.jpg/1280px-Grain-oriented_electrical_steel_(grains).jpg)
Электротехническая сталь ( электронная 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 разработана для обеспечения определенных магнитных свойств: небольшая площадь гистерезиса , что приводит к низким потерям мощности за цикл, низким потерям в сердечнике и высокой магнитной проницаемости .
Электротехническую сталь обычно производят в виде холоднокатаных полос толщиной менее 2 мм. Эти полосы разрезаются по форме, чтобы сделать пластины , которые складываются вместе, образуя многослойные сердечники трансформаторов , а также статоры и роторы электродвигателей . Пластины можно разрезать до их готовой формы с помощью пуансона и матрицы или, в меньших количествах, можно разрезать лазером или электроэрозионной обработкой проволокой .
Электротехническая сталь представляет собой сплав железа, который может содержать от 0 до 6,5% кремния (Si:5Fe). Коммерческие сплавы обычно имеют содержание кремния до 3,2% (более высокие концентрации приводят к хрупкости при холодной прокатке). Марганца и алюминия можно добавлять до 0,5%. [1]
Кремний увеличивает удельное 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 затвердевает и делает металл хрупким; это изменение отрицательно влияет на обрабатываемость материала, особенно при прокатке. При легировании загрязнение должно поддерживаться на низком уровне, поскольку карбиды , сульфиды , оксиды и нитриды , даже в виде частиц размером до одного микрометра в диаметре, увеличивают потери на гистерезис , одновременно снижая магнитную проницаемость . Присутствие углерода оказывает более вредное воздействие, чем сера или кислород. Углерод также вызывает магнитное старение, когда он медленно покидает твердый раствор и выпадает в осадок в виде карбидов, что со временем приводит к увеличению потерь мощности. 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]
Электротехническая сталь, изготовленная без специальной обработки для контроля ориентации кристаллов, неориентированная сталь, обычно имеет содержание кремния от 2 до 3,5% и обладает одинаковыми магнитными свойствами во всех направлениях, т. е. является изотропной . Холоднокатаную неориентированную сталь часто обозначают сокращенно CRNGO.
Электротехническая сталь с ориентированной зеренной структурой обычно имеет содержание кремния 3% (Si:11Fe). Его обрабатывают 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 катушки, хотя его магнитное насыщение уменьшается на 5%. Он используется для изготовления сердечников силовых и распределительных трансформаторов . Холоднокатаную текстурированную сталь часто называют CRGO.
CRGO обычно поставляется заводами-производителями в виде рулонов, и его необходимо разрезать на «пластинки», которые затем используются для формирования сердечника трансформатора, который является неотъемлемой частью любого трансформатора. Зернистая сталь используется в больших силовых и распределительных трансформаторах, а также в некоторых выходных аудиотрансформаторах. [10]
CRNGO дешевле, чем CRGO. Он используется, когда стоимость важнее эффективности, а также в приложениях, где направление магнитного потока не является постоянным, например, в электродвигателях и генераторах с движущимися частями. Его можно использовать, когда недостаточно места для ориентации компонентов, чтобы воспользоваться преимуществами направленных свойств текстурированной электротехнической стали.
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, настолько быстро, что кристаллы не образуются. Аморфная сталь ограничена фольгой толщиной около 50 мкм. Механические свойства аморфной стали затрудняют штамповку пластин для электродвигателей. Поскольку аморфную ленту можно отливать любой ширины примерно до 13 дюймов и относительно легко резать, она является подходящим материалом для намотки сердечников электрических трансформаторов. В 2019 году цена аморфной стали за пределами США составляет примерно 0,95 доллара за фунт по сравнению с зернистой сталью HiB, стоимость которой составляет примерно 0,86 доллара за фунт. Трансформаторы с сердечниками из аморфной стали могут иметь потери в сердечнике в три раза меньше, чем у обычных электротехнических сталей.
Электротехническая сталь обычно имеет покрытие для увеличения электрического сопротивления между пластинами, уменьшения вихревых токов, обеспечения устойчивости к коррозии или ржавчине , а также для действия в качестве смазки во время высечки . Существуют различные покрытия, органические и неорганические , и тип используемого покрытия зависит от применения стали. [11] Тип выбранного покрытия зависит от термической обработки пластин, того, будет ли готовая пластина погружена в масло, а также рабочей температуры готового устройства. Очень ранняя практика заключалась в том, чтобы изолировать каждую пластину слоем бумаги или лаковым покрытием, но это уменьшало коэффициент штабелирования сердцевины и ограничивало максимальную температуру сердцевины. [12]
ASTM A976-03 классифицирует различные типы покрытий электротехнической стали. [13]
Типичная относительная проницаемость (μr ) электротехнической стали в 4000 раз выше, чем у вакуума. [ нужна цитата ]
Магнитные свойства электротехнической стали зависят от термической обработки , поскольку увеличение среднего размера кристаллов уменьшает 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 можно применить окончательную термообработку для формирования обычно требуемого размера зерна 150 микрометров. Полностью обработанная электротехническая сталь обычно поставляется с изолирующим покрытием, полной термообработкой и заданными магнитными свойствами для тех случаев, когда штамповка не приводит к значительному ухудшению свойств электротехнической стали. Чрезмерный изгиб, неправильная термическая обработка или даже грубое обращение могут отрицательно повлиять на магнитные свойства электротехнической стали, а также увеличить шум из-за магнитострикции . [12]
Магнитные свойства электротехнической стали проверяются с использованием стандартного международного метода рамок Эпштейна . [15]
Размер магнитных доменов в листовой электротехнической стали можно уменьшить путем скрайбирования поверхности листа лазером или механическим путем. Это значительно снижает гистерезисные потери в собранном сердечнике. [16]
Незернистая электротехническая сталь (НГОЭС) в основном применяется во вращающемся оборудовании, например, электродвигателях, генераторах и преобразователях повышенной и высокой частоты. С другой стороны, текстурированная электротехническая сталь (GOES) используется в статическом оборудовании, таком как трансформаторы. [17]