stringtranslate.com

Электротехническая сталь

Поликристаллическая структура текстурированной электротехнической стали после удаления покрытия.

Электротехническая сталь ( E-сталь, ламинированная сталь , кремниевая электротехническая сталь , кремниевая сталь , релейная сталь , трансформаторная сталь ) — это специальная сталь, используемая в сердечниках электромагнитных устройств, таких как двигатели, генераторы и трансформаторы, поскольку она снижает потери мощности. Это сплав железа с кремнием в качестве основного элемента-добавки (вместо углерода). Точная формула подобрана для получения определенных магнитных свойств: малая область гистерезиса, приводящая к низким потерям мощности за цикл, низкие потери в сердечнике и высокая проницаемость .

Электротехническая сталь обычно производится в холоднокатаных полосах толщиной менее 2 мм. Эти полосы разрезаются по форме для изготовления пластин, которые укладываются вместе для формирования пластинчатых сердечников трансформаторов , а также статора и ротора электродвигателей . Пластины могут быть разрезаны до их готовой формы с помощью пуансона и матрицы или, в меньших количествах, могут быть разрезаны лазером или электроэрозионной обработкой проволокой .

Металлургия

Электротехническая сталь — это сплав железа, который может содержать от нуля до 6,5% кремния (Si:5Fe). Коммерческие сплавы обычно содержат до 3,2% кремния (более высокие концентрации приводят к хрупкости при холодной прокатке). Марганец и алюминий могут быть добавлены до 0,5%. [1]

Кремний увеличивает электрическое сопротивление железа примерно в 5 раз; это изменение уменьшает индуцированные вихревые токи и сужает петлю гистерезиса материала, тем самым снижая потери в сердечнике примерно в три раза по сравнению с обычной сталью. [1] [2] Однако зернистая структура упрочняет и охрупчивает металл; это изменение отрицательно влияет на обрабатываемость материала, особенно при прокатке. При легировании загрязнение должно быть низким, так как карбиды , сульфиды , оксиды и нитриды , даже в частицах диаметром всего один микрометр, увеличивают потери на гистерезис, а также уменьшают магнитную проницаемость . Присутствие углерода оказывает более пагубное воздействие, чем сера или кислород. Углерод также вызывает магнитное старение, когда он медленно покидает твердый раствор и осаждается в виде карбидов, что приводит к увеличению потерь мощности с течением времени. По этим причинам уровень углерода поддерживается на уровне 0,005% или ниже. Уровень углерода можно снизить путем отжига сплава в обезуглероживающей атмосфере, например, в водороде . [1] [3]

Релейная сталь железо-кремниевая

Примеры физических свойств

Ориентация зерна

Неориентированная электротехническая кремниевая сталь (изображение получено с помощью магнитооптического датчика и поляризационного микроскопа)

Электротехническая сталь, изготовленная без специальной обработки для контроля ориентации кристаллов, неориентированная сталь, обычно имеет уровень кремния от 2 до 3,5% и имеет одинаковые магнитные свойства во всех направлениях, т. е. она изотропна . Холоднокатаная неориентированная сталь часто обозначается аббревиатурой CRNGO.

Электротехническая сталь с ориентированным зерном обычно имеет уровень кремния 3% (Si:11Fe). Она обрабатывается таким образом, что оптимальные свойства развиваются в направлении прокатки, благодаря жесткому контролю (предложенному Норманом П. Госсом ) ориентации кристаллов относительно листа. Плотность магнитного потока увеличивается на 30% в направлении прокатки рулона, хотя ее магнитное насыщение уменьшается на 5%. Она используется для сердечников силовых и распределительных трансформаторов , холоднокатаная сталь с ориентированным зерном часто сокращенно обозначается как CRGO.

CRGO обычно поставляется производственными заводами в форме катушек и должен быть разрезан на «пластины», которые затем используются для формирования сердечника трансформатора, который является неотъемлемой частью любого трансформатора. Сталь с ориентированным зерном используется в больших силовых и распределительных трансформаторах, а также в некоторых выходных аудиотрансформаторах. [10]

CRNGO менее дорогой, чем CRGO. Он используется, когда стоимость важнее эффективности и для приложений, где направление магнитного потока непостоянно, как в электродвигателях и генераторах с подвижными частями. Его можно использовать, когда недостаточно места для ориентации компонентов, чтобы воспользоваться направленными свойствами электротехнической стали с ориентированным зерном.

Аморфная сталь

Этот материал представляет собой металлическое стекло, полученное путем заливки расплавленного сплава на вращающееся охлаждаемое колесо, которое охлаждает металл со скоростью около одного мегакельвина в секунду, так быстро, что кристаллы не образуются. Аморфная сталь ограничена фольгой толщиной около 50 мкм. Механические свойства аморфной стали затрудняют штамповку ламинатов для электродвигателей. Поскольку аморфную ленту можно отливать любой определенной ширины менее 13 дюймов и ее можно сравнительно легко резать, она является подходящим материалом для намотанных сердечников электрических трансформаторов. В 2019 году цена аморфной стали за пределами США составляет приблизительно 0,95 долл. США за фунт по сравнению с ориентированной по зерну сталью HiB, которая стоит приблизительно 0,86 долл. США за фунт. Трансформаторы с сердечниками из аморфной стали могут иметь потери в сердечнике в размере одной трети от потерь в обычных электротехнических сталях.

