磁g腺化细化硅钢片的铁损分析

磁g腺化细化硅钢片的铁损分析

硅钢片的铁损失包括磁阻损失和蠕变损失，腕流损失可分为经典涡流损失和异常室内空气损失。在工频下,异常涡流损耗约占铁损的一半左右。异常涡流损耗是以磁畴壁的移动为基础的涡流损失,与磁畴壁的移动速率成正比,在相同频率下,畴壁的移动速率与移动距离成正比,所以磁畴宽度越大,涡流损失越大。磁畴细化技术就是通过减小取向硅钢主畴宽度来降低其涡流损耗的物理处理方法。磁畴细化技术可以使取向硅钢铁损降低10%～20%,很多钢铁企业或科研院所对该项技术展开了研究。日本新日铁公司采用激光照射技术使Hi-B钢铁损降低15%左右,牌号为ZDKH的磁畴细化硅钢片于1983年投入市场。日本JFE公司开发了一种耐热型的磁畴细化技术,其0.23mm和0.27mm的产品以JGSD的名称商品化。在欧洲和美国的专利中,也报道了通过局部热变形或轧辊形成沟槽的磁畴细化方法。而在我国,该项技术研究尚处于起步阶段,仅东北大学、大连理工大学和航空部五零一所有相关研究的报道。广泛研究国外细化磁畴的方法,深入研究细化磁畴的理论,并以此为鉴,对于开发出适合我国硅钢生产实际情况的磁畴细化技术具有很大的意义。1磁体的改进方法磁畴细化技术按照其是否能经受800℃以上消除应力退火处理分为耐热和非耐热两种。1.1非特异性磁极细化技术(1)钢带不能再涂层通过移动大量的直径较大的有一定间距的球使之与钢片接触,在钢片表面施加强的局部压力以产生塑性形变线,这些线垂直于轧向,间隔约5mm,压力为20～60N。经过这种处理后P17最多可降低9.4%。处理后的钢带不需要再涂层。该装置包括一排安装在固定支架上的转动机构,可通过移动直接接触钢带表面。转动机构由一个与大量小球接触的大球构成,大球弹性的偏离支撑机构并与钢带接触,所有的球都是由坚硬耐磨的材料做成。(2)钢带表面磁联反应的机理用照射能量为几个mJ的半宽脉冲式或连续式激光束以点状或线状沿与轧向垂直的方向以大约5mm的间距照射在带有绝缘膜的成品钢带表面。激光束的热量在钢板的表面之下产生一弹性-塑性形变区域。磁畴可能是通过在弹塑性形变区产生的压应力和刻痕间的张应力来细化的。激光刻痕后铁损可降低10%左右,当硅钢片在不小于500℃退火时,激光刻痕的效果就基本消失,如果变压器制造过程中包括有消除应力退火工序,如卷绕式铁心变压器,采用这种方法就没有意义了。(3)表面放电扫描放电处理法是一种沿横向经放电处理局部产生塑性变形来细化磁畴的方法。通过绝缘涂层钢板表面与电极接触放电进行扫描。放电处理间距为1～30mm,放电痕迹宽度或直径为0.004～2mm,线与线或点与点间距为0.1～0.8mm,沿钢带横向装一排放电电极。P17降低约0.1W/kg,B8无变化,绝缘膜层间电阻高。(4)钢板表面等离子体流的应用将等离子强制冷却,接着经喷嘴口约束成为高速气流,以射流形式离开喷嘴,中心区温度超过10000℃,这种高温、高能等离子流垂直于轧向短时间照射在钢板表面上,实现磁畴细化,而绝对不损坏钢板表面涂层。由于等离子流引入应变的结果,在承受等离子流照射的钢板区域中的磁畴转变成为“应力图样磁畴”,降低了在应力图样与180°畴相交处产生的自由磁极引起的静磁能,使180°畴壁间距减小。经等离子流照射后铁损最大可降低约16%。(5)次晶粒尺寸冷轧带沿横向局部经高频感应或电阻加热,使初次晶粒尺寸比其他区域大于50%,以后二次晶粒长大受到抑制,二次晶粒尺寸减小,磁畴细化,局部加热区间隔不小于2mm,宽度小于1.5mm,处理时间不小于0.5s。