Электротехническая сталь
 | статьи первый раздел Возможно, придется переписать . ( январь 2022 г. ) |
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 это 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 проницаемости .
Электротехническую сталь обычно производят в виде холоднокатаных полос толщиной менее 2 мм. Эти полосы разрезаются по форме, чтобы сделать , образуя многослойные сердечники трансформаторов которые складываются вместе , , а также статоры и роторы электродвигателей пластины . Пластины можно разрезать до их готовой формы с помощью пуансона и штампа или, в меньших количествах, можно разрезать лазером или электроэрозионной обработкой проволокой .
Металлургия
[ редактировать ]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 гистерезисные потери, 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]
Железо-кремниевая релейная сталь
[ редактировать ]| Тип стали | Номинальный состав [4] | Альтернативное описание |
|---|---|---|
| 1 | 1,1% Si-Fe | Железо с кремниевым сердечником «А» [5] |
| 1F | Механическая обработка без содержания 1,1% Si-Fe | Утюг с кремниевым сердечником «A-FM» [6] |
| 2 | 2,3% Si-Fe | Железо с кремниевым сердечником "B" [7] |
| 2F | Механическая обработка без содержания 2,3% Si-Fe | Утюг с кремниевым сердечником "B-FM" [7] |
| 3 | 4,0% Si-Fe | Железо с кремниевым сердечником "C" [8] |
Примеры физических свойств
[ редактировать ]- Температура плавления : ~1500 °C (пример для содержания кремния ~3,1%). [9]
- Плотность : 7650 кг/м 3 (пример для содержания кремния 3%)
- Удельное сопротивление (содержание кремния 3%): 4,72×10 −7 Ом·м (для сравнения, удельное сопротивление чистого железа: 9,61×10 −8 Ом·м)
Ориентация зерна
[ редактировать ]
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 сердечников силовых и распределительных трансформаторов . Холоднокатаную текстурированную сталь часто обозначают сокращенно CRGO.
CRGO обычно поставляется заводами-производителями в виде катушек, 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.
-
Магнитные домены и доменные границы в ориентированной кремниевой стали (изображение сделано с помощью CMOS-MagView) -
Магнитные домены и доменные границы в ориентированной кремниевой стали (изображение сделано с помощью CMOS-MagView) -
Магнитные домены и доменные границы в неориентированной кремниевой стали (изображение сделано с помощью CMOS-MagView)
Аморфная сталь
[ редактировать ]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.
Ламинированные покрытия
[ редактировать ]Электротехническая сталь обычно имеет покрытие для увеличения электрического сопротивления между пластинами, уменьшения вихревых токов, обеспечения устойчивости к коррозии и 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] Выбор типа покрытия зависит от термообработки пластин, того, будет ли готовая пластина погружаться в масло, и рабочей температуры готового аппарата. 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]
| Классификация | Описание [14] | Для роторов/статоров | Антипригарная обработка |
|---|---|---|---|
| С0 | Природный оксид, образующийся при мельнице | Нет | Нет |
| С2 | Стекло как пленка | Нет | Нет |
| С3 | Органическое эмалевое или лаковое покрытие | Нет | Нет |
| C3A | Как C3, но тоньше | Да | Нет |
| С4 | Покрытие, полученное путем химической и термической обработки. | Нет | Нет |
| C4A | Как C4, но тоньше и лучше сваривается. | Да | Нет |
| C4AS | Антипригарный вариант C4 | Да | Да |
| С5 | Высокопрочный, аналогичный C4, плюс неорганический наполнитель. | Да | Нет |
| С5А | Как C5, но более свариваемый | Да | Нет |
| C5AS | Антипригарный вариант C5 | Да | Да |
| С6 | Органическое покрытие с неорганическим наполнителем для изоляционных свойств. | Да | Да |
Магнитные свойства
[ редактировать ]Типичная относительная проницаемость (μr ) электротехнической стали в 4000–38000 раз выше, 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 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 . [18]
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. [19]
Приложения
[ редактировать ]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. [20]
См. также
[ редактировать ]- Ферросилиций , стартовый материал для кремнистой стали.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Тонг, Колин (2018). Введение в материалы для передовых энергетических систем . Спрингер. стр. 400–. ISBN 978-3-319-98002-7 .
- ^ Бушоул, KHJ и др. ред. (2001) Энциклопедия материалов: наука и технология . Эльзевир. стр. 4807–4808. ISBN 0-08-043152-6
- ^ Sidor, Y.; Коваль, Ф. (2005). "Contribution to modeling decarburization process in electrical steels" (PDF) . Вестник Львовского университета. Серия физическая . 38 : 8–17.
- ^ «АСТМ А867» . АСТМ . Проверено 1 декабря 2011 г.
- ^ «Железо с кремниевым сердечником «А» » . КарТех . Проверено 1 декабря 2011 г.
- ^ «Утюг с кремниевым сердечником «А-ФМ» » . КарТех . Проверено 1 декабря 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б «CarTech® Утюг с кремниевым сердечником «B-FM» » . КарТех.
- ^ «CarTech® с кремниевым сердечником «C» » . КарТех . Проверено 21 ноября 2019 г.
- ^ Ниязи, А.; Пьери, Дж.Б.; Бергер, Э.; Жути, Р. (1975). «Заметка об электромиграции границ зерен в кремнистом железе». Журнал материаловедения . 10 (2): 361–362. Бибкод : 1975JMatS..10..361N . дои : 10.1007/BF00540359 . S2CID 135740047 .
- ^ Вон, Эдди. «Однотактный против двухтактного: глубокие и темные секреты выходных трансформаторов» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 августа 2006 года.
- ^ Финк, Дональд Г. и Битти, Х. Уэйн (1978) Стандартный справочник для инженеров-электриков, 11-е изд. МакГроу-Хилл. стр. 4–111. ISBN 978-0070209749
- ^ Перейти обратно: а б Джамп, Лес (март 1981 г.) Трансформаторная сталь и сердечники , Federal Pioneer BAT
- ^ «ASTM A976-03 (2008) Стандартная классификация изоляционных покрытий по составу, относительной изолирующей способности и применению» . АСТМ А976-03(2008) . АСТМ.
- ^ «Классификация изоляционных покрытий электротехнической стали» (PDF) . Архивировано из оригинала 5 марта 2016 года . Проверено 28 февраля 2024 г.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ) - ^ «10.2: Проницаемость некоторых распространенных материалов» . 25 апреля 2019 г.
- ^ «Проницаемость» .
- ^ https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000066142/4047647, таблица 5.2 для 38000.
- ^ МЭК 60404-2
- ^ де Лорб, Ричард (июнь/июль 1981 г.), Steel No Lasers Here , Federal Pioneer BAT
- ^ Перспективы рынка электротехнической стали . Товар внутри . 15-02-2020.