非晶合金变压器铁芯专利技术综述

曾言

摘 要： 非晶合金由于具有优异的软磁性能，作为铁芯时能使变压器损耗大大降低，本文简要分析了非晶合金铁芯基本技术原理，对非晶合金变压器铁芯的专利技术发展、专利布局、重要申请人等进行了分析。

关键词： 非晶合金；变压器；铁芯；铁心；涡流损耗

一、前言

目前，我国所有变压器自身消耗的电能占全国总发电量的5%-10%。降低变压器损耗是我国电网建设中的一项不可忽视的任务。非晶合金由于具有优异的软磁性能，作为铁芯时能使变压器损耗大大降低，相应的发电需求也将下降，这有利于我国建设资源节约型社会，实现经济社会全面协调可持续发展。

二、非晶合金变压器铁芯基本技術原理浅析

变压器在运行时，励磁电流在铁芯中产生交变磁通，引起铁芯产生涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗是铁芯中产生的感应电流引起的热损失，其大小与铁芯材料电阻以及铁芯叠层厚度成反比。因此，铁芯所采用的材料对变压器损耗影响很大。传统的变压器铁芯采用的材料是硅钢片，而非晶合金的投产使铁芯使用导磁材料迈入了一个新的阶段。

非晶合金是上世纪70年代问世的一种新型合金材料， 变压器铁芯是铁基非晶合金，其主要以铁、镍、钴等金属为合金基，并加入少量的硼、硅等非金属元素。铁、硼、硅等元素按一定比例掺合后以百万分之一秒的速度由熔融状态急剧冷却凝固，然后形成一种类似玻璃体的非晶合金，这种合金的特点是没有结晶。在交变磁场作用下，其磁畴因不受结晶界限和方向限制，转动磁畴所消耗的能量大大减少。

三、非晶合金变压器铁芯专利技术发展历程

非晶合金的诞生已经逾半个世纪，而非晶合金变压器铁芯实现规模化生产已经数十年。由图1可以发现，其技术发展大致可分为三个阶段。

（一）起步期：1960-1984

1960年，美国加利福尼亚大学的研究人员率先发现非晶合金。20世纪70年代，外国各企业开始对适用于变压器的铁基非晶合金进行研究。在1980年以前，全球相关专利申请的数量仅为10件。

在上述申请中，大部分仅为涉及制作铁芯的铁基非晶合金组分的发明。

1980年-1984年，各公司开始陆续提交一些涉及具体非晶合金变压器铁芯结构的申请。这一阶段公开的非晶铁芯结构大多属于在传统的硅钢片结构中部分应用非晶合金材料，如JP昭54-50810A，JP昭58-87808A。例如，铁芯外侧为硅钢带，内侧为非晶薄带。

可见，这一时期的专利主要关注于在传统的硅钢片结构中部分应用非晶合金材料，非晶合金铁芯仍处于小规模的研究阶段。整体均为非晶合金制造的铁芯仍在研究中，并未正式投入商业化生产使用。

（二）平稳发展期：1985-2004

这一时期，非晶合金变压器铁芯的世界专利申请量实现了增长。我国在“七五”中期也开展了非晶合金变压器铁芯的研制工作，但当时全球只有日立金属能够大规模生产非晶合金带材，所以，引进工作受到国内非晶合金材料的材质、带宽、价格及产量等因素的影响，进展比较缓慢。在这一时期，非晶合金变压器铁芯的申请人绝大部分集中在美国和日本。申请人多为世界知名的电气设备企业，如通用电气（General Electric）、西屋电气（Westinghouse Electric），日立集团（Hitachi LTD）等。

这一时期的技术发展重点在于对铁芯本体紧固性的提高，即增强对铁芯带材或叠片间的结构强度，如US5441783A中的涂覆结构、EP0380935 A1中的钢套结构等。

（三）迅速发展期：2005至今

随着我国用电负荷的不断增长，配电网的建设改造的不断深入，我国电力设备行业也经历了迅速发展期，因此，从2005年至今，我国的相关专利申请在世界专利申请中所占的比重大幅提高。在这一时期，非晶合金变压器铁芯的改进点主要在铁芯的安装结构上，如降低铁芯运行时的噪音。在制作过程中，由于铁芯非晶带往返弯曲会使部分带材破碎、脱落，使铁心的噪音增加。CN101447314A提出了在叠片间涂上胶水涂层，从而减少运行时噪音的方法。

另外，也有许多申请提出了对于铁芯安装困难，难以承受大的机械应力的解决方案。非晶合金变压器的器身结构有别于常规的变压器，其通常是在某个轭位设置有一个断口，安装时通过打开断口套装线圈， 然后闭合断口。所以在变压器运行时，非晶合金铁芯可以承受的机械应力较小。所以诸如CN1783371A、CN102664088A等采用了悬挂式的安装结构，即由压板、木板、吊具、垫块等铁芯则悬挂于线圈上，如此，铁芯运行时受力较小。

四、非晶合金变压器铁芯专利情况分析

（一）申请量分析

自上世纪70年代以来，非晶合金变压器铁芯的专利申请量不断增长。尤其在2004年以后具有较高的增长速度，2009年后更是呈指数型增长。可见，非晶合金变压器铁芯正在得到越来越多的关注及重视。

另一方面，自2004年以来，我国关于非晶合金变压器铁芯的申请量占世界申请量的比重不断提高，同时也体现了我国企业的专利保护意识有所增强。

此外，从1985年专利制度开始实施至2004年，我国非晶合金变压器铁芯的专利申请仅有41件，体现了我国在非晶合金变压器铁芯的研发上起步较晚，但发展势头十分迅速。从另一方面也可以看出，由于我国的专利制度实施较晚，在时间上落后于欧美等西方发达国家，所以在专利布局方面与其他发达国家相比较为落后。

（二）专利有效性分析

非晶合金变压器铁芯相关的申请公开量在1200余件，但公告量仅有250余件，即授权率较低，仅为20.9%，这说明虽然各个公司在不断地进行技术研发并申请专利，但各公司间的研究重复性较高。

（三）国内外主要申请人分析

在外国申请人中，排名前五位的分别是，日立集团、通用电气、西屋电气、梅特格拉斯公司以及联信公司。国内主要申请人中，除日立集团和梅特格拉斯公司外，其余均为国内企业。

五、非晶合金变压器铁芯行业展望

采用非晶合金作为铁芯材料的变压器，其空载损耗可比同容量的硅钢芯变压器降低60%～80%，符合21世纪新材料发展的节能化环保化要求，可以预见，其将成为21世纪变压器铁芯的主导产品。