Ламинирующие покрытия

Электротехническая сталь обычно покрывается для увеличения электрического сопротивления между ламинатами, уменьшения вихревых токов, обеспечения устойчивости к коррозии или ржавчине , а также для использования в качестве смазки во время высечки . Существуют различные покрытия, органические и неорганические , и используемое покрытие зависит от области применения стали. [11] Тип выбранного покрытия зависит от термической обработки ламинатов, от того, будет ли готовый ламинат погружен в масло, и от рабочей температуры готового аппарата. Очень ранняя практика заключалась в изоляции каждого ламината слоем бумаги или лакового покрытия, но это уменьшало коэффициент укладки сердечника и ограничивало максимальную температуру сердечника. [12]

ASTM A976-03 классифицирует различные типы покрытий для электротехнической стали. [13]

Магнитные свойства

Типичная относительная проницаемость (μ r ) электротехнической стали в 4000–38000 раз больше, чем у вакуума, по сравнению с 1,003–1800 для нержавеющей стали. [15] [16] [17]

Магнитные свойства электротехнической стали зависят от термической обработки , поскольку увеличение среднего размера кристаллов снижает потери на гистерезис. Потери на гистерезис определяются стандартным тестером Эпштейна и для обычных марок электротехнической стали могут составлять от 2 до 10 Вт на килограмм (от 1 до 5 Вт на фунт) при частоте 60 Гц и напряженности магнитного поля 1,5 Тесла .

Электротехническая сталь может поставляться в полуобработанном состоянии, так что после штамповки окончательной формы может быть применена окончательная термообработка для формирования обычно требуемого размера зерна 150 микрометров. Полностью обработанная электротехническая сталь обычно поставляется с изолирующим покрытием, полной термообработкой и определенными магнитными свойствами для применений, где штамповка не приводит к значительному ухудшению свойств электротехнической стали. Чрезмерный изгиб, неправильная термообработка или даже грубое обращение могут отрицательно повлиять на магнитные свойства электротехнической стали, а также могут увеличить шум из-за магнитострикции . [12]

Магнитные свойства электротехнической стали проверяются с использованием стандартного международного метода рамки Эпштейна . [18]

Размер магнитных доменов в листовой электротехнической стали может быть уменьшен путем скрайбирования поверхности листа лазером или механическим способом. Это значительно снижает потери на гистерезис в собранном сердечнике. [19]

Приложения

Незернистая электротехническая сталь (NGOES) в основном используется во вращающемся оборудовании, например, электродвигателях, генераторах и преобразователях частоты и высокой частоты. Зернисто-ориентированная электротехническая сталь (GOES), с другой стороны, используется в статическом оборудовании, таком как трансформаторы. [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Tong, Colin (2018). Введение в материалы для современных энергетических систем. Springer. стр. 400–. ISBN 978-3-319-98002-7.
  2. ^ Buschowl, KHJ et al. ed. (2001) Энциклопедия материалов: наука и технология . Elsevier. стр. 4807–4808. ISBN 0-08-043152-6 
  3. ^ Сидор, Ю.; Ковач, Ф. (2005). «Вклад в моделирование процесса обезуглероживания электротехнических сталей» (PDF) . Вісник Львовского университета. Серия физическая . 38 : 8–17.
  4. ^ "ASTM A867". ASTM . Получено 1 декабря 2011 г. .
  5. ^ "Silicon Core Iron "A"". CarTech . Получено 1 декабря 2011 г. .
  6. ^ "Silicon Core Iron "A-FM"". CarTech . Получено 1 декабря 2011 г. .
  7. ^ ab "CarTech® Silicon Core Iron "B-FM"". CarTech.
  8. ^ "CarTech® Silicon Core Iron "C"". CarTech . Получено 21 ноября 2019 г. .
  9. ^ Ниази, А.; Пьери, Дж. Б.; Бергер, Э.; Жути, Р. (1975). «Заметка об электромиграции границ зерен в кремнистом железе». Журнал материаловедения . 10 (2): 361–362. Bibcode : 1975JMatS..10..361N. doi : 10.1007/BF00540359. S2CID  135740047.
  10. ^ Вон, Эдди. "Single Ended vs. Push Pull: The Deep, Dark Secrets of Output Transformers" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 августа 2006 г.
  11. ^ Финк, Дональд Г. и Битти, Х. Уэйн (1978) Стандартный справочник для инженеров-электриков , 11-е изд. McGraw-Hill. С. 4–111. ISBN 978-0070209749 
  12. ^ ab Jump, Les (март 1981) Трансформаторная сталь и сердечники , Federal Pioneer BAT
  13. ^ "ASTM A976 – 03(2008) Стандартная классификация изоляционных покрытий по составу, относительной изоляционной способности и применению". ASTM A976 – 03(2008) . ASTM.
  14. ^ "Классификация изоляционного покрытия для электротехнической стали" (PDF) . Архивировано из оригинала 5 марта 2016 г. . Получено 28 февраля 2024 г. .{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
  15. ^ "10.2: Проницаемость некоторых распространенных материалов". 25 апреля 2019 г.
  16. ^ «Проницаемость».
  17. ^ https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000066142/4047647 таблица 5.2 для 38000
  18. ^ МЭК 60404-2
  19. ^ Де Лорбе, Ричард (июнь/июль 1981 г.), Сталь без лазеров , Federal Pioneer BAT
  20. ^ Обзор рынка электротехнической стали. Commodity Inside . 15-02-2020.

Внешние ссылки