非晶带材卷取参数对非晶配电变压器噪音影响的研究

摘 要

非晶配电变压器噪音较传统硅钢变压器大,如何降低其噪音始终是变压器领域的一大难题。铁心的磁致伸缩振动是引起非晶配电变压器噪音的主要因素。因此,本研究从非晶配电变压器主要组成材料一非晶带材出发,首先简要分析了其对非晶配电变压器噪声产生影响的各因素,继而讨论在不影响带材磁性能的前提下,制带过程中的卷取张应力及非晶带材卷取后的保温时间与带材磁致伸缩系数之间的变化关系,从得到磁致伸缩系数最小时对应的最佳带材卷取条件:卷取参数为为T=140℃、r=300N、t≥Zomin时,对应的入。最小,为21×10-6“。

关键词

非晶配电变压器;噪音;卷取张应力;磁致伸缩

随着国内外智能电 、绿色节能电 的快速发展,非晶配电变压器作为一种节能、环保的产品得到日益广泛的应用。但非晶配电变压器噪音较传统的硅钢变压器大很多,难以满足国家电 对低噪音配电变压器的要求。因此,非晶配电变压器的噪音问题始终困扰着非晶变压器制造企业,成为变压器领域巫待解决的难题之一。

针对造成非晶配电变压器噪音的主要因素—非晶带材的磁致伸缩率较大的问题,本研究拟通过实验首先确定出使非晶带材磁性能最佳的卷取温度范围,再进一步研究在该温度范围内,非晶带材喷制过程中的卷取张应力及带材卷取后的保温时间与非晶带材磁致伸缩系数之间的变化关系,最终确立该工艺过程中带材磁致伸缩程度最低时所对应的最佳工艺参数,以达到从根本上降低非晶配电变压器噪音的目的。

1实验方法及测试手段

1.1 实验材料

原材料为纯硅(99.98%)、硼铁(B为16%,其余为Fe)以及纯铁(99.98%),制备的带材宽度为142mm,厚度为27协um

1.2 实验方法

本实验采用超级冷凝固技术制备FesjB非晶合金薄带,具体流程为:按eF7:iSgB:3配置原材料,把原材料放人中频感应炉中熔炼成母合金,达到一定温度后将炉中合金液经过导流槽倒人中间包。中间包小车运行到精确位置后,将其内部的合金液倒人到喷嘴包,喷包里的合金液经喷嘴形成稳定的合金液体流,并流到高速运转的冷却辊上,通过气体剥离在冷却辊表面形成非晶带。此时,非晶薄带被卷取装置瞬间抓取,同时以与冷却辊同步的速度运转,实现非晶带材的自动卷取。其中,分别改变卷取温度、卷取张应力以及带材卷取后的保温时间以作进一步测试分析。

1.3测试手段

将薄带卷成磁芯,放人箱式气氛炉HMxl100一405中,380℃下退火h2后,在1.35T/50Hz条件下测量其单位铁损P及单位激磁功率sS;采用磁矩小角度旋转仪测量非晶带材的磁致伸缩系数入、。

2结果与分析

2.1卷取温度与非晶带材磁性能之间的变化关系图1为卷取温度分别为70℃、90℃、lor℃、120℃、150℃、140℃、150℃以及160℃时,所得非晶带材经热处理后在1.35T/50H2条件下测得的铁损与激磁功率变化曲线。由图l可知:70℃一140℃时,非晶带材的单位铁损和单位激磁功率随温度的升高变化基本不大,其中单位铁损P变化范围为0.巧w/kg一0.17w/kg,单位激磁功率sS变化范围为0.ZIV刀kg一0.225v刀kg,二者均体现出非晶带材较优良的软磁性能;当温度高于140℃时,带材的铁损和激磁功率值均呈现急剧上升趋势,由于变化太快而使带材性能不稳定。因此,可以认定当制带过程中带材卷取温度不超过140℃时,所得的非晶带材具有良好且稳定的磁性能,故可在此温度范围内进一步讨论带材卷取过程中各因素对带材磁致伸缩系数的影响。

2.2 卷取张应力与

磁致伸缩系数之间的变化关系

在确定了非晶带材能够保持优良软磁性能的卷取温度范围后,当带材卷取后在恒定温度下保温时间为t=20min时,研究有效卷取温度下卷取张应力与所得非晶带材磁致伸缩系数之间的变化关系,结果如图2所示。

