Bilang "puso" ng isang transformer, ang iron core ay gumaganap ng mahalagang papel sa electromagnetic energy conversion. Hindi lamang nito naaapektuhan ang performance ng energy efficiency ng mga transformer, kundi direktang nauugnay din ito sa volume, bigat, at operational reliability ng kagamitan. Ang ebolusyon ng mga materyales ng iron core, mula sa industrial pure iron hanggang sa amorphous alloys ngayon, ay nakasaksi sa maluwalhating pag-unlad ng teknolohiya ng transformer.
Ang pangunahing tungkulin at mga kinakailangan sa pagganap ng iron core
Ang pangunahing tungkulin ng core ng transformer ay ang magbigay ng isang mahusay na magnetic circuit, na nagpapahintulot sa elektrikal na enerhiya na maipadala sa pagitan ng iba't ibang circuit sa pamamagitan ng prinsipyo ng electromagnetic induction. Ang pagganap ng iron core ay direktang nakakaapekto sa mga teknikal at pang-ekonomiyang tagapagpahiwatig ng transformer. Ang mga pangunahing kinakailangan para sa mga materyales ng iron core ay: mababang pagkawala ng iron core sa isang tiyak na frequency at magnetic flux density, at mataas na magnetic flux density sa isang tiyak na lakas ng magnetic field.
Ang pagkawala ng core ay may dalawang bahagi: pagkawala ng hysteresis at pagkawala ng eddy current. Ang pagkawala ng hysteresis ay nauugnay sa kahirapan ng pag-magnetize ng materyal, habang ang pagkawala ng eddy current ay sanhi ng umiikot na current na dulot ng alternating magnetic flux sa iron core. Upang mabawasan ang mga pagkawalang ito, ang mga mainam na materyales sa iron core ay dapat magkaroon ng mataas na electrical resistivity, mataas na magnetic permeability, at mababang coercivity.
Ang proseso ng ebolusyon ng mga materyales na bakal na core
Ang pag-unlad ng mga materyales ng core ng transformer ay dumaan sa isang mahaba at kapana-panabik na paglalakbay. Ang mga pinakaunang core ng transformer ay gumamit ng ordinaryong alambre ng carbon steel o carbon steel bilang mga magnetic material. Noong 1885, ang pabrika ng Gunz sa Hungary ay bumuo ng unang single-phase transformer na may closed magnetic circuit, at ang iron core nito ay gawa sa ganitong uri ng materyal.
Noong 1900, natuklasan nina RA Hadfield, isang Ingles, at iba pa na ang pagdaragdag ng silicon sa mild steel ay maaaring mapabuti ang resistivity, mabawasan ang eddy current at hysteresis losses, at maibsan ang penomeno ng "core aging". Noong 1903, sinimulan ng Estados Unidos at Alemanya ang paggawa ng mga hot-rolled silicon steel sheet, na siyang simula ng panahon ng mga silicon steel sheet.
Ang mga hot rolled silicon steel sheet ay may mga problema tulad ng hindi pantay na pagganap at mataas na pagkalugi. Noong dekada 1930, nagkaroon ng mga tagumpay sa teknolohiya ng cold-rolled silicon steel sheets. Noong 1933, gumamit si Gauss ng dalawang paraan ng cold rolling at annealing upang makagawa ng 3% Si steel na may mataas na magnetic properties sa direksyon ng paggulong. Noong 1935, nakipagtulungan ang Armco Steel Company ng Estados Unidos sa Westinghouse Company upang simulan ang produksyon ng cold-rolled oriented silicon steel.
Pagkatapos ng dekada 1960, unti-unting itinigil ng mga pangunahing industriyalisadong bansa ang paggawa ng mga hot-rolled silicon steel sheet at bumaling sa mga cold-rolled silicon steel sheet na may mas mahusay na performance. Noong 1964, bumuo ang Nippon Steel Corporation ng Japan ng mga high permeability grain oriented cold-rolled silicon steel sheet (Hi-B steel), na lalong nagbawas sa no-load losses ng mga transformer.
