Электротехническая сталь - Electrical steel

Поликристаллическая структура электротехнической стали после удаления покрытия.

Электротехническая сталь (ламинированная сталь, кремниевая электротехническая сталь, кремнистая сталь, реле стали, трансформаторная сталь) является утюг сплав, предназначенный для производства конкретных магнитный свойства: маленький гистерезис площадь, приводящая к низким потерям мощности за цикл, низкая потеря в сердечнике, и высокий проницаемость.

Электротехническая сталь обычно производится в холоднокатаные полоски толщиной менее 2 мм. Эти полоски нарезаются по форме, чтобы сделать расслоения которые сложены вместе, чтобы сформировать ламинированные сердечники из трансформаторы, а статор и ротор из электродвигатели. Пластины могут быть вырезаны до их окончательной формы с помощью штампа и штампа или, в меньших количествах, могут быть вырезаны лазером или проволока EDM.

Металлургия

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

Кремний увеличивает удельное электрическое сопротивление железа примерно в 5 раз; это изменение уменьшает индуцированное вихревые токи и сужает петля гистерезиса материала, тем самым снижая потеря в сердечнике примерно в три раза по сравнению с обычной сталью.[1][2] Однако зернистая структура твердеет и делает металл хрупким; это изменение отрицательно сказывается на удобоукладываемости материала, особенно при его прокатке. При легировании загрязнение должно быть низким, так как карбиды, сульфиды, оксиды и нитриды даже в частицах размером до одного микрометра увеличиваются гистерезисные потери одновременно уменьшая магнитная проницаемость. Присутствие углерода более губительно, чем сера или кислород. Углерод также вызывает магнитный старение, когда он медленно покидает твердый раствор и осаждается в виде карбидов, что приводит со временем к увеличению потерь мощности. По этим причинам уровень углерода поддерживается на уровне 0,005% или ниже. Уровень углерода можно снизить за счет отжиг сплав в обезуглероживание атмосфера, такая как водород.[1][3]

Железо-кремниевые реле стали

Тип сталиНоминальный состав[4]Альтернативное описание
11,1% Si-FeУтюг с кремниевым сердечником "А"[5]
1F1,1% обработка без Si-FeСиликоновый сердечник «А-ФМ»[6]
22,3% Si-FeКремниевый сердечник "B"[7]
2F2.3% обработка без Si-FeСиликоновый сердечник «Б-ФМ»[7]
34,0% Si-FeКремниевый сердечник "C"[8]

Примеры физических свойств

Ориентация зерна

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

Электротехническая сталь, изготовленная без специальной обработки для контроля ориентации кристаллов, неориентированный сталь, как правило, имеет уровень кремния от 2 до 3,5% и имеет одинаковые магнитные свойства во всех направлениях, т.е. изотропный. Холоднокатаная сталь без ориентированной зернистости часто обозначается сокращенно CRNGO.

Ориентированный на зерно Электротехническая сталь обычно имеет уровень кремния 3% (Si: 11Fe). Он обрабатывается таким образом, что оптимальные свойства развиваются в направлении прокатки за счет жесткого контроля (предложено Норман П. Госс ) ориентации кристалла относительно листа. В магнитный поток плотность увеличивается на 30% в направлении прокатки рулона, хотя его магнитное насыщение уменьшается на 5%. Он используется для ядер питания и распределения трансформаторы, холоднокатаная сталь с ориентированной зернистой структурой часто обозначается аббревиатурой CRGO.

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

CRNGO дешевле, чем CRGO. Он используется, когда стоимость более важна, чем эффективность, и в приложениях, где направление магнитного потока непостоянно, как в электродвигателях и генераторах с движущимися частями. Его можно использовать, когда недостаточно места для ориентации компонентов, чтобы воспользоваться преимуществами направленных свойств электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой.

  • Магнитные домены и доменные стенки из ориентированной кремнистой стали (изображение сделано с помощью CMOS-MagView)

  • Магнитные домены и доменные стенки из ориентированной кремнистой стали (изображение сделано с помощью CMOS-MagView)

  • Магнитные домены и доменные стенки из неориентированной кремнистой стали (изображение сделано с помощью CMOS-MagView)

Аморфная сталь

Этот материал металлическое стекло приготовленный 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 ограничивается фольгой толщиной около 50 мкм. Механические свойства аморфной стали затрудняют штамповку пластин для электродвигателей. Поскольку аморфная лента может быть отлита до любой ширины до примерно 13 дюймов и может быть относительно легко разрезана, 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 со сталью HiB с ориентированной зернистостью, которая стоит примерно 0,86 доллара за фунт. Трансформаторы с сердечником из аморфной стали могут иметь потери в сердечнике в три раза меньше, чем у обычных электротехнических сталей.

