Магнитные свойства кремниевой стали: проницаемость, потери и применение

Почему кремниевая сталь?

Кремниевая сталь, также называемая электротехнической сталью, представляет собой сплав железа-кремния, содержащий около 1-3,5 % кремния. Кремний повышает электрическое сопротивление, что напрямую снижает потери на вихревые-токи, а также снижает магнитострикционные и гистерезисные потери. Это стандартный материал сердечника для трансформаторов, двигателей и генераторов, поскольку он сочетает в себе высокую плотность потока насыщения с низкими удельными потерями на промышленных частотах - сочетание, которого нет ни у одного другого семейства материалов по сопоставимой цене.

Магнитные свойства ядра

Высокая магнитная проницаемость

Проницаемость измеряет, насколько легко материал реагирует на магнитное поле. Высокая проницаемость кремниевой стали означает, что она эффективно концентрирует магнитный поток, поэтому требуется меньше ампер-витков, и устройства можно создавать меньшего размера с меньшим количеством меди. Это напрямую повышает эффективность и удельную мощность.

Низкие потери на гистерезис

Гистерезисные потери — это энергия, рассеиваемая в каждом цикле при переориентации магнитных доменов-под действием переменного поля. Низкие потери на гистерезис кремниевой стали обеспечивают охлаждение и эффективность двигателей и трансформаторов, поскольку во время каждого цикла намагничивания в тепло преобразуется меньше энергии.

Высокая плотность потока насыщения

Кремниевая сталь насыщается примерно при 1,7-2,0 Тл на промышленной частоте, что намного выше феррита (0,3-0,5 Тл). Высокое насыщение означает, что данное поперечное сечение может передавать больший поток, поэтому машины промышленной частоты остаются компактными даже при высоких номиналах.

Низкие потери на вихревые-токи

Потери вихревых-токов происходят из-за циркулирующих токов, наводимых в сердечнике переменным потоком. Это контролируется двумя способами: кремний повышает удельное сопротивление, а сердечник расклеивается в тонкие листы (обычно 0,23-0,50 мм), которые удерживают вихревые токи в каждой пластине.

Как содержание кремния повышает производительность

Каждый 1% кремния увеличивает удельное сопротивление примерно в два раза, что примерно удваивает вклад сопротивления, сокращая потери на вихревые-токи, а также уменьшая гистерезисные потери и магнитострикционный шум. При содержании кремния выше примерно 3,5% лист становится хрупким и его трудно прокатывать, поэтому содержание кремния в коммерческих сортах остается в пределах 1-3,5%. Ориентация зерен добавляет еще один шаг: прокатка и окончательный отжиг выравнивают ось кристалла с направлением прокатки, сводя к минимуму гистерезис в сердечниках трансформаторов, где путь магнитного потока фиксирован.

Зернистая-ориентированная и не-ориентированная сталь

Стандарты измерений

Магнитные свойства измеряются с помощью рамки Эпштейна в соответствии с IEC 60404-2 и GB/T 3655 или с помощью однолистового тестера в соответствии с IEC 60404-3; Стойкость межслойного покрытия проверена в соответствии с GB/T 2522 и IEC 60404-1.1. Технические характеристики изделия соответствуют стандарту IEC 60404-8-7 для стали GO и IEC 60404-8-2 для стали NGO, с китайскими эквивалентами GB/T 2521 и GB/T 2522.

Приложения

Силовые и распределительные трансформаторы, двигатели, генераторы, реакторы и магнитные экраны изготовлены из кремниевой стали. GNEE Electric поставляет рулоны и щелевые ленты из кремниевой стали CRGO производителям трансформаторов, марка, толщина и класс потерь которых подтверждены сертификатом на материал.

Часто задаваемые вопросы

Что такое магнитная проницаемость и почему она имеет значение?

Проницаемость — это отношение плотности потока к напряженности поля в материале. Более высокая проницаемость означает, что материал лучше пропускает поток, что позволяет использовать сердечники меньшего размера и меньше витков обмотки при той же индуктивности.

Что такое потери на гистерезис и вихревые-токи?

Потери на гистерезис — это энергия, теряемая в каждом цикле на переориентацию магнитных доменов; Потери на вихревые-токи — это резистивный нагрев из-за токов, индуцированных внутри сердечника. Оба проявляются в виде тепла и снижают эффективность, поэтому низкие значения в обоих случаях являются целью проектирования активной зоны.

Почему жилы ламинированные?

Пластины разбивают сердечник на тонкие изолированные листы, которые ограничивают вихревые токи в каждом листе, что значительно снижает потери на вихревые-токи. Более тонкие пластины используются на более высоких частотах.

GO или NGO -, что мне нужно?

Если поток движется по фиксированному пути, как в трансформаторе, используйте сталь GO. Если поток вращается, как в двигателе или генераторе, используйте сталь NGO, которая обеспечивает одинаковые свойства во всех направлениях.

Какие стандарты охватывают испытания кремнистой стали?

IEC 60404-2 / GB/T 3655 (Epstein), IEC 60404-3 (однолистовой), IEC 60404-8-7 и GB/T 2521 (спецификация продукта GO) и GB/T 2522 (стойкость покрытия).

Всегда ли более высокое содержание кремния означает меньшие потери?

В целом да, в отношении потерь на вихревые-токи, но при содержании кремния примерно 3,5 % материал становится хрупким и его трудно обрабатывать, а насыщение может немного снизиться; практическое окно составляет 1-3,5%.