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变压器铁心材料的发展
戴庆忠
第一节铁心用软磁材料
铁心是电机、变压器的重要部件。电机、变压器铁心对材料的基本要求是，在一定频率及磁通密度下具有低的铁心损耗，和在一定磁场强度下具有高的磁通密度。在电机、变压器的发展过程中，曾经采用和目前应用的铁心材料有：1.纯铁、软钢和无硅钢；2.硅钢片；3.铁镍合金（坡莫合金）；4.铁铝合金；5.非晶态合金；6.微晶合金。下面分别介绍这些材料的发展情况。
纯铁、软钢及无硅钢
最早的电机铁心是直棒形或马碲形的纯铁棒。1837年，斯特金（W.Sturgeon，1783～1850）首先用纯铁丝制作电机铁心。1870年，A.佩勒斯等人首先用软铁片制作铁心。1879年，爱迪生发明软钢片叠成的铁心。
最早的变压器铁心（感应线圈铁心）是用铁棒做成的，后来又改用铁丝制作铁心。1885年，匈牙利岗茨工厂开始采用薄铁带作变压器铁心；1887年，岗茨工厂出现用软铁片叠成的变压器铁心。19世纪90年代及以后，用软铁片叠成的变压器铁心逐渐推广。同时一些工厂用软钢片取代软铁片，制成变压器铁心。
尽管如此，人类仍孜孜不倦地对软铁、软钢进行改进。特别是希奥弗（Cioffi）和因森（Yensen）研究发现，纯铁在高温氢中进行除杂质处理后可以显著改善磁性能，使纯铁的u0达到20000，um达到340000。1940年后许多国家又推广真空冶炼法，改进轧制和热处理工艺、使软铁、软钢的性能有所改善，使它们在硅钢片风行全球的时候仍在某些小型电机变压器铁心中有所应用。特别是从50年代末期开始，情况开始发生变化。美、日、苏、英等从经济性和实际用途考虑，采用新的冶炼、轧制退火工艺，又开始大力发展冷轧无硅低碳电工钢片和电磁纯铁电工片。美国从50年代末期开始用无硅电工钢片取代一般的低硅钢片，用于生产日用电器、分马力电机和一部分小电机，1972年，美国无硅钢片的用量已占电工钢片总量的50%。苏联60年代后开发出ЭO00～ЭO300牌号的无硅钢片，推广用于小型电机、电器中；英国无硅钢片发展很快，80年代初的产量与硅钢片持平；日本无硅钢片使用较少，一些不太重要的产品则多采用低级硅钢片。
无硅电工钢片具有价格低、冲制性能好、磁感高等优点，其最明显的缺点是损耗太高，从而大大限制了它的应用场合，所在在70年代能源危机后，无硅钢片的生产又逐渐回落。
2硅钢片
2.1热轧硅钢片
早期硅钢片是热轧硅钢片，含硅量较低，一般Si含量为1～2%（B级），多用于电动机中。以后硅含量增加，1929年日本开始生产变压器用T级硅钢片（Si含量4～4.5%）。由于早期生产工艺不成熟，硅钢片的损耗较高。图1为1932年热轧硅钢片的损耗-磁通密度（W-B）曲线。1954年，开始制造采用焊接工艺将硅钢板焊成卷状的硅钢片，从而使连续加工成为可能。
（B级含Si1～2%；T级含Si4～4.5%）
1954年后，随着冷轧硅钢片的出现，热轧硅钢片产量逐渐降低。美国60年代停止热轧硅钢片生产，1967年日本停止生产热轧硅钢片，英国、法国也于70年代淘汰了热轧硅钢片。美国、英国、日本30、40年代热轧硅钢片的性能比较见表1。
美国
Alieg-heny
Arma-ture
Elect-rical
Dynamo
SuperDynamo
DynamoSpecial
Transf
"D"
"C"
"B"
"A"
"A-1"
"AA"
Armco
Electric
Special
Interm-ediate
Trancor
2
3
4
6
AISI
M-43
M36
M-27
M-22
M-19
M-17
M-15
M-14
铁损
(0.35mm)
W10/50
2.25
2.04
1.78
1.68
1.44
1.36
1.27
1.15
1.03
0.93
W15/50
7.40
6.20
4.56
4.30
3.70
3.44
3.18
2.84
2.58
2.49
2.41
