As die "hart" van 'n transformator speel die ysterkern 'n deurslaggewende rol in elektromagnetiese energie-omskakeling. Dit beïnvloed nie net die energie-doeltreffendheid van transformators nie, maar hou ook direk verband met die volume, gewig en operasionele betroubaarheid van toerusting. Die evolusie van ysterkernmateriale, van industriële suiwer yster tot amorfe legerings vandag, het die glorieryke ontwikkeling van transformatortegnologie gesien.
Die kernfunksie en prestasievereistes van ysterkern
Die hooffunksie van die transformatorkern is om 'n doeltreffende magnetiese stroombaan te verskaf, wat toelaat dat elektriese energie tussen verskillende stroombane oorgedra word deur die beginsel van elektromagnetiese induksie. Die werkverrigting van die ysterkern beïnvloed direk die tegniese en ekonomiese aanwysers van die transformator. Die basiese vereistes vir ysterkernmateriale is: lae ysterkernverlies by 'n sekere frekwensie en magnetiese vloeddigtheid, en hoë magnetiese vloeddigtheid by 'n sekere magnetiese veldsterkte.
Die kernverlies bestaan uit twee dele: histereseverlies en wervelstroomverlies. Histereseverlies hou verband met die moeilikheid van materiaalmagnetisering, terwyl wervelstroomverlies veroorsaak word deur die sirkulerende stroom wat veroorsaak word deur wisselende magnetiese vloed in die ysterkern. Om hierdie verliese te verminder, moet ideale ysterkernmateriale hoë elektriese weerstand, hoë magnetiese deurlaatbaarheid en lae koërsiwiteit hê.
Die evolusieproses van ysterkernmateriale
Die ontwikkeling van transformatorkernmateriale het 'n lang en opwindende reis deurgemaak. Die vroegste transformatorkerne het gewone koolstofstaaldraad of koolstofstaal as magnetiese materiale gebruik. In 1885 het die Gunz-fabriek in Hongarye die eerste enkelfase-transformator met 'n geslote magnetiese stroombaan ontwikkel, en die ysterkern daarvan is van hierdie tipe materiaal gemaak.
In 1900 het RA Hadfield, 'n Engelsman, en ander bevind dat die byvoeging van silikon tot sagte staal weerstand kan verbeter, wervelstroom- en histereseverliese kan verminder, en die verskynsel van "kernveroudering" kan verlig. In 1903 het die Verenigde State en Duitsland begin met die vervaardiging van warmgewalste silikonstaalplate, wat die begin van die era van silikonstaalplate gemerk het.
Warmgewalste silikonstaalplate het probleme soos ongelyke werkverrigting en hoë verliese. In die 1930's is deurbrake gemaak in die tegnologie van koudgewalste silikonstaalplate. In 1933 het Gauss twee koudwals- en gloeimetodes gebruik om 3% Si-staal met hoë magnetiese eienskappe langs die rolrigting te produseer. In 1935 het Armco Steel Company van die Verenigde State saam met Westinghouse Company gewerk om die produksie van koudgewalste georiënteerde silikonstaal te begin.
Na die 1960's het groot geïndustrialiseerde lande geleidelik opgehou om warmgewalste silikonstaalplate te produseer en oorgeskakel na koudgewalste silikonstaalplate met beter werkverrigting. In 1964 het Nippon Steel Corporation van Japan hoë-deurlaatbaarheidskorrelgeoriënteerde koudgewalste silikonstaalplate (Hi-B-staal) ontwikkel, wat die nullasverliese van transformators verder verminder het.
In die 1970's het amorfe allooimateriale hul debuut op die historiese verhoog gemaak. In 1974 het United Microelectronics Corporation amorfe allooie op ysterbasis ontwikkel, en in 1978 het die Verenigde State 10KVA amorfe ysterkerntransformators ontwikkel. Hierdie nuwe tipe materiaal het die kenmerk van uiters lae ysterverlies, slegs 1/3-1/5 van tradisionele silikonstaalplate, wat 'n nuwe era van energiebesparing vir transformators ingelui het.
Hooftipes en eienskappe van ysterkernmateriale
silikon staalplaat
Silikonstaalplaat is 'n sagte magnetiese legering van silikonyster met 'n uiters lae koolstofinhoud, gewoonlik met 'n silikoninhoud van 0.5-4.5%. Die byvoeging van silikon kan die elektriese weerstand en maksimum magnetiese deurlaatbaarheid van yster verhoog, koërsiwiteit, kernverlies en magnetiese veroudering verminder. Silikonstaalplate kan in twee kategorieë verdeel word: warmgewals en koudgewals, met koudgewals wat verder verdeel word in georiënteerde en nie-georiënteerde tipes.