由图2可知:各温度下,卷取张应力与带材磁致伸缩系数之间的变化规律基本相同,均为随张应力的增大磁致伸缩系数先减小后增大。当卷取温度为70℃时,张应力F=400N时磁致伸缩系数为最小值27xlo一6;卷取温度为oro℃时,卷曲张应力F=350N时磁致伸缩系数为最小值26xlo一6;卷取温度为120℃时,卷曲张应力F=35ON时磁致伸缩系数为最小值24×10一6;卷取温度为140℃时,卷曲张应力F=300N时磁致伸缩系数为最小值21×10一6。因此,在有效卷取温度范围内,当卷取张应力范围为300N一400N时,各卷取温度下非晶带材的磁致伸缩系数可达到最小值,其范围为21×10一6一27×10一6。

一般文献中记载FeSiB非晶材料的入s二30×10一6,结合图2中所得结果,可见在不影响非晶带材磁性能的前提下,对非晶带材施加一定张应力,可以起到减小磁致伸缩系数的作用。带材的卷取张应力与磁致伸缩系数之间存在一定的增减变化规律,其原因是在张应力作用下材料内应力增加和磁畴结构发生变化。铁基非晶磁性材料的磁致伸缩系数大于零,对其施加应力后会影响其内部磁畴的排列取向,使磁致伸缩效应大大降低。施加张应力后,其磁化状态由退磁状态变为M不等于零的状态,且材料的磁化强度沿着张力的方向,也即磁畴将沿张力方向取向而产生磁化。一定条件下张应力加的越大,磁化越强,此时如果沿其磁化方向施加同样的外场,带材磁化状态变化减小,其有效磁致伸缩系数也变小。然而,由于非晶带材具有一定的脆性,当卷取张应力达到某一临界值时,会破坏带材内部结构而使其磁致伸缩系数再次增大,此外还会使卷取过程中出现断带现象,影响生产效率。

2.3带材卷取后的保温时间

与带材磁致伸缩系数之间的变化关系

当卷取温度及卷取张应力一定时,研究带材磁致伸缩系数随其在卷取后的保温时间之间的变化关系,结果如图3所示。由图3可知:四种条件下,各组带材磁致伸缩系数随其保温时间变化趋势基本相同,均为先减小到最小值后基本不变。当卷取条件为70℃、400N时,t≥50min对应的入,达到最小值,为22xl0一6;卷取条件为100℃、350N时,t≥40min对应的入,最小值为23×10一6;卷取条件为120℃、350N时,t≥30min对应的入,最小值为22×10一6:卷取条件为140℃、300N时,t≥20min对应的入s最小值为21×10一6“。

在保证非晶带材具有优良磁性能的有效卷取温度范围内,卷取温度越高,带材内部的结构弛豫现象越强烈,对应的卷取后带材保温时间不需太长即可使其结构到达较稳定状态,从而获得较低的磁致伸缩系数;卷取温度低,带材内部结构弛豫现象缓慢,要想使带材获得较低的磁致伸缩系数,需延长其保温时间以保证有充足的时间使其内部结构稳定化。

3结论

本研究通过讨论非晶带材生产过程中卷取温度与带材磁性能之间的关系,首先确定了保证非晶带材具有优良磁性能的有效卷取温度范围。在该温度范围内,进一步分别讨论了卷取张应力及带材卷取后的保温时间与非晶带材的磁致伸缩系数之间的变化关系,从而得到磁致伸缩系数最小时对应的最佳带材卷取条件,最终起到降低噪音的目的,所得的主要结论如下:

（1）T≤140℃时,非晶带材具有优良的磁性能;

（2）在有效卷取温度范围内,当t=20min、卷取张应力范围为3OON一400N时,各卷取温度下非晶带材的磁致伸缩系数相对较小,且相同条件下随着温度的升高带材磁致伸缩系数减小;

（3）非晶带材的磁致伸缩系数随其卷取后的保温时间延长而减小,达到一临界值后趋于不变。卷取参数为140°C、300N、t≥Zomin时,对应的入,最小,为21×10一6。

4展望

非晶带材的磁致伸缩可以在很大的范围内调节,除了与非晶带材喷制过程中的卷取张应力及带材卷取后的保温时间有关外,卷取过程中带材在卷筒上的卷绕厚度、带材卷取过程中的冷却均匀性均会对磁致伸缩系数有一定影响。此外,带材的磁致伸缩系数还与合金的成分及热处理工艺等密切相关。因此,下一步工作中还可采取以下措施来降低非晶带材的磁致伸缩系数,如研究在合金成分中添加cr、调整B与is的相对含量以及优化热处理工艺参数等。此项工作的研究对于非晶配电变压器的降噪环保具有重大的理论指导和实践意义。