变压器铁心1

铁心是制造变压器产品的关键。由法拉第电磁定律可知相电压

Uφ =4.44fwφ×10 =4.44fwBcAc×0.0001

式中 Bc——铁心磁通密度，T； Ac——铁心有效截面积，CM ； W——线圈匝数；

f——频率，国内为50Hz。

10ˉ Uφ 45

则Bc= ———— . —— = —— et

4.44fAc W Ac

上式是变压器中最主要的计算公式，其中et = Uφ/W，称每匝电势。由该式可知磁通密度Bc主要决定了变压器的基本性能和材料利用。在铁损（空载损耗）合乎标准时

磁通密度Bc取值大，每匝电势et不变而铁心有效截面积Ac小，铁心用量少；铁心有效截面积Ac不变而每匝电势et取值大，铜线用量少；每匝电势et大些而铁心有效截面积Ac小些，铜铁均省；

磁通密度Bc取值小，每匝电势et不变而铁心有效截面积Ac大，铁心用量多；铁心有效截面积Ac不变而每匝电势et取值小，铜线用量多；每匝电势et小些而铁心有效截面积Ac大些，铜铁均费；

从上述分析可知Bc 大些，省铁、省铜或均省些，但Bc 值是由电工钢片及所要求的变压器性能（如过励磁）决定Bc 只能在一定范围内。

Bc值是铁心材料主要的指标，冷轧电工钢片Bc =1.7-1.8T比热轧电工钢片的Bc （1.4-1.45T）大得多，这就是现在采用冷轧电工钢的原因。

此外，Ac 也是变压器的最基本参数，因为铁心柱的大小一但确定，也就决定了绕组的内径以及原、副绕组的匝数。从而影响到整个变压器的尺寸和各主要性能参数。它的正确选定还涉及到变压器材料消耗的铜铁比，是影响设计的重要因素。

从变压器原理分析可知，在保持磁密一定的条件下，Ac 增大将使绕组匝数减少，换言之，铁心材料消耗的增加将使得导线材料的消耗减少,并使得短路阻抗、负载损耗值降低；如果减少铁心截面积，则会得出相反结论。其次，如保持绕组匝数不变，增大铁心截面积将使得磁密降低，而空载电流、空载损耗均相应下降，但铁心材料消耗将增加；反之，如减少铁心截面积则有可能引起铁心过饱和以致使空载电流和空载损耗均大为增加。

综上所述可知，Ac 的选取首先将关系到整个变压器的制造成本。这主要应视铁心材料的增加（或减少）及导线材料的增加（或减少）之中哪一个量变化对制造成本的影响大来决定，在这一点上，变压器的设计类似于其它电机的设计，存在一个最优的铜铁比选择的问题。其次，Ac 的变化还将影响到变压器各技术性能参数（如空载电流、空载损耗、负载损耗、短路阻抗等）的改变。

至于非晶合金片，只降低铁心损耗，Bc 和热轧电工钢片相近，故铜耗和重量反而有所增加。由于非晶带材特别薄，并特别脆，一般生产厂家很难加工成铁心。据报导，非晶材料的硬度是硅钢片的五倍，切割非晶材料并制成普通铁心的困难，要超过所得利益，与非晶合金钢带有关的另一个实际问题是它的叠片系数很差，由于片薄，而使平整度较差，叠片系数只有0.75-0.8。

非晶材料对机械应力非常敏感，变压器在结构上需要采取特殊紧固措施，减小铁心受力。应避免采用以铁心作为承重结构件的传统设计方案。非晶材料对张应力、还是弯曲应力都会影响其磁性能，因此退火后的铁心无论在保管期，还是变压器的装配过和程中，均应避免应力再作用。

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非晶材料的磁致伸缩程度比硅钢片高，直接影响非晶变压器的运行噪声。

非晶材料卷成较大直径铁心时费工较多。由于非晶带太薄，所以卷制铁心直径越大，费工费时越多。

可见要非晶材料变压器取得明显的节能降耗效益，也不是容易的。目前要想在变压器上得到广泛应用，必需降低成本是关键。而目前非晶材料价格昂贵的主要原因是产量小，设备价格昂贵。

R型卷铁心变压器是在综合C型、环型变压器铁心优点的基础上发展起来的，与传统变压器一样，也是由铁心、线圈及结构件三大部分组成。但结构上独具一格，自成一体，被称为变压器结构的一场。R型变压器与同容量传统变压器相比具有以下特点：

