鐵芯端面上，用鏟刀找平，確保鐵芯斷面的平整度。然后將鐵芯推入爐中進行固化。本發明中所述的固化工藝為將鐵芯在100°c -400°c的熱處理爐內保溫1 5小時進行鐵芯固化。待膠層不再發粘，呈現明顯的彈性時出爐。最后，在鐵芯的兩個斷面形成厚度約為2mm的環氧樹脂層2。本實施例中，將鐵芯的兩個端面分別涂覆厚度為1. 5 2. 5mm(最好2mm)的環氧樹脂，然后在150°C保溫2. 5 3小時進行鐵芯固化，即得到本發明所述的一種高性能、低噪聲、低成本的變壓器用非晶鐵芯。采用上述方法所制得的非晶鐵芯制造一種高性能、低噪聲、低成本的變壓器，線圈套裝及變壓器組裝方法如下本發明的特點是大容量變壓器的每個鐵芯均由一層鐵芯組成，如圖4所示，而不需要像圖1那樣按照現有技術使兩層以上鐵芯的疊放，因而，鐵芯的固定和線圈套裝更為方便(1)將鐵芯的搭接邊1打開；(2)將線圈在裝配平臺上固定；(3)將線圈的初級繞組和次級繞組套裝在非晶鐵芯上；(4)將鐵芯搭接邊1閉合；(5)將鐵芯緊固。即可制得本發明的一種高性能、低噪聲、低成本的變壓器。下面，選取220mm 500mm之間不同寬度的非晶合金寬帶，采用上述方法制造變壓器鐵芯。并且，用現有技術的142、170、213mm非晶合金帶材按照類似工藝制造變壓器鐵芯。 最后，將兩類鐵芯及由兩類鐵芯所制得的變壓器的性能進行對比。需要說明的是，本發明的實施方式不僅適用于圖4所示的三相五柱式變壓器鐵芯，也適用于三相三柱式或其它形式的變壓器鐵芯。所制造的非晶鐵芯及變壓器的性能如表1所示。從測試數據看出，采用了寬度為220 500mm的鐵基非晶合金寬帶制造變壓器鐵芯，其高度為220 500mm，窗口長度為 300mm 1200mm，窗口寬度為80mm 400mm，疊厚為80mm 300mm，并且，在頻率為50Hz，最大磁通密度為1. 35T條件下的鐵損彡0. 20W/kg，激磁功率彡0. 80VA/kg。并且，用上述鐵芯所制成的變壓器，在頻率為50Hz，最大磁通密度為1. 35T條件下的空載損耗彡0. 25W/kg，且所述變壓器的噪聲比傳統的兩層鐵芯疊放變壓器低5 10分貝，用銅量減少約以上。以上實施方式僅用于說明本發明 ，而并非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種非晶鐵芯，用于制備高性能、低噪聲、低成本的變壓器，其特征在于所述非晶鐵芯單體采用寬度為220mm 500mm的鐵基非晶合金寬帶不經疊放直接制成，該非晶鐵芯在頻率為50Hz，最大磁通密度為1. 35T條件下的鐵損< 0. 20W/kg，激磁功率< 0. 80VA/kg。
2.如權利要求1所述的非晶鐵芯，其特征在于所述非晶鐵芯單體的高度與所述鐵基非晶合金寬帶的寬度一致為220 500mm ；鐵芯窗口長度為300mm 1200mm，窗口寬度為 80mm 400mm，疊厚為 80mm 300mm。
3.如權利要求1所述的非晶鐵芯，其特征在于所述非晶鐵芯的橫截面形狀可為圓環形、橢圓形或者矩形。
4.如權利要求1所述的非晶鐵芯，其特征在于所述非晶鐵芯的兩個端面有環氧樹脂的端面涂覆層(2)，該涂覆層環氧樹脂的厚度為1. 5 2. 5mm。
5.如權利要求1所述的非晶鐵芯，其特征在于所述鐵基非晶合金寬帶的橫向厚度偏差在士2μπι內，且疊片系數彡0. 84。
6.如權利要求1所述的非晶鐵芯，其特征在于所述非晶鐵芯為搭接型鐵芯。
7.如權利要求1所述的非晶鐵芯，其特征在于所述非晶鐵芯為卷繞型鐵芯。
8.—種如權利要求6所述的變壓器用非晶鐵芯的制造方法，包括如下步驟帶材剪切、 鐵芯成型、熱處理、中間測試以及固化，其特征在于所述非晶鐵芯單體采用寬度為220 500mm的鐵基非晶合金寬帶不經疊放直接制成。