如果高温退火后沿横向局部加热到不小于800℃,同时加2.5MPa以上压力,也使磁畴细化和防止因受热而引起的钢板不平。(6)玻璃膜的去除高温退火后在玻璃膜表面用振动体经(1×10-5)～(1×10-1)kg·m/s运动量往返运动,通过产生的冲击力沿横向局部线状破坏玻璃膜,同时不影响玻璃膜产生的拉应力作用,即在钢板中产生不均匀弹性应变,当振动频率f在超声波范围内时,冲击力为2mfL,当f大于10Hz和2mfL大于5×10-6kg·m/s时,玻璃膜完全去掉,P17降低约0.1W/kg,同时,叠片系数不降低。玻璃膜去除区由于受塑性应变而新产生的拉力与损失掉的拉力相等。处理后经平整拉伸退火和涂绝缘膜,烧结温度小于700℃,否则处理效果消失。1.2可靠性磁极薄技术(1)钢架齿的制作对有玻璃膜的硅钢片,局部应变用齿状辊压入,辊上加有212～300kg的载荷,压出的凹槽深10～25μm,装置由齿辊和压力辊组成,压力辊由支撑辊加压,齿辊与压力辊相对。应变引入后涂上张力涂层,然后在850℃涂层烧结,接着进行850℃,4h消除应力退火。齿间距与齿条宽度分别为5mm和60μm,齿间形状为平面,钢板的凹槽线偏离轧向75°。凹槽附近产生约100μm小晶粒,其位向不是(110),在它们与二次晶粒形成的晶界上产生了可逆亚磁畴,其长度为2～3mm,这使磁畴细化和铁损明显降低。齿状辊引入应变后,P17明显增高,但850℃退火后P17显著降低,并且叠片系数不降低。(2)蚀坑与磁织化先经激光照射局部破坏涂层膜,使金属基体裸露,然后将钢片浸在硝酸中10～20s,形成约20μm的蚀坑,蚀坑形成后,钢片用水冲洗,再涂层,适当深度的蚀坑以及重新涂应力涂层膜填满蚀坑时产生的局部应力使磁畴细化。经过850℃,2h消除应力退火后P17降低8%～10%。(3)-fe含量的影响沿横向经机械加工或激光照射等方法使钢板产生微小的形变,再在此局部区域镀上Sb,Sb沿激光照射区扩散进硅钢片,以一定间隔形成无磁化区,扩散进硅钢片中的Sb和钢中的Fe起反应,生成Sb-Fe合金,退火使渗Sb硅钢片铁损降低,在800～850℃消除应力退火后铁损保持稳定。在渗Sb区磁力线被迫偏离板面,自由磁极在此处产生,形成了包括大部分90°的亚磁畴,当施加9.807N/mm2张力时,90°畴消失,180°畴细化。P17降低0.12～0.15W/kg,磁畴宽度减小约1/3。如果用脉冲激光沿横向经小于45°点线状照射,形成ϕ10～1mm,3～100μm深的三角锥形沟槽,0.23mm厚板的P17降低0.10～0.13W/kg并耐热。照射后玻璃膜仍然存在,依靠玻璃膜产生的拉力细化磁畴,这种拉力在退火时不会消除。(4)电解蚀刻工艺在最终冷轧后的钢板上局部涂布抗蚀剂,使未涂布部分与轧向垂直,接着,未涂布抗蚀剂基体显露的部分进行电解蚀刻形成沟,沟宽约为150μm,深20μm,轧向间隔3～4mm。接着进入碱溶槽中浸渍,剥离抗蚀剂,经脱碳退火,最终高温退火,平坦化退火及涂布绝缘膜制成成品。经800℃,3h消除应力退火后,铁损降低10%～15%。2磁体薄扩展机2.1其他磁滞损耗公式通常硅钢片的铁损主要指涡流损耗和磁滞损耗。按照经典的涡流损耗公式,板材的经典涡流损耗可用Pce表示为:Pce=π2d2f2B2m6ρ(1)Ρce=π2d2f2Bm26ρ(1)式中:d为板厚,f为频率,Bm为饱和磁感应强度,ρ为电阻率。在此公式的推导中,曾假定铁磁体各处的磁导率相同。