Elektrická ocel - Electrical steel

Polykrystalická struktura elektrické oceli po odstranění povlaku.

Elektrická ocel (laminovací ocel, křemíková elektrická ocel, křemíková ocel, reléová ocel, transformátorová ocel) je žehlička slitina šitá na míru pro konkrétní výrobu magnetický vlastnosti: malý hystereze oblast vedoucí k nízké ztrátě energie za cyklus, nízká ztráta jádra a vysoko propustnost.

Elektrotechnická ocel se obvykle vyrábí v válcované za studena proužky o tloušťce menší než 2 mm. Tyto pásy jsou nařezány do požadovaného tvaru laminace které se skládají dohromady a tvoří laminovaná jádra z transformátory a stator a rotor z elektromotory. Laminace mohou být řezány do svého hotového tvaru razníkem a matricí nebo v menším množství mohou být řezány laserem nebo drát EDM.

Hutnictví

Elektrotechnická ocel je slitina železa, která může obsahovat od 0 do 6,5% křemíku (Si: 5Fe). Komerční slitiny mají obvykle obsah křemíku až 3,2% (vyšší koncentrace mají za následek křehkost během válcování za studena). Mangan a hliník lze přidat až 0,5%.[1]

Křemík zvyšuje elektrický odpor železa o faktor asi 5; tato změna snižuje indukovanou vířivé proudy a zužuje hysterezní smyčka materiálu, čímž se sníží ztráta jádra přibližně třikrát ve srovnání s konvenční ocelí.[1][2] Struktura zrna však kov vytvrzuje a křehne; tato změna nepříznivě ovlivňuje zpracovatelnost materiálu, zejména při jeho válcování. Při legování musí být kontaminace udržována na nízké úrovni, např karbidy, sulfidy, oxidy a nitridy, a to i v částicích o průměru menším než jeden mikrometr ztráty hystereze a zároveň klesá magnetická permeabilita. Přítomnost uhlíku má škodlivější účinek než síra nebo kyslík. Uhlík také způsobuje magnetický stárnutí, když pomalu opouští pevný roztok a vysráží se jako karbidy, což má za následek zvýšení ztráty energie v průběhu času. Z těchto důvodů je hladina uhlíku udržována na 0,005% nebo nižší. Hladinu uhlíku lze snížit o žíhání slitina v a oduhličování atmosféra, jako např vodík.[1][3]

Železo-křemíková reléová ocel

Typ oceliJmenovité složení[4]Alternativní popis
11,1% Si-FeSilikonové železo "A"[5]
1F1,1% bez Si-Fe obráběníSilikonové železo "A-FM"[6]
22,3% Si-FeŽelezné křemíkové železo "B"[7]
2F2,3% obrábění bez Si-FeSilikonové železo "B-FM"[7]
34,0% Si-FeSilikonové železo "C"[8]

Příklady fyzikálních vlastností

  • Bod tání: ~ 1 500 ° C (příklad pro ~ 3,1% obsahu křemíku)[9]
  • Hustota: 7 650 kg / m3 (příklad pro 3% obsah křemíku)
  • Odpor (3% obsah křemíku): 4,72 × 10−7 Ω · m (pro srovnání, měrný odpor čistého železa: 9,61 × 10−8 Ω · m)

Orientace zrna

Neorientovaná elektrická křemíková ocel (obrázek vytvořený magneticko-optickým senzorem a polarizačním mikroskopem)

Elektrotechnická ocel vyrobená bez speciálního zpracování pro kontrolu orientace krystalů neorientovaný ocel, obvykle má hladinu křemíku 2 až 3,5% a má podobné magnetické vlastnosti ve všech směrech, tj. je izotropní. Za studena válcovaná nerezová ocel se často zkracuje na CRNGO.

Orientované na zrno elektrická ocel má obvykle hladinu křemíku 3% (Si: 11Fe). Je zpracována takovým způsobem, že se díky přísné kontrole (navržené uživatelem) ve směru válcování vyvíjejí optimální vlastnosti Norman P. Goss ) orientace krystalu vzhledem k listu. The magnetický tok hustota je ve směru válcování cívky zvýšena o 30%, i když magnetická sytost se sníží o 5%. Používá se pro jádra energie a distribuce transformátory „ocel ​​orientovaná na zrno válcovaná za studena se často označuje zkratkou CRGO.