9.如權利要求8所述的非晶鐵芯的制造方法，其特征在于所述帶材剪切步驟中，帶材剪切的疊層數為10 20層，且剪切后的長度偏差為士0. 5mm。
10.如權利要求8所述的非晶鐵芯的制造方法，其特征在于所述鐵芯成型步驟中，將剪切好的非晶帶材進行碼放和搭接，搭接長度> 8mm，尺寸公差在0 -2. Omm之間。
11.一種如權利要求7所述的非晶鐵芯的制造方法，包括如下步驟鐵芯卷繞、熱處理、 中間測試以及固化，其特征在于所述非晶鐵芯單體采用寬度為220 500mm的鐵基非晶合金寬帶不經疊放直接制成。
12.如權利要求8或11所述的非晶鐵芯的制造方法，其特征在于所述熱處理步驟中， 所述非晶鐵芯在磁場電流大小為100A 3000A的磁場中，保證鐵芯內外溫差控制在20°C以內，按如下步驟進行(1)升溫階段，以0. 5 ；TC /min的升溫速率，將溫度升至最終保溫溫度300 400°C ； (2)保溫階段，保溫時間為0.5 5小時；(3)降溫階段，以0. 5 10°C / min的降溫速率降至室溫。
13.如權利要求8或11所述的非晶鐵芯的制造方法，其特征在于所述升溫階段中，采用升溫、保溫、再升溫的階梯式升溫方法升溫至最終保溫溫度，其中升溫階梯為1-5個，單個階梯的保溫時間為0. 1 2小時。
14.如權利要求13所述的非晶鐵芯的制造方法，其特征在于所述非晶鐵芯的高度每增加50mm，升溫階段就多增加一個升溫階梯。
15.如權利要求8或11所述的非晶鐵芯的制造方法，其特征在于所述降溫階段中，采用降溫、保溫、再降溫的階梯式降溫方法降溫至室溫，其中降溫階梯為1-3個，單個階梯的保溫時間為0. 1 2小時。
16.如權利要求15所述的非晶鐵芯的制造方法，其特征在于所述非晶鐵芯的高度每增加100mm，降溫階段就多增加一個降溫階梯。
17.如權利要求8或11所述的非晶鐵芯的制造方法，其特征在于所述非晶鐵芯的高度每增加10mm，所述保溫時間增加5 10分鐘。
18.如權利要求8或11所述的非晶鐵芯的制造方法，其特征在于所述固化步驟中，在鐵芯端面上涂覆環氧樹脂，并在100°C 400°C的溫度下保溫1 5小時進行固化。
19.一種高性能、低噪聲、低成本的變壓器，容量> 500KVA，其特征在于所述變壓器的鐵芯單體采用寬度為220 500mm的鐵基非晶合金寬帶不經疊放直接制成，且所述變壓器在頻率為50Hz，最大磁通密度為1. 35T條件下的空載損耗彡0. 25W/kg。
20.一種如權利要求19所述的變壓器的制造方法，包括如下步驟線圈套裝、鐵芯固定、器身裝配、注油，其特征在于所述變壓器直接采用單體高度為220mm 500mm的非晶鐵芯制成，而不采用將兩個或以上鐵芯疊放的方法。
全文摘要
本發明屬于變壓器制造領域，涉及一種非晶鐵芯和制造方法及其高性能、低噪聲、低成本變壓器。所述變壓器非晶鐵芯在頻率為50Hz，最大磁通密度為1.35T條件下的鐵損≤0.20W/kg，激磁功率≤0.80VA/kg。所述變壓器的鐵芯采用寬度為220～500mm的鐵基非晶合金寬帶制成，且變壓器在頻率為50Hz，最大磁通密度為1.35T條件下的空載損耗≤0.25W/kg，且變壓器的噪聲比傳統的兩層鐵芯疊放變壓器低5～10分貝，用銅量減少約1％以上。本發明簡化了變壓器用鐵芯制造工藝流程，避免了兩層鐵芯疊放情況下鐵芯分別固定的復雜工藝，而且減小了鐵芯裝配應力導致的性能惡化、降低了噪聲，減小了鐵芯總高度、節省了材料成本；提高了工作效率，使非晶變壓器結構更加緊湊，徹底改變了現有大容量非晶變壓器鐵芯的制造模式。
文檔編號H01F27/24GK102360768SQ20111034618
公開日2012年2月22日 申請日期2011年11月4日 優先權日2011年11月4日
發明者丁力棟, 劉國棟, 周少雄, 張志英, 王建, 陳文智 申請人:安泰科技股份有限公司