非晶合金變壓器鐵芯專利技術(shù)綜述

曾言

摘 要： 非晶合金由于具有優(yōu)異的軟磁性能，作為鐵芯時能使變壓器損耗大大降低，本文簡要分析了非晶合金鐵芯基本技術(shù)原理，對非晶合金變壓器鐵芯的專利技術(shù)發(fā)展、專利布局、重要申請人等進行了分析。

關(guān)鍵詞： 非晶合金；變壓器；鐵芯；鐵心；渦流損耗

一、前言

目前，我國所有變壓器自身消耗的電能占全國總發(fā)電量的5%-10%。降低變壓器損耗是我國電網(wǎng)建設(shè)中的一項不可忽視的任務(wù)。非晶合金由于具有優(yōu)異的軟磁性能，作為鐵芯時能使變壓器損耗大大降低，相應(yīng)的發(fā)電需求也將下降，這有利于我國建設(shè)資源節(jié)約型社會，實現(xiàn)經(jīng)濟社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

二、非晶合金變壓器鐵芯基本技術(shù)原理淺析

變壓器在運行時，勵磁電流在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，引起鐵芯產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗。渦流損耗是鐵芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起的熱損失，其大小與鐵芯材料電阻以及鐵芯疊層厚度成反比。因此，鐵芯所采用的材料對變壓器損耗影響很大。傳統(tǒng)的變壓器鐵芯采用的材料是硅鋼片，而非晶合金的投產(chǎn)使鐵芯使用導(dǎo)磁材料邁入了一個新的階段。

非晶合金是上世紀70年代問世的一種新型合金材料， 變壓器鐵芯是鐵基非晶合金，其主要以鐵、鎳、鈷等金屬為合金基，并加入少量的硼、硅等非金屬元素。鐵、硼、硅等元素按一定比例摻合后以百萬分之一秒的速度由熔融狀態(tài)急劇冷卻凝固，然后形成一種類似玻璃體的非晶合金，這種合金的特點是沒有結(jié)晶。在交變磁場作用下，其磁疇因不受結(jié)晶界限和方向限制，轉(zhuǎn)動磁疇所消耗的能量大大減少。

三、非晶合金變壓器鐵芯專利技術(shù)發(fā)展歷程

非晶合金的誕生已經(jīng)逾半個世紀，而非晶合金變壓器鐵芯實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)已經(jīng)數(shù)十年。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，其技術(shù)發(fā)展大致可分為三個階段。

（一）起步期：1960-1984

1960年，美國加利福尼亞大學的研究人員率先發(fā)現(xiàn)非晶合金。20世紀70年代，外國各企業(yè)開始對適用于變壓器的鐵基非晶合金進行研究。在1980年以前，全球相關(guān)專利申請的數(shù)量僅為10件。

在上述申請中，大部分僅為涉及制作鐵芯的鐵基非晶合金組分的發(fā)明。

1980年-1984年，各公司開始陸續(xù)提交一些涉及具體非晶合金變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)的申請。這一階段公開的非晶鐵芯結(jié)構(gòu)大多屬于在傳統(tǒng)的硅鋼片結(jié)構(gòu)中部分應(yīng)用非晶合金材料，如JP昭54-50810A，JP昭58-87808A。例如，鐵芯外側(cè)為硅鋼帶，內(nèi)側(cè)為非晶薄帶。

可見，這一時期的專利主要關(guān)注于在傳統(tǒng)的硅鋼片結(jié)構(gòu)中部分應(yīng)用非晶合金材料，非晶合金鐵芯仍處于小規(guī)模的研究階段。整體均為非晶合金制造的鐵芯仍在研究中，并未正式投入商業(yè)化生產(chǎn)使用。

（二）平穩(wěn)發(fā)展期：1985-2004

這一時期，非晶合金變壓器鐵芯的世界專利申請量實現(xiàn)了增長。我國在“七五”中期也開展了非晶合金變壓器鐵芯的研制工作，但當時全球只有日立金屬能夠大規(guī)模生產(chǎn)非晶合金帶材，所以，引進工作受到國內(nèi)非晶合金材料的材質(zhì)、帶寬、價格及產(chǎn)量等因素的影響，進展比較緩慢。在這一時期，非晶合金變壓器鐵芯的申請人絕大部分集中在美國和日本。申請人多為世界知名的電氣設(shè)備企業(yè)，如通用電氣（General Electric）、西屋電氣（Westinghouse Electric），日立集團（Hitachi LTD）等。