1， 体积小30%，质量轻40%；

2， 漏磁小，只有传统叠片式变压器的1/10；

3， 损耗小、温升低，和传统叠片式变压器相比，降低一半以上； 4， 结构简单，噪声低，运行时几乎达到静音状态； 5， 常用卧式安装，薄型化，适合于高密度安装；

6， 绕组呈圆形，平均匝长减少6%-10%，用铜量少，铜损低。

R型变压器的核心部分——R型铁心是一根用数控开料机切割成由窄到宽，由宽到窄连 续均匀过渡的硅钢带卷绕而成，经退火处理，浸渍绝缘漆成型。复杂而又精密的工艺，使其产品的价格远高于传统变压器，以50VA为例，叠片式不足30元，可R型为90元以上。

发明专利《低碳钢丝变压器铁心》提出了一种铁心技术的创新方法：用廉价的低碳钢丝，经过化学热处理，代替硅钢片绕制R型卷铁心，除具有R型变压器铁心的一系列优点外，还具有工艺简单，材料广泛，造价低廉等优点。根据以上的讨论，设计、制造变压器时可加大用铁量，以节约价格昂贵的铜材，大幅度降低变压器的制造成本，提高市场竟争力。

《低碳钢丝变压器铁心》采用的技术方案是：根据变压器设计要求，预先加工好绕模，然后把具有规则几何断面的低碳钢丝绕制在绕模上，脱模后进行渗硅处理，根据需要进行（或不进行）绝缘浸渍处理，即为成品铁心。

采用上述方法制造变压器铁心，比现有R型铁心的制造工艺，可省去硅钢片成材工序6-8道，（而硅钢片由于工序多，控制复杂，被称为特殊钢中的“艺术品”，工艺参数稍许变化，产品性能就有很大变化，成材率只有40-50%。）并可省去复杂的数控开料、切割工序，仍可保留R型铁心的一系列优点。

低碳钢丝制造变压器铁心的依据是：硅钢片实际上就是电工纯铁中加入了1-4.5%的硅原素。电工纯铁饱和磁通密度为2.2T，其含杂质量：碳为0.03-0.04%, 硅为0.2-0.5%。而制造低碳钢丝用的1# 乙类钢，国标规定，其含碳量为0.06-0.12%,硅为0.12-0.30%。也就是说其含杂量以相当接近电工纯铁，通过渗硅处理，即为理想导磁材料。

对变压器硅钢片的要求是：

1，有高的导磁率 在一定的磁场强度下，磁导率越高，要传递等量磁通，所需的硅钢片就越少，铁心的体积就越小，产品的重量就越轻。由于体积减小，就可节约导线和降低导线电阻所引起的发热损耗。

2，要求在一定的频率和磁通密度下，具有低的铁损，即单位重量的硅钢片所引起的损耗（磁滞损耗和涡流损耗）要低，则可降低变压器的总损耗，提高变压器的效率。

为了达到上述目的，则在纯铁中加入硅元素，硅与铁形成合金，提高了电阻率（但硅原素是非导磁材料，加3%的硅，纯铁的饱和磁通密度就减少了约10%），但由于硅可以和铁中对磁有害的碳石墨化，把对磁有害的氧在高温下结合成二氧化硅，反而能提高磁导率，降低铁损；虽然减少了饱和磁通密度，但对于一定的铁心损耗，较高硅含量的钢在给定的损耗水平上可激励出相当高的磁通密度。

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但是，随着硅含量的增加，硬度和脆性增加，热传导率降低，对机械加工和散热都是不利的，所以目前生产的硅钢片硅含量冷轧不超过3.5%, 热轧不超过4.5%。

由于在交变磁场中，硅钢片内要感应出涡，涡流产生的磁场使原来的励磁产生的外磁场分布不均匀，这会使材料的磁性能下降，硅钢片厚，涡流损耗大，厚度增大到1倍时，涡流损耗则增大到4倍。

早在上世纪初（1900年）英国人荷德菲尔就提出了将硅渗入钢中的方法。近几年来这种方法又被用于低碳钢薄板上。因薄板经渗硅后，具有低铁损、高磁感、低噪声（6%的硅铁合金，磁致伸缩可降为零），用以取代昂贵的高硅钢片。

在低碳钢中渗入硅原素，硅溶入铁中形成置换固溶体，引起点阵畸变，使电阻率增大，涡流损耗减少。点阵畸变也使矫顽力增大，但因硅钢在高温下可获得粗大晶粒，且冷却无相变引起的晶粒细化，所以总结果仍使矫顽力下降。

前面已经讲过，碳是硅铁合金中最有害的原素，它可使磁滞损耗大幅度增加，加大铁心损耗。由于硅与碳的化学亲合力小于铁与碳的亲合力，所以硅在钢中不与碳生化合物。在含硅量少于是10%的硅钢中，硅不与铁生成化合物，硅以固溶体的形态存在于铁素体和奥氏体中，硅能强烈地促使钢中的碳以自由碳的形态析出。

