陈卓
当前，多国均采用流行的变压器铁芯剪切配送模式，这也是我国一直关注或借鉴的一种较先进的产业链服务模式。近年来，我国智能制造技术的发展，加快了变压器铁芯智能制造技术的进步，新冠肺炎疫情更加促进了这种进步。据悉，世界上最大的变压器铁芯制造企业LTC集团（年产变压器铁芯约10万吨），通过智慧工厂的铁芯制造技术，实现了铁芯专家设计、全自动数字化纵横剪、物流派送、一站式服务的目标，大大减少了人与人的直接接触，同时也可保障变压器厂的正常生产。
疫情期间，我们对国内主要变压器铁芯智能制造企业（无锡普天、无锡巨龙、大宏机电、无锡中浦、盐城光辉、泰州天力、泰州神龙等）进行统计显示，这些企业2019年共生产变压器铁芯约30万吨，其中配电变压器铁芯消耗量约占全国变压器铁芯总消耗量的40%，这为我国提供变压器铁芯智能制造产业链服务奠定了坚实的基础。
笔者认为，疫情过后，在“新基建”的强力推动下，变压器铁芯智能制造产业链服务模式将迎来春天。
变压器铁芯智能制造的五大关键技术要点
变压器铁芯的主要原材料是硅钢片或非晶合金带材，在这里我们主要分析将硅钢片加工形成变压器铁芯的过程。变压器铁芯本身就是一个设计技术，它主要包含了以下设计过程：钢卷数据运输→智能数据存储→内部运行→全自动纵、横剪→机器人铁芯叠片及总装→铁芯发运及存储。在该过程中，硅钢片全部采用“软接触”，全程无行车吊运、无人员参与直接生产、无人员触碰硅钢片，实现了从硅钢片入库直至铁芯成品叠装完成的全流程自动化。
硅钢片有一个比较特殊的特性，内在的晶粒呈规则的方向性排列，导磁性能的好坏与其排列的方向性有直接的关联。在用硅钢片制造铁芯过程中，会产生明显的应力，而应力会使硅钢片内部晶粒排向紊乱，导致硅钢片的单向导磁性能降低，从而使硅钢片单位损耗增大。针对这一特性，变压器铁芯智能制造的关键技术旨在减少加工过程中每个环节对硅钢片的应力损伤，降低变压器铁芯的损耗。
一是应力的控制及减少。硅钢片在智能制造及铁芯成品运输过程中，会发生摔打、冲切、挤压、拉伸、撞击等，对硅钢片造成很大的应力损伤，且这样的损伤在一定程度上是不可逆的。因此，在智能制造及运输过程中，所有的“硬接触”均要变成“软接触”，减少应力的产生。
二是检测及选材。目前，国内变压器企业有2000多家，硅钢片本身的性能会因不同的生产厂家、生产工艺，甚至不同的生产批次而有所不同，这就需要变压器铁芯智能制造企业对硅钢片的单位损耗、磁感应强度、叠片系数、抗折弯次数、涂层附着强度、涂层绝缘强度、材料厚度均匀性等重要参数进行检测，充分了解不同硅钢片的特性，根据不同的变压器结构、不同的使用环境、不同的加工工艺，选择出最合适的硅钢片。例如，纵切需要用到在线测厚仪、测损仪、涂层绝缘测试、针孔测量仪等，以检测硅钢片表面质量、单位损耗、材料厚度、涂层绝缘等指标，这样在纵切完成后，就可以对硅钢片进行二次审核筛选，根据测量结果调整下一工序的生产计划；横切需要用到自动测长设备、在线测叠厚设备，自动对监测结果进行调整。
三是环境控制及材料保护。硅钢片本身极易发生锈蚀，特别是在剪切端口。锈蚀会造成铁芯片间短路，涡流环流及铁损增大或发热，严重的还会因局部温升过高而破坏相邻部位的绝缘性，进而烧毁变压器。在加工过程中，传统的防锈方式是涂刷防锈材料，但这种方式会对变压器成品造成一定的不良影响，例如，油浸式变压器，若铁芯表面涂刷防锈油会造成变压器油介质损耗超标。材料保护有两个方面：一是涂层保护。在变压器运行过程中，涂层的缺失会增加变压器的涡流损耗，且极易提高硅钢片表面锈蚀的几率，因而在搬运及智能制造过程中，需要严格控制每一个工艺环节，确保所有与硅钢片表面接触的材料都不会损伤表面涂层。二是表面清洁度保护。在智能制造过程中，硅钢片不可避免地会裸露在空气中，表面会沉积一定的灰尘，且裁切或冲切过程中，在剪切断面也有一定的灰尘产生。若不及时清理，过多的灰尘沉积会造成变压器成品散热不畅，加速变压器绝缘老化，缩短使用寿命。
四是精度控制。在智能制造过程中，每个工序都应严格控制好对应的加工尺寸参数的精度。特别是在纵切、横切、叠片、总装等过程中，各个加工尺寸的精度都至关重要。在各个工序过程中，都有很多的参数需要控制，如纵切过程中的毛刺、宽度误差、直线度、剪切白边、收卷端面平整度等，横切过程中的长度误差、毛刺、角度误差等，叠片过程中的窗高误差、窗宽误差、对角线、铁芯上下轭中心线间距误差、各柱中心线间距误差等。所有这些参数都要在符合国家标准的同时，保证每个参数本身的一致性，才能保证最大程度减小剪切应力对硅钢片的影响，此外，较高的加工精度才能使铁芯成品的各项性能得到有效的保障。
五是表面处理及成品防护。一是因变压器使用环境、使用工况、噪声等级要求、使用寿命的不同，需要对铁芯表面做针对性处理，同时考虑到环保要求，对铁芯的表面预处理、涂覆材料选择、耐腐蚀等级控制、施工工艺选择、整体美观性等都需要进行严格的控制。二是铁芯加工完成后需要进行运输及临时存储，这个过程中，需要对铁芯整体进行相应的包装防护，确保铁芯整体不受灰尘、湿气、雨雪、盐雾等因素的影响。
变压器铁芯智能制造产业链服务将成新模式
以无锡普天铁心股份有限公司变压器铁芯智能制造技术为例，该公司成立近16年，目前是世界第二大变压器铁芯智能制造企业。其工厂有最先进的纵横剪自动化系统和机器人叠片系统，以及智能立库系统、定尺硅钢包装自动化及硅钢废料传输自动化系统，通过MES/ERP（企业资源计划/制造执行系统）信息系统支持，其工厂实现内部物资流系统和铁芯制造系统的高度自动化、信息化和智能化，现已形成10万吨铁芯智能制造能力，并主导制定了电力变压器铁芯相关国家标准。其先进的变压器铁芯智能制造技术使“空载损耗”降低3%左右，也大大促进了变压器铁芯智能制造产业链服务模式的发展。
铁芯智慧工厂应从智能制造与变压器设计岀发，能够给变压器企业提供专业的铁芯优化设计、截面填充系数、接缝结构、紧固节点方式及紧固结构、材料选择、夹件系统优化等建议。优化后的变压器铁芯，不仅需要满足变压器各项安装尺寸，还要能够提高变压器成品的各项性能，同时最大程度减少对硅钢片的使用。
这种服务模式将更好地满足变压器企业需求，合理利用社会资源，实现绿色制造，创造更大的社会价值，使铁芯智慧工厂真正成为变压器企业的“第一道工序”。
（作者系中国金属学会电工钢分会秘书长） 
