电流互感器铁芯加工过程中需要注意的若干问题
李丰念 吴雪锋 徐晓杰 夏广新 姜冬雪 大连第一互感器有限责任公司，辽宁 大连 116200
摘要：对影响铁心性能的几个常见问题进行了探讨，对铁心的生产工艺进行了分析。 关键词：硅钢片；毛刺；退火；保护气体 中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)08-0070-01
1 概述
目前，我们制造的电流互感器及变压器等，基本都采用了冷轧晶粒取向硅钢片（以下简称硅钢片）卷制成的铁芯，由于硅钢片的磁化性能对机械应力比较敏感，在硅钢片的裁剪和绕制的过程中，都会使磁性能下降，所以我们在以上过程的工作中，必须采取一些措施防止磁性能的下降及恢复硅钢片的磁性能，以满足对铁芯磁性能的要求。
2 裁剪与卷制
在硅钢片裁剪的过程中，电机的转速通常是一定的，一般都是匀速裁剪，这样可以保证裁剪下的硅钢片的平整，还预防了硅钢片局部受力不均匀和局部晶格结构畸变的问题。但关键是控制好硅钢片裁剪后的毛刺，这就要求控制好硅钢片的裁剪设备，保证裁下的硅钢带的毛刺。一般情况下，毛刺控制在0.05mm以下，最佳是控制在0.005-0.02mm之间。很多公司在硅钢片裁剪的过程中，还引进了毛刺去除机，以达到更理想的情况。
裁剪时，控制好硅钢片的毛刺是非常必要的。如果硅钢片的毛刺较大，用该硅钢片卷制铁心时，硅钢片间的离缝将会很大，结果就导致产品在运行时噪音较大，同时，铁心的涡流损耗也随之增大，自然铁心的性能也随之下降。由涡流损耗的增加和铁心噪音的增大，势必使产品的温度大大提升及产品寿命的降低，影响非常严重。
同时，硅钢片的叠片系数也随缝隙的增大而降低，导致同样规格的铁心，随着毛刺大小的差异，而有效截面积也大不相同。例如同样规格的90/150/80（mm）的铁芯，硅钢片的毛刺分别控制在0.02mm和0.06mm，叠片系数分别为0.965和0.95，则铁芯的有效截面积分别为23.16cm2和22.8cm2，对铁心性能的影响非常明显。减小毛刺对节约产品成本也是一个很好的选择，以上述铁心为例，同样变比为600/5A，准确级为10P20，容量在20VA的一个电流互感器线圈，叠片系数为0.965，则80mm高的铁心即可，若叠片系数为0.95，则同样参数需要85mm高的铁心，一个线圈就浪费了0.31Kg的硅钢片。
裁剪好的硅钢片就可以拿来卷制铁心了，卷制的过程中，硅钢片的弯曲变形使铁心内的应力增大，使铁心的磁性能显著下降。现在的工艺在卷制时一般都是匀角速度卷制，保证了硅钢片的匀速弯曲，但是硅钢片随着铁心内外径的不同，弯曲程度也不相同，内应力的分布也就不均匀。为了使卷制完的铁心磁性能得以恢复，我们还要对其进行退火处理。
3 退火
一般情况下，硅钢片消除内应力均采用退火处理。铁心退火工艺与普通钢的退火类似，一般分为三个阶段：升温、保温和冷却。退火曲线如图所示：
图1 退火曲线
3.1 升温 70 2015年8期
升温是一个关键的过程，升温速度与炉子的结构和加热能力密切相关。为防止铁心受热不均匀而导致变形，需均匀的升温，而且不宜过快，一般控制在100～160℃/小时。从提高生产效率来考虑，速度越快越好，但是由于铁心的尺寸、堆放方式和装炉量等因素的影响，升温速度过快会导致铁心各部位温度不均而变形，推荐控制在140～150℃/小时。
升温时需要注意的一点是铁心的实际温度与热电偶的显示是否一致，热电偶的安装位置通常都已固定，但还需要定期校准。
3.2 保温
为达到消除应力并恢复铁心的磁性能，硅钢片的退火温度必须高于硅钢片的居里温度（硅钢片的居里温度约为740℃）。通常采用的铁心退火温度为750～800℃，但不能高于820℃，否则就有可能损坏硅钢片的绝缘涂层。一般我们为了节省能源，一般控制在760-780℃。保温时间也是影响铁心性能的关键因素，当仪表显示已达到保温温度时，实际上只有炉内气体和铁心表面达到了这一温度。要使所有铁心各部位都达到保温温度，必须让炉子保持温度一段时间。保温时间的长短与炉子的结构、热源种类、加热方式、铁心的尺寸、堆放方式、装炉量及硅钢片材质等均有关系，经验上一般取保温时间为1～2小时左右。但可适当考虑上述因素对保温时间的影响。如果铁心截面厚度太厚，还可以在升温的过程中增加1～2次保温时间。
3.3 冷却
冷却是一个很重要的过程，冷却速度决定着整个退火工艺的好坏。冷却的原则就是保证铁心不产生残余应力而且速度越快越好。实际上冷却速度也与炉子的结构、铁心尺寸、堆放方式、装炉量等因素有关。我们通常控制的冷却速度：当温度在800～550℃时取30-50℃/小时，当温度低于550℃时取80-100℃/小时或随炉冷却。温度在180～200℃时即可出炉冷却。
4 保护气体
铁心退火的前提是必须保证无有害气体渗入，不氧化，不致脆，无附加热应力产生。铁心退火方法常见有普通气氛退火、真空退火和保护气体退火三种。普通气氛退火由于铁心氧化问题难以解决已趋于淘汰，保护气体退火则采用的较多。保护气体退火就是向炉内充保护气体来防止铁心的氧化，虽然硅钢片有完整的绝缘漆层，但在800℃高温下并不能保证完全不被氧化，何况裁剪后的硅钢片断面依然会暴露在外面，因此我们通常严禁在强氧化气氛中进行退火。
硅钢片最适合的退火保护气体是含10%以下氢气的氮气，该气体是一种非爆非燃非氧化性的气体，该气体中的氢气和氮气中的残氧被化合成水而除掉，实际生产中大多企业均采用纯度为99.999%的液氮。
5 结束语
铁心是互感器和变压器的基础，铁心加工过程中的各个细节都非常重要，尤其是硅钢片的裁剪和铁心热处理这两个过程，需要注意的细节很多。
参考文献
[1]陈杰, 冯志辉, 罗小丽. 合理化机械设计在机械制造中 的应用[J]. 中国新技术新产品, 2014, (13):127.
[2]王晓展. 浅析机械设计与机械制造技术[J]. 科技创新与应用, 2014, (23).
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