Noong dekada 1970, unang lumitaw sa kasaysayan ang mga materyales na amorphous alloy. Noong 1974, bumuo ang United Microelectronics Corporation ng mga iron-based amorphous alloy, at noong 1978, bumuo ang Estados Unidos ng 10KVA amorphous iron core transformer. Ang bagong uri ng materyal na ito ay may katangiang napakababang iron loss, 1/3-1/5 lamang ng tradisyonal na silicon steel sheet, na nagbukas ng isang bagong panahon ng pagtitipid ng enerhiya para sa mga transformer.
Mga pangunahing uri at katangian ng mga materyales na bakal
sheet na bakal na silikon
Ang silicon steel sheet ay isang malambot na magnetic alloy ng silicon iron na may napakababang carbon content, kadalasan ay may silicon content na 0.5-4.5%. Ang pagdaragdag ng silicon ay maaaring magpataas ng electrical resistivity at maximum magnetic permeability ng iron, mabawasan ang coercivity, core loss, at magnetic aging. Ang mga silicon steel sheet ay maaaring hatiin sa dalawang kategorya: hot-rolled at cold-rolled, habang ang cold-rolled ay nahahati pa sa oriented at non-oriented na mga uri.
Ang cold rolled non-oriented silicon steel sheet ay tumutukoy sa isang haluang metal na 0.5%~4.0% (Si+Al), na pinalamig at nilululon hanggang sa maging 0.65mm, 0.5mm, at 0.35mm at pagkatapos ay pinapainit at pinahiran upang mabuo ito. Ang uri ng tekstura ng butil nito ay medyo nakakalat, at mayroon itong medyo pare-parehong katangiang magnetiko sa lahat ng direksyon.
Ang oriented silicon steel ay may mataas na magnetic permeability at mababang katangian ng pagkawala sa direksyong madaling ma-magnetize, na nakakatugon sa mga kinakailangan sa magnetic conductivity ng mga static power equipment tulad ng mga transformer. Ang average na anggulo ng paglihis ng oryentasyon ng butil ng ordinary oriented silicon steel (CGO) ay humigit-kumulang 7°, at ang saturation magnetic susceptibility value na B8 ay higit sa 1.82Tesla; Ang average na anggulo ng paglihis ng oryentasyon ng butil ng high magnetic oriented silicon steel (Hi-B) ay humigit-kumulang 3°, at ang halaga ng B8 ay higit sa 1.90 Tesla.
haluang metal na walang hugis
Ang amorphous alloy ay isang metallic functional material na may mga atom na random na ipinamamahagi sa matrix ng materyal, na nagtataglay ng isang "glassy" na komposisyon. Ang isang tipikal na amorphous alloy ay naglalaman ng 80% iron, kung saan ang natitirang mga bahagi ay boron at silicon. Ang materyal na ito ay may mga katangian ng mataas na saturation magnetic induction strength (1.54T), mataas na magnetic permeability, mababang excitation current, at napakababang iron loss.
Ang pagkawala ng bakal ng mga amorphous alloy na nakabatay sa bakal ay isang-katlo hanggang isang-lima lamang ng sa mga oriented silicon steel sheet, na binabawasan ang pagkawala ng walang karga ng mga amorphous alloy transformer ng 70% hanggang 80% kumpara sa mga tradisyonal na silicon steel transformer. Ang saturation magnetic flux density ng mga amorphous alloy ay medyo mababa (mga 1.5T), kaya ang rated magnetic flux density ay karaniwang pinipili bilang 1.3-1.4T.
Ang kapal ng amorphous alloy strip ay lubhang manipis, 0.03mm lamang, na nagreresulta sa lamination coefficient na humigit-kumulang 80% lamang para sa amorphous iron core. Bagama't ang amorphous alloys ay may mas mababang specific gravity kaysa sa silicon steel sheets, ang bigat ng iron core ay medyo mabigat pa rin.