磁化特性
B25
B50
B100
15,400
16,300
17,330
15,300
14,300
15,120
16,200
15,050
15,850
14,750
15,650
14,450
15,150
16,600
14,000
14,780
15,600
固有电阻率
μΩcm
22
28
45
53
54
65
68
含硅量
%
0.75
1.25
2.7
3.7
3.75
5.0
5.2
日本
B
C
D
T145
T135
T120
2.30
2.10
1.80
1.45
1.35
1.20
5.60
4.80
3.85
3.60
3.20
B300
14,800
15,800
16,900
19,200
14,700
15,700
16,700
19,000
14,400
16,400
18,700
13,900
14,900
15,900
18,200
英国
A
1.40
2.45
2.20
2.05
15,200
16,100
2.2冷轧无取向硅钢片
美国AlleghenyLudlum公司20世纪40年代开始生产冷轧无取向硅钢片。1954年日本开始生产冷轧无取向硅钢片。由于冷轧硅钢片具有损耗低、质量可靠、厚度均匀、表面平整等优点，所以它一出现就得到了广泛的应用，在许多场合取代了热轧硅钢片。
冷轧无取向硅钢片自诞生之日起，就沿两条技术路线发展：一是沿低价格、低Si含量方向发展，以取代热轧硅钢片；二是沿低损耗、高Si含量方向发展。70年代石油危机后，由于节能电机、高效率发电机的需要，使低损耗冷轧无取向硅钢片得到很大发展。日本1983年开发出当时世界最高水平的H6硅钢片。表2为几个国家冷轧无取向硅钢片的性能。
表2冷轧无取向硅钢片性能比较
2.3取向硅钢片
表33～3.5%Si的硅钢片工艺
单取向硅钢片在与轧制方向垂直方向的导磁性能较低，为克服这一缺点，德国真空熔炼公司在40年代发明了双取向硅钢片。1957年，美国GE公司和西屋公司也几乎同时制成双取向硅钢片，60年代日本川崎和八幡工厂也研制成功双取向硅钢片。它在轧制方向和垂直方向上的磁性能都与单取向硅钢片轧制方向的磁性能相近。这种硅钢片的晶粒呈立方体组织（图3）。单取向和双取向性硅钢片的性能比较见表4。
表4单取向和双取向硅钢片性能比较
*在15，000G，60Hz时的损耗
1968年，日本新日铁工厂开始工业化生产高导磁密度取向硅钢片，它的商用名是“OrientcoreHi-B”，简称“Hi-B”；1972年，开发出大晶格高导磁取向硅钢片；1981年又进而开发出小晶格高导磁取向硅钢片；1982年，日本开始生产表面激光照射处理（ZDKH）的高导磁取向硅钢片，进一步降低了铁损。1988年，日本又开发出采用机械方法形成微小应力法（ADMH）的高导磁取向硅钢片。日本新日铁公司取向硅钢片的发展见图4。50年代，几个国家单取向硅钢片的性能见表5。1955～1975年间，日本取向硅钢片及无取向硅钢片的质量变迁见图5。1880～1970年间，铁心钢片铁损的下降曲线见图6。
表5各国单取向硅钢片磁特性
国别
苏联
西德
国家标准
或厂名
ΓOCT802-58
钢铁公司
Armco公司
列查特公司
克鲁普公司
厚度
0.35mm
0.355mm
0.305mm
0.33mm
等级
Э310
Э320
Э330
Э330A
80
73
66
M-7X
M-6X
M-7W
M-6W
44
40
37
33
HyPerm5
P15/50（W/kg）
1.75
1.5
1.3
1.1
1.22
1.11
1.19
1.07
1.23
1.12
1.01
1.3～
1.6
B0.3※
B0.5
B1
B5
B10
-
16,000
17,500
18,300
16,500
18,000
17,000
18,500
11,150
13,250
16,800
17,400
18,250
18,900
12,700
14,250
15,500
17,250
17,800