CRGO je obvykle dodáván výrobními mlýny ve svitkové formě a musí být rozřezán na "laminace", z nichž se potom vytvoří jádro transformátoru, které je nedílnou součástí každého transformátoru. Ocel orientovaná na ocel se používá ve velkých výkonových a distribučních transformátorech a v určitých audio výstupních transformátorech.[10]

CRNGO je levnější než CRGO. Používá se, když je cena důležitější než účinnost, a pro aplikace, kde směr magnetického toku není konstantní, jako u elektrických motorů a generátorů s pohyblivými částmi. Lze jej použít, když není dostatek místa pro orientaci součástí, aby se využily směrové vlastnosti elektrické oceli orientované na zrno.

  • Magnetické domény a stěny domény z orientované křemíkové oceli (obrázek vytvořený pomocí CMOS-MagView)

  • Magnetické domény a stěny domény z orientované křemíkové oceli (obrázek vytvořený pomocí CMOS-MagView)

  • Magnetické domény a stěny domén z neorientované křemíkové oceli (obrázek vytvořený pomocí CMOS-MagView)

Amorfní ocel

Tento materiál je a kovové sklo připravené nalitím roztavené slitiny na rotující chlazené kolo, které ochlazuje kov rychlostí asi jednoho megakelvinu za sekundu, tak rychle, že se netvoří krystaly. Amorfní ocel je omezena na fólie o tloušťce přibližně 50 µm. Mechanické vlastnosti amorfní oceli ztěžují lisování laminací pro elektromotory. Vzhledem k tomu, že amorfní páska může být odlita na jakoukoli konkrétní šířku pod zhruba 13 palců a lze ji relativně snadno stříhat, je to vhodný materiál pro jádra vinutých elektrických transformátorů. V roce 2019 je cena amorfní oceli mimo USA přibližně 0,95 USD / libru ve srovnání s HiB zrnitě orientovanou ocelí, která stojí přibližně 0,86 USD / libru. Transformátory s amorfními ocelovými jádry může mít ztráty jádra o třetinu větší než u běžných elektrotechnických ocelí.

Laminovací nátěry

Elektrická ocel je obvykle potažena, aby se zvýšil elektrický odpor mezi vrstvami a snížily se vířivé proudy, aby se zajistila odolnost koroze nebo rez, a působit jako mazivo během vysekávání. Existují různé povlaky, organický a anorganické a použitý povlak závisí na aplikaci oceli.[11] Zvolený typ povlaku závisí na tepelném zpracování laminací, na tom, zda bude hotová laminace ponořena do oleje, a na pracovní teplotě hotového zařízení. Velmi ranou praxí bylo izolovat každou laminaci vrstvou papíru nebo lakovým povlakem, ale to snížilo stohovací faktor jádra a omezil maximální teplotu jádra.[12]

ASTM A976-03 klasifikuje různé typy povlaků pro elektrickou ocel.[13]

KlasifikacePopis[14]Pro rotory / statoryAnti-stick léčba
C0Přírodní oxid vytvořený během zpracování mlýnaNeNe
C2Sklo jako filmNeNe
C3Organický email nebo lakNeNe
C3AJako C3, ale tenčíAnoNe
C4Povlak generovaný chemickým a tepelným zpracovánímNeNe
C4AJako C4, ale tenčí a svařitelnějšíAnoNe
C4ASAntiadhezní varianta C4AnoAno
C5Vysoce odolný jako C4 plus anorganické plnivoNeNe
C5AJako C5, ale svařitelnějšíAnoNe
C5ASAntiadhezní varianta C5AnoAno
C6Anorganický plněný organický povlak pro izolační vlastnostiAnoAno

Magnetické vlastnosti

Typický relativní propustnost (μr) elektrické oceli je 4000krát vyšší než vakuum.[Citace je zapotřebí ]

Magnetické vlastnosti elektrické oceli jsou závislé na tepelné zpracování, protože zvětšování průměrné velikosti krystalu snižuje ztrátu hystereze. Ztráta hystereze je stanovena standardem Epsteinův tester a pro běžné druhy elektrické oceli se může pohybovat od přibližně 2 do 10 wattů na kilogram (1 až 5 wattů na libru) při 60 Hz a síle magnetického pole 1,5 tesla.

