Stal elektryczna - Electrical steel
.jpg)
Stal elektryczna ( Laminowanie stali , krzemowa stal elektryczna , stal krzemowa , stal przekaźnik , transformator stal ) jest żelazo stopu dostosowane do produkcji specyficznych magnetycznych właściwości: mała histereza powierzchnia powoduje niewielkie straty mocy na cykl, niskie straty rdzenia i wysokiej przepuszczalności .
Stal elektrotechniczna jest zwykle wytwarzana w postaci taśm walcowanych na zimno o grubości poniżej 2 mm. Paski te są cięte na kształt, aby laminowanie , które są ustawione ze sobą w celu utworzenia laminatów rdzeni z transformatorów oraz stojan i wirnik z silników elektrycznych . Laminaty mogą być przycinane do gotowego kształtu za pomocą wykrojnika i matrycy lub, w mniejszych ilościach, mogą być wycinane laserem lub drutem EDM .
Metalurgia
Stal elektryczna jest stopem żelaza, który może zawierać od zera do 6,5% krzemu (Si:5Fe). Stopy handlowe zwykle mają zawartość krzemu do 3,2% (większe stężenia powodują kruchość podczas walcowania na zimno). Mangan i aluminium można dodać do 0,5%.
Krzem zwiększa opór elektryczny żelaza około 5 razy; ta zmiana zmniejsza indukowane prądy wirowe i zawęża pętlę histerezy materiału, zmniejszając w ten sposób stratę rdzenia około trzykrotnie w porównaniu z konwencjonalną stalą. Jednak struktura ziarna twardnieje i powoduje kruchość metalu; ta zmiana niekorzystnie wpływa na urabialność materiału, zwłaszcza podczas walcowania. Podczas tworzenia stopu zanieczyszczenie musi być utrzymywane na niskim poziomie, ponieważ węgliki , siarczki , tlenki i azotki , nawet w cząstkach o średnicy zaledwie jednego mikrometra, zwiększają straty na histerezie, jednocześnie zmniejszając przepuszczalność magnetyczną . Obecność węgla ma bardziej szkodliwy wpływ niż siarka czy tlen. Węgiel powoduje również starzenie magnetyczne, gdy powoli opuszcza roztwór stały i wytrąca się w postaci węglików, co z czasem powoduje wzrost strat mocy. Z tych powodów poziom węgla jest utrzymywany na poziomie 0,005% lub niższym. Poziom węgla można zmniejszyć przez wyżarzanie stopu w atmosferze odwęglającej , takiej jak wodór .
Żelazo-krzemowa stal przekaźnikowa
| Rodzaj stali | Skład nominalny | Alternatywny opis |
|---|---|---|
| 1 | 1,1% Si-Fe | Żelazo z rdzeniem krzemowym „A” |
| 1F | Obróbka bez Si-Fe 1,1% | Żelazo z rdzeniem krzemowym „A-FM” |
| 2 | 2,3% Si-Fe | Żelazo z rdzeniem krzemowym „B” |
| 2F | Obróbka bez Si-Fe 2,3% | Żelazo z rdzeniem krzemowym „B-FM” |
| 3 | 4,0% Si-Fe | Żelazo z rdzeniem krzemowym „C” |
Przykłady właściwości fizycznych
- Temperatura topnienia : ~1500 °C (przykład dla ~3,1% zawartości krzemu)
- Gęstość : 7650 kg/m 3 (przykład dla 3% zawartości krzemu)
- Rezystywność (3% zawartości krzemu): 4,72× 10-7 Ω·m (dla porównania rezystywność czystego żelaza: 9,61×10 -8 Ω·m)
Orientacja ziarna
Stal elektrotechniczna wykonana bez specjalnej obróbki w celu kontrolowania orientacji kryształów, stal nieorientowana , zwykle ma poziom krzemu od 2 do 3,5% i ma podobne właściwości magnetyczne we wszystkich kierunkach, tj. jest izotropowa . Stal walcowana na zimno o niezorientowanym ziarnie jest często skracana do CRNGO.
Stal elektrotechniczna o zorientowanym ziarnie ma zwykle zawartość krzemu 3% (Si:11Fe). Jest przetwarzany w taki sposób, aby uzyskać optymalne właściwości w kierunku walcowania, dzięki ścisłej kontroli (proponowanej przez Normana P. Gossa ) orientacji kryształów względem blachy. Strumienia magnetycznego gęstość zwiększa się o 30% w cewce kierunku walcowania, chociaż jego nasycenia magnetycznego zmniejsza się o 5%. Stosowana jest na rdzenie transformatorów zasilających i rozdzielczych , walcowana na zimno stal o zorientowanym ziarnie jest często skracana do CRGO.
CRGO jest zwykle dostarczany przez zakłady produkcyjne w postaci cewki i musi być pocięty na „laminacje”, z których następnie powstaje rdzeń transformatora, który jest integralną częścią każdego transformatora. Stal o ziarnach zorientowanych jest stosowana w dużych transformatorach mocy i dystrybucji oraz w niektórych transformatorach wyjściowych audio.
CRNGO jest tańszy niż CRGO. Jest używany, gdy koszt jest ważniejszy niż wydajność oraz w zastosowaniach, w których kierunek strumienia magnetycznego nie jest stały, jak w silnikach elektrycznych i generatorach z ruchomymi częściami. Może być stosowany, gdy nie ma wystarczającej ilości miejsca do zorientowania komponentów, aby wykorzystać właściwości kierunkowe stali elektrotechnicznej o zorientowanym ziarnie.