18,600
13,800
15,100
18,800
19,300
11,100
17,100
17,900
11,800
17,050
17,600
18,400
19,100
11,650
13,600
15,000
16,450
17,950
12,400
14,200
15,550
10,400
11,400
12,300
13,500
6,900
11,330
最大导磁率
μm
—
42,500
53,700
70,500
50,000
54,000
45,000
37,000
43,500
53,000
61,000
31,000
注：——B0.3代表0.3Oe时的磁通密度（G），其余类推。
3铁镍合金（坡莫合金）
铁镍合金具有导磁率很大、矫顽率很低、电阻率不高的特点，加之价格昂贵、工艺性能较差等特点。因此，在电机变压器领域，仅用作小型变压器、控制用微电机、控制用变压器、高灵敏度变压器和高精度变压器等的铁心中。
50年代末期铁镍合金与纯铁、硅钢片的磁化曲线的比较见图7。50年代末期，铁镍合金的性能见表6。
表6各国铁镍合金的性能
材料牌号
（mm）
化学成分
初导磁率μo
矫顽力
Hc（Oe）
磁感应
Bs（G）
电阻系数×10-5
ρ（Ω·cm）
生产厂
50H
0.35
50镍
3,000
35,000
0.12
4.5
79HMA
0.1
5钼79镍
200,000
0.015
7，500
5.6
0.005
68,000
0.07
80HXC
2.8铬1.3硅80镍
40,000
140,000
0.02
7，000
6.3
0.01
65,000
0.05
45Permalloy
45镍
2,500
25,000
0.3
16，000
西方电气公司
3.8-78.5Cr
Permalloy
3.8铬
78.5镍
12,000
62,000
8，000
6.5
4-79Mo
4钼79镍
20,000
100,000
8，700
5.5
Supermalloy
1000,000
0.002
7，900
6.0
电报工程公司
Mumetal
77镍
20,000～30,000
90,000
0.03
6.2
Supermumetal
0.007
Radio
Metal
2,000
0.16
Radil-metal
4,500
0.055
4.0
真空冶炼工厂
Permenorm
5000H2
5,500
60,000
5000H3
5000G3
0.08
Vacoperm
70～80镍加铬、钼、铜等
PermalloyC
150,000
0.008
9，000
M1040
30,000
6，200
M583
5，000
Ultrapem
120,000
300,000～
500,000
0.006
TMC
≤0.1
镍78
20,000～50,000
60,000～
东北金属工业
TMC-V
0.05～0.2
30,000～70,000
80,000～
TMB
≤0.35
镍45
2,000～4,000
20,000～
超坡莫
0.025
0.05,0.1
钼5镍79
50,000～150,000
250,000～
600,000
4铁铝合金
本世纪初叶，人们发现在纯铁中加入1%的铝可以提高纯铁的磁性能，但并未在电工领域获得应用。1948年，日本人增本·斋藤着眼于Fe2Al的规则晶粒，进行了含铝16%的铁铝合金的研究，获得成功，他将这种铁铝合金命名为“Alperm”，其u0=3100，u-m-=54700。同年5月，他在《日本金属学会志》上发表了他的研究成果，引起较大反响，并使这种合金在40年代末期后进入工业应用领域。但是，当时这种合金既硬又脆，机械加工性能较差。1954年，美国人纳奇曼（F.Nachman）将含铝16%的铁铝合金经真空冶炼、氢中脱碳、脱氧，经铸-热轧-冷轧，制成了0.1mm厚的薄板，并取名为“Alfenol”，这种铁铝合金的导磁性有所提高，u0=1500～4000，um=15000～70000（以后又提高到115，000～130，000）。