硅是提高铁的电阻率的最有效元素。因为电阻率与涡流损耗成反比，铁中加硅的一个最重要目的，就是提高电阻率和降低涡流损耗。随硅含量增高，铁的屈服强度的抗拉强度明显增高，在3.5~4.0%硅时它们达到最大值。而伸长率和面缩率比硅>2.5%时急剧下降，硅>4.5%时迅速降到零，此时屈服强度和抗拉强度也急剧下降，硬度却随硅量增加而继续增高。因此硅>4.5%时材料即硬又脆而无法冷加工。由于这个原因，热轧硅钢片的硅含量上限定为4.5%，冷轧硅片则定为3.3%。

低碳钢丝制造变压器铁心的依据是：硅钢片实际上就是电工纯铁中加入了1-4.5%的硅原素。电工纯铁饱和磁通密度为2.2T，其含杂质量：碳为0.03-0.04%, 硅为0.2-0.5%。而制造低碳钢丝用的1# 乙类钢，国标规定，其含碳量为0.06-0.12%,硅为0.12-0.30%。也就是说其含杂量以相当接近电工纯铁，通过渗硅处理，即为理想导磁材料。低碳钢丝绕制成变压器铁心后，不需要再进行过多的机械加工。所以为了降低铁损、提高铁心的电磁性能，可以尽量提高铁心的含硅量，使之达到7%左右（现有渗硅工艺可使表层形成14.3%的富硅层，通过扩散处理，使铁心达到工艺要求）。

在液态时，铁原子的热振动特别强烈，因此铁原子只能在职 很小巧玲珑范围内作有规则的排列，随着缓慢冷却，液体温度下降，原子活动能力减弱，原子间互相吸引力逐渐增强，当温度降低到纯铁凝固点摄氏1533度以下时，活动能力较弱的铁原子先形成晶核，其它铁原子便围绕着晶核进行有规则的排列，直到所有的液体完全转变为固体。结晶过程是在一定冷却速度下进行的，冷却速度俞大，形成的晶核数目就俞多，所得的晶粒也俞细其机械性能俞高；反之，晶粒越大，机械性能越差。但是晶粒俞大，可使电磁材料的矫顽力降低提高电磁性能。

因此在铁心进行渗硅和热处理的时侯不可冷却过快，一般应在保温以后，以不大于每小时50摄氏度的速度冷却至700摄氏度，这时才可停火，让铁心随炕温降至室温。这是因为纯铁在结晶成固态后，如果继续冷却，晶体内部的原子还要重新排列，即发生晶格的转变。如纯铁在摄氏1533度结晶为面心立方晶格，冷却到摄氏910度时又排列成体心立方晶格。纯铁由于机械性能低，工业上应用大多为铁与碳的合金，称为碳素钢。制造低碳钢丝用的乙类钢也是碳素钢的一种。铁碳合金在加热或冷却时侯，都会在特定的温度下发生体心立方晶格和面心立方晶格的转换，工程上称为同素异晶转变，这也是铁碳合金能够进行热处理的主要依据。碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以结合成化合物，所以碳素钢的基本组织有下列几种

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1，奥氏体 铁碳合金在摄氏1390~910度的情况下，内部形成面心立晶格，每个晶面中心有一个原子，周围四个原子之间的间隙较大，故对需要进行化学热处理而需要渗入的原素，具有较大的吸收能力。所以化学热处理都在奥氏体中进行。

2，铁素体 铁碳合金由奥氏体的体心立方晶格转向面心立方晶格的状况，其原子间的空隙较小，在铁素体状态下，组织可溶入碳和硅等其它元素，但溶解度很小。由于原子直径的差异，其它（碳以外）原素溶入铁素体晶格中会引起晶格畸变。

铁碳合金中还有渗碳体、珠光体等基本组织，因与渗硅关系不大，故从略。

前面已经讲过，碳是硅铁合金中最有害的原素，它可使磁滞损耗和矫顽力大幅度增加，加大铁心损耗。由于硅与碳的化学亲合力小于铁与碳的亲合力，所以硅在钢中不与碳生成化合物。在含硅量少于是10%的硅钢中，硅不与铁生成化合物，硅以固溶体的形态存在于铁素体和奥氏体中，硅降低钢的导热系数，造成加热时脱碳倾向比较严重，强烈地促使钢中的碳以自由碳的形态析出（即称之为石墨化）。这正是我们制造低碳钢丝变压器铁心，渗硅热处理过程中所希望的。因为同时在低碳钢丝中，既析出了对磁性能危害很大的碳，又渗入了对磁性非常有利的硅。

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