Disenyo ng pangunahing istruktura
Ang disenyo ng istruktura ng core ng transformer ay sumailalim din sa makabuluhang ebolusyon. Mula sa pinakamaagang laminated iron core, hanggang sa hugis-C na iron core, at pagkatapos ay sa hugis-singsing (coiled iron core) iron core, ang bawat istruktura ay may kanya-kanyang katangian at bentahe.
Ang pabilog na bakal na core ay ginagawa sa pamamagitan ng pag-ikot ng mga piraso ng silicon steel, na parang isang mahigpit na nakabalot na clock spring. Ang ganitong uri ng bakal na core ay may tuloy-tuloy na magnetic circuit na walang mga puwang sa hangin, na nagreresulta sa mababang magnetic resistance at mataas na kahusayan. Kung ikukumpara sa mga laminated transformer na may parehong kapasidad, ang mga toroidal transformer ay may mga bentahe ng maliit na sukat, magaan, at mababang magnetic leakage.
Para sa mga amorphous alloy transformer, dahil sa kahirapan ng pagputol ng kanilang mga materyales, kadalasan silang dinisenyo bilang mga istrukturang coiled iron core. Ang istrukturang core ng isang single-phase transformer ay isang frame, habang ang istrukturang core ng isang three-phase transformer ay nabubuo sa pamamagitan ng pagsasama ng apat na frame sa isang istrukturang katulad ng isang three-phase five column structure. Ang istrukturang ito ay nagbibigay-daan sa bawat phase winding na mailagay sa dalawang magkakahiwalay na frame ng magnetic circuit, na epektibong nag-aalis ng impluwensya ng third harmonic magnetic flux.
Proseso ng paggawa ng materyal na bakal na core
Ang proseso ng paggawa ng mga silicon steel sheet ay masalimuot, lalo na ang mga naka-orient na silicon steel sheet. Ang proseso ng produksyon nito ay masalimuot, makitid ang process window, at mataas ang kahirapan sa produksyon. Ito ay kilala bilang "handicraft ng mga produktong bakal".
Ang proseso ng paggawa ng mga cold-rolled non-oriented silicon steel sheet ay karaniwang kinabibilangan ng: hot rolling steel billets o continuous casting billets sa mga coil na may kapal na humigit-kumulang 2.3mm, na sinusundan ng acid washing, cold rolling, annealing, at mga proseso ng insulation film coating. Para sa mga produktong mataas sa silicon, kinakailangan munang i-normalize ang mga ito sa 800-850 ℃ pagkatapos ng hot rolling, na sinusundan ng acid washing, cold rolling sa isang tiyak na kapal, annealing, pagkatapos ay cold rolling sa mababang reduction rate, at sa huli ay ang final annealing.
Ang pinakakaraniwang paraan para sa paggawa ng mga amorphous alloy ay ang pag-spray ng tinunaw na singaw ng metal sa isang high-speed na umiikot na copper winding frame, at ang tinunaw na metal ay pinapalamig at pinapatatag upang maging manipis na mga tadyang sa bilis na 106 ℃/s. Ang mataas na internal stress na nabubuo sa pamamagitan ng quenching ay dapat bawasan sa pamamagitan ng annealing sa pagitan ng 200 ℃ at 280 ℃ upang makakuha ng mahusay na magnetic properties.
Mga benepisyo sa pagtitipid ng enerhiya ng mga materyales na bakal
Marami ang mga transformer at may malaking kapasidad sa sistema ng kuryente, na nagreresulta sa malaking kabuuang pagkalugi. Tinatayang ang kabuuang pagkalugi ng mga transformer sa Tsina ay bumubuo ng humigit-kumulang 10% ng henerasyon ng kuryente ng sistema. Ang bawat 1% na pagbawas sa mga pagkalugi ay maaaring makatipid ng bilyun-bilyong kilowatt-oras ng kuryente taun-taon.