在铁铝合金中，人们还添加某些其它元素，如Mo、Mn等，以改善其性能。如美国的“Thermanol”合金（Al16%，Mo3%，Fe81%），前苏联的“Ю14Г3”合金（Al14.4%，Mn3.26%，其余Fe）。
铁铝合金具有较高的导磁率和较高的电阻率，加之价格较铁镍合金便宜，并具有良好的耐热、耐蚀性能，所以在小型变压器、控制变压器、互感器和微特电机中得到了应用。
50年代末期的铁铝合金性能见表7
表7各国铁铝合金性能
材料名称
Ю16
Ю14Γ3
Ю14M2
Alperm
New
11.7
Alfenol
15.5
Thermanol
铝16
铝14.4
锰3.26
铝14.83
钼1.97
铝11.7
铝15.5
铝16钼3
初导磁率μO
3,750
3,700
6,000
3,400
4,600
6,300
最大导磁率μm
67,000
124,500
55,000
96,000
最大磁感应Bs（G）
B8=5,650
8,550
8,950
8,000
7,900
5,400
残余磁感应Br（G）
3,500
4,250
矫顽力Hc（Oe）
0.022
0.038
0.030
0.077
0.079
0.018
电阻系数（Ω·cm×10-5
14.5
14.3
14
15
注：B8磁场在8Oe下的磁感应；4）苏联Bs=B125（在125Oe下的磁感应）；5）美国Bs=B30（在30Oe下的磁感应）
5非晶态合金
非晶态电工钢片是把一些液态合金（如Fe-Si-B合金）以每秒百万度摄氏的冷却速度直接冷却到固态，获得合金中的非晶结构的一种软磁材料，其主要优点是磁感应高、铁耗低（约为取向硅钢片的1/2～1/3）。
1960年，美国人杜韦兹（P.Duwez）发明快淬金属工艺，制造出非晶合金。1968年，GE公司的留博斯基（Luborsky）发现非晶合金具有损耗很低（10.44/W/kg）的特点。为此，1970年美国联信（Allied）公司开始生产非晶合金带材，从而引发了70年代研究非晶合金的高潮。1979年出现单辊非晶制带法，推动了非晶合金工业化生产。1979年，Allied公司研制出2605SC非晶态合金（Fe81%,Bl1%,Si3%,C5%）,后又研制出不含C的2605S2的非晶态合金（Fe78%，Bl3%，Si9%）。80年代，美国、日本、德国相继建成年产万吨级的连续制带设备，苏联、德国、捷克、匈牙利等也建成了非晶合金工业生产装置。中国从1976年开始研究非晶合金，80年代开始生产非晶合金。
非晶合金钢片已用于冲制变压器铁心、三相电机定子铁心等，其铁心损耗比无取向硅钢片铁心低得多。
非晶态合金钢片与热轧硅钢片、冷轧硅钢片的损耗比较见表8，非晶合金与高导磁硅钢片性能比较见表9。
表8几种电工钢片的相对损耗（B=1.5T）
年份
材料
相对损耗
1960年前
1958
1972
1981
1983
1985
热轧非取向硅钢片
冷轧非取向硅钢片
高导磁大晶格取向硅钢片
高导磁小晶格取向硅钢片
高导磁激光照射硅钢片
非晶态合金
100
30
27
25
20
8
表9非晶合金与高导磁硅钢片性能的对比
特性项目
非晶合金2605SC
非晶合金2605S2
高导磁电工钢片Z6H
电力铁心片2605S2
磁
特
性
100℃，1.4T/60Hz时单位损耗（W/kg）
100℃，1.4T/60Hz时励磁特性（VA/kg）
25℃饱和磁通密度（T）
100℃饱和磁通密度（T）
矫顽力（A/m）
剩磁（T）
磁致伸缩（×102mm）
电阻率（μΩ·cm）
0.27
0.72
1.61
1.51
4.8
30（较大）125
0.21
0.37
1.55
1.49
3.2
1.17
27（较大）130
0.9
0.94
2.03
7.2
4（较小）4.5
0.25
1.58
1.47
1.2
物
理
机
械
厚度（μm）
密度（gcm2）
叠片系数（%）
居里温度（℃）