這一時期的技術(shù)發(fā)展重點在于對鐵芯本體緊固性的提高，即增強對鐵芯帶材或疊片間的結(jié)構(gòu)強度，如US5441783A中的涂覆結(jié)構(gòu)、EP0380935 A1中的鋼套結(jié)構(gòu)等。

（三）迅速發(fā)展期：2005至今

隨著我國用電負荷的不斷增長，配電網(wǎng)的建設(shè)改造的不斷深入，我國電力設(shè)備行業(yè)也經(jīng)歷了迅速發(fā)展期，因此，從2005年至今，我國的相關(guān)專利申請在世界專利申請中所占的比重大幅提高。在這一時期，非晶合金變壓器鐵芯的改進點主要在鐵芯的安裝結(jié)構(gòu)上，如降低鐵芯運行時的噪音。在制作過程中，由于鐵芯非晶帶往返彎曲會使部分帶材破碎、脫落，使鐵心的噪音增加。CN101447314A提出了在疊片間涂上膠水涂層，從而減少運行時噪音的方法。

另外，也有許多申請?zhí)岢隽藢τ阼F芯安裝困難，難以承受大的機械應(yīng)力的解決方案。非晶合金變壓器的器身結(jié)構(gòu)有別于常規(guī)的變壓器，其通常是在某個軛位設(shè)置有一個斷口，安裝時通過打開斷口套裝線圈， 然后閉合斷口。所以在變壓器運行時，非晶合金鐵芯可以承受的機械應(yīng)力較小。所以諸如CN1783371A、CN102664088A等采用了懸掛式的安裝結(jié)構(gòu)，即由壓板、木板、吊具、墊塊等鐵芯則懸掛于線圈上，如此，鐵芯運行時受力較小。

四、非晶合金變壓器鐵芯專利情況分析

（一）申請量分析

自上世紀70年代以來，非晶合金變壓器鐵芯的專利申請量不斷增長。尤其在2004年以后具有較高的增長速度，2009年后更是呈指數(shù)型增長。可見，非晶合金變壓器鐵芯正在得到越來越多的關(guān)注及重視。

另一方面，自2004年以來，我國關(guān)于非晶合金變壓器鐵芯的申請量占世界申請量的比重不斷提高，同時也體現(xiàn)了我國企業(yè)的專利保護意識有所增強。

此外，從1985年專利制度開始實施至2004年，我國非晶合金變壓器鐵芯的專利申請僅有41件，體現(xiàn)了我國在非晶合金變壓器鐵芯的研發(fā)上起步較晚，但發(fā)展勢頭十分迅速。從另一方面也可以看出，由于我國的專利制度實施較晚，在時間上落后于歐美等西方發(fā)達國家，所以在專利布局方面與其他發(fā)達國家相比較為落后。

（二）專利有效性分析

非晶合金變壓器鐵芯相關(guān)的申請公開量在1200余件，但公告量僅有250余件，即授權(quán)率較低，僅為20.9%，這說明雖然各個公司在不斷地進行技術(shù)研發(fā)并申請專利，但各公司間的研究重復(fù)性較高。

（三）國內(nèi)外主要申請人分析

在外國申請人中，排名前五位的分別是，日立集團、通用電氣、西屋電氣、梅特格拉斯公司以及聯(lián)信公司。國內(nèi)主要申請人中，除日立集團和梅特格拉斯公司外，其余均為國內(nèi)企業(yè)。

五、非晶合金變壓器鐵芯行業(yè)展望

采用非晶合金作為鐵芯材料的變壓器，其空載損耗可比同容量的硅鋼芯變壓器降低60%～80%，符合21世紀新材料發(fā)展的節(jié)能化環(huán)保化要求，可以預(yù)見，其將成為21世紀變壓器鐵芯的主導(dǎo)產(chǎn)品。