Domeny magnetyczne i ściany domen ze zorientowanej stali krzemowej (obraz wykonany za pomocą CMOS-MagView)
Domeny magnetyczne i ściany domen ze zorientowanej stali krzemowej (obraz wykonany za pomocą CMOS-MagView)
Domeny magnetyczne i ściany domenowe z nieorientowanej stali krzemowej (obraz wykonany za pomocą CMOS-MagView)
Stal amorficzna
Materiał ten jest metalicznym szkłem przygotowanym przez wylanie stopionego stopu na obracające się, chłodzone koło, które chłodzi metal z szybkością około jednego megakelwina na sekundę, tak szybko, że nie tworzą się kryształy. Stal amorficzna jest ograniczona do folii o grubości około 50 µm. Właściwości mechaniczne stali amorficznej utrudniają tłoczenie laminatów do silników elektrycznych. Ponieważ taśma amorficzna może być odlewana na dowolną określoną szerokość poniżej około 13 cali i może być stosunkowo łatwo ścinana, jest to odpowiedni materiał na nawijane rdzenie transformatorów elektrycznych. W 2019 r. cena stali amorficznej poza Stanami Zjednoczonymi wynosi około 0,95 USD/funt w porównaniu ze stalą o ziarnach zorientowanych HiB, która kosztuje około 0,86 USD/funt. Transformatory z rdzeniami ze stali amorficznej mogą mieć straty rdzenia o jedną trzecią strat w przypadku konwencjonalnych stali elektrotechnicznych.
Powłoki laminowane
Stal elektrotechniczna jest zwykle powlekana, aby zwiększyć opór elektryczny między warstwami, zmniejszyć prądy wirowe, zapewnić odporność na korozję lub rdzę oraz działać jako smar podczas wykrawania . Istnieją różne powłoki, organiczne i nieorganiczne , a zastosowana powłoka zależy od zastosowania stali. Wybór rodzaju powłoki zależy od obróbki cieplnej laminatów, tego, czy gotowa laminacja będzie zanurzona w oleju, oraz temperatury pracy gotowego aparatu. Bardzo wczesną praktyką było izolowanie każdego laminatu warstwą papieru lub powłoką lakierniczą, ale to zmniejszało współczynnik ułożenia rdzenia i ograniczało maksymalną temperaturę rdzenia.
ASTM A976-03 klasyfikuje różne rodzaje powłok dla stali elektrotechnicznej.
| Klasyfikacja | Opis | Do wirników/stojanów | Zabieg antyadhezyjny |
|---|---|---|---|
| C0 | Naturalny tlenek powstały podczas obróbki młyna | Nie | Nie |
| C2 | Szkło jak film | Nie | Nie |
| C3 | Emalia organiczna lub powłoka lakiernicza | Nie | Nie |
| C3A | Jak C3, ale cieńszy | TAk | Nie |
| C4 | Powłoka wytworzona przez obróbkę chemiczną i termiczną | Nie | Nie |
| C4A | Jak C4, ale cieńszy i bardziej spawalny | TAk | Nie |
| C4AS | Wariant antyadhezyjny C4 | TAk | TAk |
| C5 | Wysoka odporność podobna do C4 plus wypełniacz nieorganiczny | TAk | Nie |
| C5A | Jak C5, ale bardziej spawalny | TAk | Nie |
| C5AS | Wariant nieprzywierający C5 | TAk | TAk |
| C6 | Powłoka organiczna z wypełniaczem nieorganicznym o właściwościach izolacyjnych | TAk | TAk |
Właściwości magnetyczne
Typowa względną przenikalność (μ R ) stali elektrycznej jest 4000 razy większa niż w próżni.
Właściwości magnetyczne stali elektrotechnicznej zależą od obróbki cieplnej , ponieważ zwiększenie średniej wielkości kryształów zmniejsza utratę histerezy. Strata histerezy jest określana za pomocą standardowego testera Epsteina i, dla popularnych gatunków stali elektrotechnicznej, może wynosić od około 2 do 10 watów na kilogram (1 do 5 watów na funt) przy 60 Hz i natężeniu pola magnetycznego 1,5 tesli .
Stal elektrotechniczna może być dostarczana w stanie półprzetworzonym, tak że po wykrawaniu końcowego kształtu można zastosować końcową obróbkę cieplną w celu uzyskania zwykle wymaganej wielkości ziarna 150 mikrometrów. W pełni przetworzona stal elektrotechniczna jest zwykle dostarczana z powłoką izolacyjną , pełną obróbką cieplną i określonymi właściwościami magnetycznymi do zastosowań, w których wykrawanie nie pogarsza znacząco właściwości stali elektrotechnicznej. Nadmierne gięcie, nieprawidłowa obróbka cieplna, a nawet nieostrożne obchodzenie się mogą niekorzystnie wpływać na właściwości magnetyczne stali elektrotechnicznej, a także mogą zwiększać hałas z powodu magnetostrykcji .
Właściwości magnetyczne stali elektrotechnicznej są testowane przy użyciu międzynarodowej standardowej metody ramowej Epsteina .
Rozmiar domen magnetycznych w blasze elektrotechnicznej można zmniejszyć, żłobiąc powierzchnię blachy laserem lub mechanicznie. To znacznie zmniejsza straty histerezy w zmontowanym rdzeniu.
Aplikacje
Organizacje pozarządowe są wykorzystywane głównie w urządzeniach wirujących, na przykład silnikach elektrycznych, generatorach oraz przetwornikach częstotliwości i wysokiej częstotliwości. Z drugiej strony GOES stosuje się w urządzeniach statycznych, takich jak transformatory.
Zobacz też
- Żelazokrzem , materiał wyjściowy do stali krzemowej