Koudgewalste, nie-georiënteerde silikonstaalplaat verwys na 'n allooi van 0.5%~4.0% (Si+Al), wat koudgewals word tot 0.65 mm, 0.5 mm en 0.35 mm en dan gegloei en bedek word om dit te maak. Die korreltekstuurtipe is relatief verspreid, en dit het relatief eenvormige magnetiese eienskappe in alle rigtings.
Georiënteerde silikonstaal het hoë magnetiese deurlaatbaarheid en lae verlieseienskappe in die maklik magnetiseerbare<001>rigting, wat voldoen aan die magnetiese geleidingsvereistes van statiese kragtoerusting soos transformators. Die gemiddelde korreloriëntasie-afwykingshoek van gewone georiënteerde silikonstaal (CGO) is ongeveer 7 °, en die versadigingsmagnetiese vatbaarheidswaarde B8 is bo 1.82 Tesla; Die gemiddelde korreloriëntasie-afwykingshoek van hoë magnetiese oriëntasie-georiënteerde silikonstaal (Hi-B) is ongeveer 3 °, en die B8-waarde is bo 1.90 Tesla.
amorfe legering
Amorfe allooi is 'n metaalfunksionele materiaal met atome wat ewekansig in die materiaalmatriks versprei is, en het 'n "glasagtige" samestelling. 'n Tipiese amorfe allooi bevat 80% yster, met die oorblywende komponente boor en silikon. Hierdie materiaal het die eienskappe van hoë versadigingsmagnetiese induksiesterkte (1.54T), hoë magnetiese deurlaatbaarheid, lae opwekkingsstroom en uiters lae ysterverlies.
Die ysterverlies van ystergebaseerde amorfe legerings is slegs een derde tot een vyfde van dié van georiënteerde silikonstaalplate, wat die nullasverlies van amorfe legeringstransformators met 70% tot 80% verminder in vergelyking met tradisionele silikonstaaltransformators. Die versadigingsmagnetiese vloeddigtheid van amorfe legerings is relatief laag (ongeveer 1.5T), dus word die gegradeerde magnetiese vloeddigtheid gewoonlik gekies as 1.3-1.4T.
Die dikte van die amorfe legeringsstrook is uiters dun, slegs 0.03 mm, wat 'n lamineringskoëffisiënt van slegs ongeveer 80% vir die amorfe ysterkern tot gevolg het. Alhoewel amorfe legerings 'n laer spesifieke swaartekrag as silikonstaalplate het, is die gewig van die ysterkern steeds relatief swaar.
Kernstruktuurontwerp
Die ontwerp van die transformatorkernstruktuur het ook beduidende evolusie ondergaan. Van die vroegste gelamineerde ysterkern, tot die C-vormige ysterkern, en toe tot die ringvormige (gespiraliseerde ysterkern) ysterkern, het elke struktuur sy eie eienskappe en voordele.
Die sirkelvormige ysterkern word gemaak deur silikonstaalstroke te wikkel, soos 'n styfgewikkelde klokveer. Hierdie tipe ysterkern het 'n deurlopende magnetiese stroombaan sonder lugsplete, wat lei tot lae magnetiese weerstand en hoë doeltreffendheid. In vergelyking met gelamineerde transformators van dieselfde kapasiteit, het toroïdale transformators die voordele van klein grootte, ligte gewig en lae magnetiese lekkasie.
Vir amorfe allooitransformators word hulle gewoonlik ontwerp as gespiraliseerde ysterkernstrukture as gevolg van die moeilikheid om hul materiale te sny. Die kernstruktuur van 'n enkelfasetransformator is 'n raam, terwyl die kernstruktuur van 'n driefasetransformator gevorm word deur vier rame saam te voeg in 'n struktuur soortgelyk aan 'n driefase-vyfkolomstruktuur. Hierdie struktuur maak dit moontlik om elke fasewikkeling op twee onafhanklike rame van die magnetiese stroombaan te plaas, wat die invloed van die derde harmoniese magnetiese vloed effektief uitskakel.
Vervaardigingsproses van ysterkernmateriaal
Die vervaardigingsproses van silikonstaalplate is kompleks, veral georiënteerde silikonstaalplate. Die produksieproses is kompleks, die prosesvenster is smal en die produksiemoeilikheidsgraad is hoog. Dit staan bekend as die "handwerk van staalprodukte".