事实上,当磁场不太强时,磁化过程主要是畴壁位移过程,dB/dt仅限于局部区域。故涡流电流密度I也应当是局域分布的。由于电功率与I2成比例,因而将产生额外的能量损耗。即所谓的反常涡流损耗。考虑反常涡流损耗后,总的涡流损耗Pe可用下式表示:pe=Pce·η(2),由Pry-Bean模型‚η=1.628⋅Ld(3)‚‚η=1.628⋅Ld(3)‚L为主畴宽度。因此总的涡流损耗pe为:pe=1.628π2f2B2mdL6ρ(4)pe=1.628π2f2B2mdL6ρ(4)磁滞损耗来自不可逆的磁化过程(不可逆的畴壁位移过程或不可逆的磁化矢量转动过程)。在直流磁化过程中的磁滞回线面积即代表了这一损耗的大小,即磁化一周的磁滞损耗能量为:Ph=HdB,H为磁场强度,B为磁感应强度。取向硅钢是软磁材料,其矫顽力非常小,其磁滞回线窄而长,并且对于理想化的取向硅钢在立方晶系的易磁化方向磁化时,Br=Bs,这样,高斯织构高磁感取向硅钢的磁滞损耗可近似表示为:Ph=4fBsHc(5)式中f为频率,Hz;Bs为饱和磁感应强度,T,Hc为矫顽力,A/m。根据上述公式,利用反磁化核的成核和长大模型,叶曦等人推导出了高磁感取向硅钢的磁滞损耗公式:Ph=144γ⋅fD(6)Ρh=144γ⋅fD(6)式中γ为磁畴壁能量密度,D为晶粒沿轧制方向的平均尺寸。主畴宽L与晶粒尺度D有如下关系:D=0.498C11λ2100L2γ(7)D=0.498C11λ1002L2γ(7)将(7)式代入(6)式得:Ph=288fγ2C11λ2100L2(8)Ρh=288fγ2C11λ1002L2(8)因此,高磁感取向硅钢的铁损计算公式为:Ph=Pe+Ph=1.628π2f2B2mdL6ρ+288fγ2C11λ2100L2(9)Ρh=Ρe+Ρh=1.628π2f2B2mdL6ρ+288fγ2C11λ1002L2(9)从(9)式可见,减小沿〈001〉方向的晶粒平均尺寸而细化180°主畴宽可降低涡流损耗,同时也使磁滞损耗增加。为简化起见,将其他量看作是常数,Pt是L的函数,由极值法可知,在驻点L0处,Pt取得极小值。即令∂Pt/∂L=0,可得使Pt取极小值的L0为:L30=864γ2ρ1.628π2fB2mdC11λ2100(10)L03=864γ2ρ1.628π2fBm2dC11λ1002(10)由(10)可见,可以通过物理方法减小主畴宽度,使其接近L0,从而降低铁损,使其趋近于最小值。2.2磁通物质的变化影响磁畴宽度的主要因素是晶粒尺寸和受力状态,可表示为:L0=[4γ0L0/(C11λ2100+32λ100σr)]1/2L0=[4γ0L0/(C11λ1002+32λ100σr)]1/2上式说明沿轧向施加张应力或减小晶粒尺寸可以细化磁畴。当通过激光或机械等方法在硅钢片表面刻痕时,在刻痕所产生的弹-塑性形变区内存在压应力,此压应力提高了磁弹性能,所以形成了横向亚磁畴,另一方面,由于刻痕线及残余应力的存在,产生了表面自由磁极,为降低表面自由磁极所造成的静磁能,形成了尖钉状亚磁畴,垂直于轧向刻痕,在平行的刻痕线之间存在张应力,施加张应力会使横向亚磁畴的磁弹性能增加,施加压应力,横向亚磁畴的磁弹性能减少,主磁畴的磁弹性能刚好相反。180°主磁畴中的尖钉状磁畴和横向亚畴是不稳定的,张应力的出现降低了磁弹性能,使横向亚磁畴减少,尖钉状亚磁畴长大,并在某些情况下转变为180°主磁畴,180°主畴壁间距因此被细化。由于刻痕主要是残余应力引起的,经过消除应