Покрытия для ламинирования

На электротехническую сталь обычно наносят покрытие, чтобы увеличить электрическое сопротивление между слоями, уменьшить вихревые токи, чтобы обеспечить сопротивление коррозия или же ржавчина, и действовать как смазка во время высечка. Есть разные покрытия, органический и неорганический, а используемое покрытие зависит от области применения стали.[11] Выбранный тип покрытия зависит от термической обработки ламината, от того, будет ли готовый ламинат погружаться в масло, и от рабочей температуры готового устройства. Очень ранняя практика заключалась в том, чтобы изолировать каждую пластину слоем бумаги или лаковым покрытием, но это уменьшало коэффициент суммирования ядра и ограничивают максимальную температуру ядра.[12]

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

КлассификацияОписание[14]Для роторов / статоровАнтипригарное покрытие
C0Природный оксид, образующийся при переработке мельницыНетНет
C2Стекло как пленкаНетНет
C3Органическая эмаль или лаковое покрытиеНетНет
C3AКак C3, но тоньшедаНет
C4Покрытие, полученное в результате химической и термической обработкиНетНет
C4AТо же, что и C4, но более тонкий и свариваемыйдаНет
C4ASВариант C4 с антипригарным покрытиемдада
C5Высокая стойкость, как у неорганического наполнителя C4 plusНетНет
C5AКак C5, но более свариваемыйдаНет
C5ASВариант C5 с антипригарным покрытиемдада
C6Органическое покрытие с неорганическим наполнителем для обеспечения изоляционных свойствдада

Магнитные свойства

Типичный относительная проницаемость (μр) электротехнической стали в 4000 раз больше, чем вакуума.[нужна цитата ]

Магнитные свойства электротехнической стали зависят от термическая обработка, поскольку увеличение среднего размера кристалла уменьшает гистерезисные потери. Потеря гистерезиса определяется стандартом. Тестер Эпштейна а для обычных марок электротехнической стали может составлять от 2 до 10 Вт на килограмм (от 1 до 5 Вт на фунт) при 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 получения обычно необходимого размера зерна 150 микрометров. Полностью обработанная электротехническая сталь обычно поставляется с изоляционный покрытие, полная термообработка и определенные магнитные свойства для применений, где штамповка не приводит к значительному ухудшению электротехнических свойств стали. Чрезмерный изгиб, неправильная термообработка или даже грубое обращение могут отрицательно повлиять на магнитные свойства электротехнической стали, а также могут увеличить шум из-за магнитострикция.[12]

Магнитные свойства электротехнической стали проверены в соответствии с международными стандартами. Рамка Эпштейна метод.[15]

Размер магнитных доменов в листовой электротехнической стали можно уменьшить, разметав поверхность листа лазером или механически. Это значительно снижает гистерезисные потери в собранном сердечнике.[16]

Приложения

НПОЭС в основном используется во вращающемся оборудовании, например, электродвигателях, генераторах и преобразователях повышенной и высокочастотной частоты. GOES, с другой стороны, используется в статическом оборудовании, таком как трансформаторы.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Тонг, Колин (2018). Введение в материалы для перспективных энергетических систем. Springer. С. 400–. ISBN  978-3-319-98002-7.
  2. ^ Бушоул, К.Х.Дж. и другие. изд. (2001) Энциклопедия материалов: наука и технологии. Эльзевир. С. 4807–4808. ISBN  0-08-043152-6
  3. ^ Сидор, Ю .; Ковач, Ф. (2005). «Вклад в моделирование процесса обезуглероживания электротехнических сталей» (PDF). Вісник Львівського університету. Серія фізична. 38: 8–17.
  4. ^ «ASTM A867». ASTM. Получено 1 декабря 2011.
  5. ^ «Кремниевый сердечник» A"". CarTech. Получено 1 декабря 2011.
  6. ^ "Кремниевый сердечник" А-ФМ"". CarTech. Получено 1 декабря 2011.
  7. ^ а б "CarTech® Silicon Core Iron" B-FM"". CarTech.
  8. ^ Утюг с кремниевым сердечником CarTech® C"". CarTech. Получено 21 ноября 2019.
  9. ^ Niazi, A .; Pieri, J. B .; Berger, E .; Джути, Р. (1975). «Замечание об электромиграции границ зерен в кремнистом железе». Журнал материаловедения. 10 (2): 361–362. Bibcode:1975JMatS..10..361N. Дои:10.1007 / BF00540359.
  10. ^ Вон, Эдди. «Односторонний и двухтактный: глубокие темные секреты выходных трансформаторов» (PDF).
  11. ^ Финк, Дональд Г. и Битти, Х. Уэйн (1978) Стандартное руководство для инженеров-электриков 11 изд. Макгроу-Хилл. С. 4–111. ISBN  978-0070209749
  12. ^ а б Перейти, Лес (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 изоляционных покрытий для электротехнической стали» (PDF). Получено 27 марта 2013.
  15. ^ IEC 60404-2
  16. ^ де Лорб, Ричард (июнь / июль 1981) Сталь здесь нет лазеров, Federal Pioneer BAT
  17. ^ Обзор рынка электротехнической стали. Товар внутри. 15-02-2020.

внешняя ссылка