Die vervaardigingsproses van koudgewalste, nie-georiënteerde silikonstaalplate sluit gewoonlik in: warmwals-staalknuppels of deurlopende gietknuppels in spoele met 'n dikte van ongeveer 2.3 mm, gevolg deur suurwas, koue wals, uitgloeiing en isolasiefilmbedekkingsprosesse. Vir hoë silikonprodukte is dit nodig om hulle eers te normaliseer by 800-850 ℃ na warm wals, gevolg deur suurwas, koue wals tot 'n sekere dikte, uitgloeiing, dan koue wals teen 'n lae reduksietempo, en uiteindelik finale uitgloeiing.
Die mees algemene metode vir die vervaardiging van amorfe legerings is om gesmelte metaaldamp op 'n hoëspoed-roterende koperwikkelraam te spuit, en die gesmelte metaal word afgekoel en gestol in dun ribbes teen 'n tempo van 106 ℃/s. Die hoë interne spanning wat deur blus gevorm word, moet verminder word deur uitgloeiing tussen 200 ℃ en 280 ℃ om goeie magnetiese eienskappe te verkry.
Energiebesparende voordele van ysterkernmateriale
Transformators is talryk en het 'n groot kapasiteit in die kragstelsel, wat lei tot aansienlike totale verliese. Daar word beraam dat die totale verlies van transformators in China ongeveer 10% van die stelsel se kragopwekking uitmaak. Elke 1% vermindering in verliese kan jaarliks miljarde kilowatt-ure elektrisiteit bespaar.
Amorfe allooi-ysterkerntransformators het beduidende energiebesparende effekte. Die nullasverlies van SH12-reeks amorfe allooi-kerntransformators word met ongeveer 75% verminder in vergelyking met S9-reeks silikonstaaltransformators. Alhoewel amorfe allooitransformators duurder is as tradisionele transformators, is hul bedryfskoste uiters laag, en die beleggingsterugbetalingstydperk is gewoonlik tussen 2-5 jaar.
Ekonomies ontwikkelde streke, verteenwoordig deur die provinsies Sjanghai, Jiangsu en Zhejiang, het amorfe allooitransformators op groot skaal aangeneem. Jiangsu Electric Power Company beplan selfs om nuwe en opgeknapte lyne in die toekoms te installeer, en die gebruik van amorfe allooitransformators sal nie minder as 30% wees nie.
Die ontwikkelingstendens van ysterkernmateriale
Ysterkernmateriale ontwikkel in die rigting van lae ysterverlies en hoë magnetiese induksie. Vir silikonstaalplate, insluitend nie-georiënteerde silikonstaal vir lae ysterverlies-hoëdoeltreffendheidsmotors, dun spesifikasie ultra-lae ysterverlies-hoë magnetiese induksie-georiënteerde silikonstaal, en hoë silikonstaal vir medium- en hoëfrekwensie-energiebesparende elektriese toestelle.
Hoë silikon staal (Si Fe-legering met 4.5%~6.7% Si) het die eienskappe van aansienlik verminderde ysterverlies by hoë frekwensies, hoë maksimum magnetiese deurlaatbaarheid en lae koërsiwiteit. Maar die Si-inhoud is te hoog en die plastisiteit is uiters swak by kamertemperatuur, wat dit moeilik maak om te rol en te vorm. Tans word nie-georiënteerde 6.5% Si Fe-legeringsmateriale hoofsaaklik deur die silikoninfiltrasieproses voorberei.
Nano-gemodifiseerde materiale en bio-gebaseerde materiale is ook een van die toekomstige ontwikkelingsrigtings. Met die toenemende vraag na omgewingsbeskerming, sal die ontwikkeling van nie-giftige, bio-afbreekbare of herwinbare ysterkernmateriale 'n belangrike navorsingsrigting word.
Gevolgtrekking
Die evolusie van transformatorkernmateriale het die perfekte kombinasie van materiaalwetenskap en elektriese ingenieurswese gesien. Van gewone koolstofstaal tot silikonstaalplate, en dan tot amorfe legerings, het elke materiaaldeurbraak die energie-doeltreffendheidsvlak van transformators aansienlik verbeter.
In vandag se wêreld waar energiebesparing en emissiereduksie 'n wêreldwye konsensus geword het, hou die keuse van doeltreffende ysterkernmateriale nie net verband met ekonomiese voordele nie, maar ook met 'n omgewingsverantwoordelikheid. In die toekoms, met die voortdurende opkoms van nuwe materiale en prosesse, sal transformatorkerne voortgaan om te ontwikkel na laer verliese en hoër doeltreffendheid, wat bydra tot die konstruksie van 'n groen en lae-koolstof-energiestelsel.
Plasingstyd: 29 Augustus 2025