Ang mga amorphous alloy iron core transformer ay may malaking epekto sa pagtitipid ng enerhiya. Ang no-load loss ng mga SH12 series amorphous alloy core transformer ay nababawasan ng humigit-kumulang 75% kumpara sa mga S9 series silicon steel transformer. Bagama't mas mahal ang mga amorphous alloy transformer kaysa sa mga tradisyunal na transformer, ang kanilang mga gastos sa pagpapatakbo ay napakababa, at ang payback period ng pamumuhunan ay karaniwang nasa pagitan ng 2-5 taon.
Ang mga rehiyong maunlad sa ekonomiya na kinakatawan ng mga lalawigan ng Shanghai, Jiangsu, at Zhejiang ay malawakang gumamit ng mga amorphous alloy transformer. Plano pa nga ng Jiangsu Electric Power Company na mag-install ng mga bago at nirenovate na linya sa hinaharap, at ang paggamit ng mga amorphous alloy transformer ay hindi dapat bababa sa 30%.
Ang trend ng pag-unlad ng mga materyales na bakal
Ang mga materyales na bakal ay umuunlad patungo sa mababang pagkawala ng bakal at mataas na magnetic induction. Para sa mga silicon steel sheet, kabilang ang non-oriented silicon steel para sa mga motor na may mababang pagkawala ng bakal at mataas na kahusayan, ang thin specification ultra-low iron loss na may mataas na magnetic induction oriented silicon steel, at ang high silicon steel para sa mga medium at high-frequency na energy-saving electrical appliances.
Ang high silicon steel (Si Fe alloy na may 4.5%~6.7% Si) ay may mga katangian ng makabuluhang nabawasang pagkawala ng bakal sa mataas na frequency, mataas na maximum magnetic permeability, at mababang coercivity. Ngunit ang nilalaman nito ng Si ay masyadong mataas, at ang plasticity nito ay napakahina sa temperatura ng silid, na nagpapahirap sa paggulong at pagbuo. Sa kasalukuyan, ang mga non-oriented na 6.5% Si Fe alloy na materyales ay pangunahing inihahanda sa pamamagitan ng proseso ng silicon infiltration.
Ang mga nano-modify na materyales at mga bio-based na materyales ay isa rin sa mga direksyon ng pag-unlad sa hinaharap. Dahil sa pagtaas ng pangangailangan para sa pangangalaga sa kapaligiran, ang pagbuo ng mga hindi nakalalason, biodegradable, o recyclable na mga materyales na may pangunahing bakal ay magiging isang mahalagang direksyon ng pananaliksik.
Konklusyon
Ang ebolusyon ng mga materyales ng core ng transformer ay nakasaksi sa perpektong kombinasyon ng agham ng materyales at electrical engineering. Mula sa ordinaryong carbon steel hanggang sa mga silicon steel sheet, at pagkatapos ay sa mga amorphous alloy, ang bawat tagumpay sa materyal ay makabuluhang nagpabuti sa antas ng kahusayan sa enerhiya ng mga transformer.
Sa mundo ngayon kung saan ang pagtitipid ng enerhiya at pagbabawas ng emisyon ay naging isang pandaigdigang pinagkasunduan, ang pagpili ng mahusay na mga materyales sa iron core ay hindi lamang nauugnay sa mga benepisyong pang-ekonomiya, kundi pati na rin sa responsibilidad sa kapaligiran. Sa hinaharap, sa patuloy na paglitaw ng mga bagong materyales at proseso, ang mga transformer core ay patuloy na uunlad patungo sa mas mababang pagkalugi at mas mataas na kahusayan, na nakakatulong sa pagtatayo ng isang berde at mababang-carbon na sistema ng enerhiya.
Oras ng pag-post: Agosto-29-2025