Elektrotechnická ocel může být dodávána v polospracovaném stavu, takže po děrování konečného tvaru lze provést konečné tepelné zpracování, aby se vytvořila normálně požadovaná velikost zrna 150 mikrometrů. Plně zpracovaná elektrická ocel se obvykle dodává s izolační povlakování, úplné tepelné zpracování a definované magnetické vlastnosti, pro aplikace, kde děrování významně nezhoršuje vlastnosti elektrické oceli. Nadměrné ohýbání, nesprávné tepelné zpracování nebo dokonce hrubé zacházení může nepříznivě ovlivnit magnetické vlastnosti elektrické oceli a může také zvýšit hluk v důsledku magnetostrikce.[12]

Magnetické vlastnosti elektrické oceli jsou testovány pomocí mezinárodního standardu Epsteinův rám metoda.[15]

Velikost magnetických domén v plechové elektrotechnické oceli lze zmenšit pomocí rypování povrchu plechu laserem nebo mechanicky. To výrazně snižuje ztráty hystereze v sestaveném jádru.[16]

Aplikace

NGOES se používá hlavně v točivých zařízeních, například v elektrických motorech, generátorech a vysokofrekvenčních a vysokofrekvenčních měničích. GOES se naproti tomu používá ve statických zařízeních, jako jsou transformátory.[17]

Viz také

  • Ferosilikon, startovací materiál pro křemíkovou ocel

Reference

  1. ^ A b C Tong, Colin (2018). Úvod do materiálů pro pokročilé energetické systémy. Springer. str. 400–. ISBN  978-3-319-98002-7.
  2. ^ Buschowl, K.H.J. et al. vyd. (2001) Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Elsevier. 4807–4808. ISBN  0-08-043152-6
  3. ^ Sidor, Y .; Kováč, F. (2005). „Příspěvek k modelování procesu oduhličení v elektrických ocelích“ (PDF). Вісник Львівського університету. Серія фізична. 38: 8–17.
  4. ^ „ASTM A867“. ASTM. Citováno 1. prosince 2011.
  5. ^ „Železo se silikonovým jádrem“ A"". CarTech. Citováno 1. prosince 2011.
  6. ^ „Silicon Core Iron“ A-FM"". CarTech. Citováno 1. prosince 2011.
  7. ^ A b Železo „CarTech® Silicon Core Iron“ B-FM"". CarTech.
  8. ^ „CarTech® Silicon Core Iron“ C"". CarTech. Citováno 21. listopadu 2019.
  9. ^ Niazi, A .; Pieri, J. B .; Berger, E .; Jouty, R. (1975). "Poznámka k elektromigraci hranic zrn v křemíku". Journal of Materials Science. 10 (2): 361–362. Bibcode:1975JMatS..10..361N. doi:10.1007 / BF00540359.
  10. ^ Vaughn, Eddie. „Single Ended vs. Push Pull: The Deep, Dark Secrets of Output Transformers“ (PDF).
  11. ^ Fink, Donald G. a Beatty, H. Wayne (1978) Standardní příručka pro elektrotechniky 11. vydání McGraw-Hill. s. 4–111. ISBN  978-0070209749
  12. ^ A b Jump, Les (březen 1981) Transformátorová ocel a jádra„Federal Pioneer BAT
  13. ^ „ASTM A976 - 03 (2008) Standardní klasifikace izolačních povlaků podle složení, relativní izolační schopnosti a aplikace“. ASTM A976 - 03 (2008). ASTM.
  14. ^ „Klasifikace izolačního povlaku pro elektrooceli“ (PDF). Citováno 27. března 2013.
  15. ^ IEC 60404-2
  16. ^ de Lhorbe, Richard (červen / červenec 1981) Ocel Žádné lasery zde„Federal Pioneer BAT
  17. ^ Výhled na trh s elektrotechnickou ocelí. Komodita uvnitř. 15-02-2020.

externí odkazy