电工钢板综述

世界金属导报/2010年/4月/6日/第020版

质量品种

电工钢板综述

高宏适

1电工钢板

电工钢板是为提高马达、变压器功能的铁芯用磁性材料。世界电工钢板的产量在1000万t 以上，是使用量最多的磁性材料。根据用途的不同，无取向电工钢板(NO)用于马达，取向电工钢板(GO)用于变压器。

马达是将电能通过无取向电工钢板铁芯产生的磁能转换为动能进行转动的装置，变压器是将电能通过取向电工钢板铁芯产生的磁能再次转换为电能，并使电压发生变化的装置。铁芯是高密度利用磁能的必要部件。就像理科实验中将线圈缠绕在铁钉作成的电磁铁。如果没有铁芯，马达不能产生功率，变压器将会变得非常庞大。

为使电工钢板形成强大的磁力，必须对电工钢板进行提高磁通密度(准确的说法是磁场应答系数导磁率)的设计。铁是能够使具有很大磁力(磁矩)的单个铁原子平行排列形成“强磁体”的代表性物质。为最大限度发挥铁的这种性能，按照对晶粒取向、晶粒大小、钢的纯度的规定要求制造电工钢板(其中晶粒取向尤为重要)。这些制造要求可以控制电工钢板的性能。

对于电工钢板还有一个与磁通密度同样重要的性质。在电工钢板中进行电能向磁能的转换中，有一部分能量以热的形式损失掉(铁损)。尽可能降低这个能量损失是十分重要的(低铁损)。

为防止地球温室化在削减CO2+的措施中，京都议定书是人所共知的。在京都议定书中将电工钢板低铁损化作为磁性材料直接为减排做贡献的重要条款。根据日本“节能法”，空调机等家电和变压器的产品效率的平均值应超过某一规定时期的最高效率产品的效率值，成为领先的高效率产品。不言而喻，混合动力汽车的马达铁芯和发电机铁芯也要求使用低铁损电工钢板。

在能量转换时，电工钢板铁芯的磁场是变化的(交流磁化)。磁场变化时，电磁感应电动势会在电工钢板中引起感应电流(涡流)流动。涡电流引起的电阻热是铁损的一个主要原因。提高电工钢板的电阻，抑制涡电流，可以减少发热(铁损)。为此，在电工钢板中添加提高电阻的合金元素，达到低铁损化的目的。硅(si)提高电阻效果好，价格又低廉，是电工钢板最常用的元素。钢中添加si可以显著改善磁学特性，是电工钢板的起源，因此，电工钢板曾被叫做硅钢板。

通过减小涡电流实现低铁损化的一个有效方法是将薄板材料重叠起来使用。与厚板材料相比，薄板材料中产生的感应电动势小、涡电流小。为了不让涡电流在叠片的层间流动，就要在钢板表面涂敷绝缘薄膜。电工钢板比其它钢板薄很多。通常的厚度规格是，取向电工钢板:0.35mm、0.30mm、0.27mm、0.23mm，无取向电工钢板:0.5mm、0.35mm。

2高磁通密度低铁损取向电工钢板

变压器从运行开始就24h不停地被交流磁化，在其使用寿命的数十年中，连续不断地发生铁损。因此，采用低铁损取向电工钢板是变压器长期使用过程中减少能量消耗的重要措施。

铁的晶体结构是体心立方结构(BCC)，原子位于立方体的顶点和立方体的中心(图1a)。由于这种原子配置，使得铁在不同的磁场方向下，被磁化的容易程度不同，即产生磁各向异性(图1b)。利用磁各向异性，使变压器用取向电工钢板的铁的易磁化方向(易磁化轴)<100>轴，以几度以内的精度沿轧制方向一致排列(图1c)，就可以提高轧制方向的磁通密度(无取向电工钢板的晶粒取向是混乱无序的(图1d))。由于只有极少的电流流过铜线，所以取向电工钢板是很强的磁铁。

另一方面，在为实现高磁通密度磁化的设计方法上，有小型化、减少电工钢板使用量等趋势，这样可以节约装置空间。但是这样一般会使铁损增加，能量消耗增大。因此开发高磁通密度低铁

损取向电工钢板是非常重要的。

高磁通密度低铁损取向电工钢板是通过严格控制晶粒取向制造出的产品。<100>轴在轧制方向的集中度，普通取向电工钢板材平均7°，高磁通密度取向电工钢板材达到3°。这样，使磁通密度提高了5%以上，并使高磁通密度条件下的铁损减少了20%。

高磁通密度取向电工钢板材在高磁通密度条件下铁损减少的同时，还具有使变压器噪音减小的效果。在靠近变压器时会感觉到变压器发出的嗡嗡低频噪音。产生这种噪音的一个最大原因就是取向电工钢板材的“磁致伸缩”。磁致伸缩是电工钢板被磁化时发生的伸长和收缩现象，以电力系统使用的50Hz～60Hz交流频率的偶数倍进行振动(以什么频率伸长和收缩是因材料特性和使用条件而变化的复杂问题)。近年来，由于人们居住环境意识的提高和在城市近郊区变压器安装量的增加，对降低变压器噪音的要求与日俱增。

高磁通密度取向电工钢板材的磁致伸缩小，可以降低变压器的噪音。其原因与磁畴结构有关。

3磁畴控制的低铁损取向电工钢板

取向电工钢板材的内部并不是被均匀磁化的，而是被分成一个一个的方向相同，大小相同(饱和磁化)的磁畴结构(图2，黑色和白色都表示磁化方向，黑色和白色的界限是磁畴壁，以磁畴壁为界，磁化方向相反)。

变压器铁芯被交流励磁时，磁畴壁发生移动，作为铁损原因的涡电流集中到磁化方向相反的磁畴壁。这时，磁畴宽度小的磁畴壁会发生缓慢移动，使感应的涡电流变小，从而降低了铁损。

利用这个降低铁损原理，开发出对电工钢板表面进行激光处理或机械刻痕的“磁畴控制技术”。采用该技术使铁损降低约10%。这种磁畴控制的取向电工钢板被用于最高效率的变压器。

4高效率无取向电工钢板

空调、电冰箱等长期使用的家电产品的马达也要求提高能量效率。2003年开始实施的先进技术产品法规定，上市的空调、电冰箱的平均能量效率要超过规定值。

为提高马达的效率，在降低铁损的同时，还要采用高磁通密度电工钢板以及进行抑制线圈电流引起发热的设计。

为降低铁损，可在钢中添加合金元素增加电阻，但会使磁通密度降低。现在用控制工艺条件的方法，开发出铁损相同但磁通密度很大的高效率无取向电工钢板系列产品。该系列产品中除了晶粒取向，对不利于电工钢板磁化的晶界和夹杂物等都控制到了极限程度，从而实现了高磁通密度。

5高强度无取向电工钢板

在马达小型化的同时，高转速马达也在增加。在高转速情况下，马达的转子会受到离心力的作用，在有些情况下会导致断裂。为此，开发出高速马达用屈服强度为800MPa的高强度无取向电工钢板材(普通无取向电工钢板材是450MPa以下)。

6薄硅钢带

对于上述的高速马达来说，除了转子的强度，降低定子的高频铁损也很必要，因此需要有更薄的高电阻电工钢板。

薄硅钢带适用于高频(kH级)用途。薄硅钢带的厚度是0.10mm和0.05mm，有取向电工钢板型和无取向电工钢板型两种。

随着变压器、马达的高功能化和多样化，电工钢板也在日益高功能化。今后，为适应市场的需求，将会继续开发出高功能、多样化的电工钢板。