结晶温度（℃）
抗张力（N/mm2）
硬度（Hr）
7.32
＞75
375
475
700
1050
7.18
414
550
1500
900
300
7.65
97
746
320
210
130
90
415
535
6微晶合金
微晶合金材料是随近20年来金属快速凝固技术进步而发展起来的新型导磁材料。1988年，日本日立金属所发现（Fe，Co）-Si-B系铁基合金中加入适量的Cu和Nb等元素，其非晶薄带在经低温加热后即在非晶相内析出约20mm大小的bcc亚稳相的均匀分布的超微晶粒，即制备出了纳米级Fe-Si微晶窄带。90年代，许多国家纳米级Fe-Si微晶合金进行了研究，形成了不同的工艺路线，如对晶粒取向硅钢片室温局部加压，然后高温退火，使形成纳米级微晶；或采用激光照射使其微晶化；或采用特殊工艺使Fe-Si-B非晶合金微晶化。除Fe-Si系列外，人们对Fe-M-B及Fe-M-C等系列微晶材料也进行了研究。
微晶合金钢片的饱和磁感应强度和磁导率很高，铁耗非常低，可用于要求较高的电机、电器中。
7电工钢片绝缘层
为了增大电机铁心叠片间的绝缘，减小叠片中的涡流损耗，同时改善电工钢片的焊接、冲剪性能，电工钢片表面都要求有一层绝缘层。
对绝缘层的基本要求是：绝缘电阻高、化学稳定性好、机械强度高、不粘结、耐腐蚀，同时要求绝缘层薄而平整，以提高叠片的叠片系数。
早期电工钢片是没有绝缘层的，后来随着人们对铁心涡流损耗的认识才开始注意电工钢片绝缘层问题。在电机发展史上，电工钢片绝缘伴随冶金、化工等的发展，也出现了许多变化，其主要绝缘方法有：
（1）氧化膜绝缘。利用钢片在退火过程中形成的氧化膜作为绝缘。这种方式简单、价廉，但绝缘效果欠佳，早期电机、变压器中应用较多，目前仅用于部分小型电机、变压器中。
（2）涂水玻璃绝缘。水玻璃绝缘便宜，但工艺性差、绝缘膜湿度大。
（3）纸绝缘。在整张电工钢片的一面粘一层绝缘纸。这种绝缘出现在19世纪末期，曾在欧洲等地得到广泛应用。
（4）无机盐涂层。将电工钢片放在铬酸盐或磷酸盐热溶液中，使之在钢片表面产生一层绝缘膜。
（5）无机漆绝缘。早期曾采用无机漆（如桐油漆）涂电工钢片两面。
（6）有机漆绝缘。用合成漆、酚醛树脂、合成树脂等在电工钢片两面涂漆，这是应用最广的绝缘方式。
（7）半有机漆绝缘。用水溶性或水分散系树脂与无机盐配合后得到的半有机漆，涂刷电工钢片表面。
图8为50年代前日本电工钢片绝缘层的层间电阻的比较。
第二节超导材料
1986年4月，一声春雷震响，瑞士科学家贝特诺兹（J.G.Bednorz）和米勒（K.A.Muller）宣布制备出Tc=35K的超导体-La-B-Cu氧化物超导体，从而引发了全球范围内研究高温超导材料的热潮。1987年1月，美国朱经武等人宣布观察到La-Ba-Cu氧化物在52.5K时具有超导电性,并于1987年制备出Tc=90K的氧化物超导体。中国赵忠贤、陈立泉等人1987年2月制备出Tc=78.5K，抗磁转变温度93K的Y-Ba-Cu-0超导体；1987年2月25日，赵忠贤等人向世界公布了这种超导体的组成元素极大地推动了国内外高温超导体的研究工作。其后，法国米切尔（Michel）等人宣布发现Tc=110K的Bi-Sr-Ca-Cu氧化物超导体；1988年，美国盛正直等人发现Tc=125K的Tl-Ba-Ca-Cu氧化物超导体。人们把这些氧化物陶瓷超导体统称为高温超导体。
高温超导体的发现具有划时代的意义，但在初期，高温超导材料的临界磁场Hc虽然都很高，但临界电流密度Jc却很低，最初Jc只有102A/cm2左右，与应用相差很远。为此，科学家从多方面进行攻关，80年代末至90年代初，日本、中国等已制备出Jc=（2～9.7）×104A/cm2的高温超导体，高温超导体线材的制备工艺也有所进展。预计在2005年前，室温超导体将问世，高温超导体的Jc将继续稳步提高；高温超导体的可加工性问题将得到解决。那时，高温超导体将大步进入强电领域，必将给整个电工产业，乃至全社会产生巨大的影响。