Jakie rodzaje stali elektrotechnicznej są dostępne?

Stalowa cewka elektryczna GNEE

Stal elektrotechniczna o ziarnie zorientowanym (GOES)

Proces produkcji GOES został opracowany przez amerykańskiego badacza Normana P Gossa w latach trzydziestych XX wieku. Blacha stalowa jest walcowana w określony sposób (z tzw. redukcją grubości krytycznej), w wyniku czego powstają zarodki ziaren zgodne z kierunkiem walcowania. Podczas późniejszej obróbki termicznej i rekrystalizacji, z nasion wyrastają ziarna, aż wypełnią całą objętość.

W ten sposób każde ziarno jest wyrównane, a właściwości magnetyczne są maksymalizowane wzdłuż kierunku walcowania, który jest również określany jako kierunek „łatwego namagnesowania”. (Namagnesowanie pod kątem 90° w tym kierunku jest „twarde”, a przy 60° jest „najtwardsze” – wynika to bezpośrednio z orientacji ziaren). Oznacza to, że GOES jest bardzo przydatny w zastosowaniach, w których strumień magnetyczny musi być prowadzony w określonym kierunku, na przykład w ramieniu transformatora.

GOES zawiera zwykle około 96,5% żelaza, 3% krzemu i 0,5% innych pierwiastków. Krzem zmniejsza straty i pomaga w wyrównaniu wzrostu ziarna. Z magnetycznego punktu widzenia optymalna ilość krzemu wynosi faktycznie 6,5%, gdzie straty są jeszcze mniejsze, przepuszczalność osiąga maksimum, a stal nie wykazuje magnetostrykcji, która jest główną przyczyną hałasu akustycznego generowanego przez transformatory. Jednak stal zawierająca 6,5% krzemu jest na tyle krucha, że ​​nie da się jej ciąć mechanicznie ani dziurkować, dlatego należy ją ciąć laserem lub innymi specjalistycznymi technikami. Alternatywnym podejściem jest wycięcie zwykłego materiału zawierającego 3% krzemu, a następnie po cięciu nasycenie go większą ilością krzemu.

Na przestrzeni lat wprowadzono wiele modyfikacji i ulepszeń w procesie produkcji GOES, co najważniejsze doprowadziło do około dziesięciokrotnego zmniejszenia strat. Stosowany obecnie proces produkcyjny składa się z ponad 20 etapów, co oznacza, że ​​GOES jest znacznie droższy od stali konstrukcyjnej. Jest jednak nadal znacznie tańszy niż inne alternatywy magnetyczne, takie jak stopy niklu i kobaltu.

Jednym ze sposobów zwiększenia właściwości magnetycznych GOES jest dodanie specjalnej warstwy powłoki, która wywołuje na powierzchni blachy naprężenia rozciągające. Poprawia to przepuszczalność GOES i zmniejsza straty. W rezultacie stal wyprodukowana w ten sposób może pracować przy wyższym namagnesowaniu (B) niż bardziej konwencjonalne gatunki. Proces ten jest często określany opatentowaną nazwą handlową „Hi-B”.

Prowadzono także próby laboratoryjne tzw. stali „podwójnie orientowanej”, która posiada dwa ortogonalne „łatwe” kierunki, osiągane poprzez odpowiedni rozrost ziaren. Proces produkcyjny jest jednak jeszcze droższy, a materiał nie znalazł jeszcze komercyjnego zastosowania na dużą skalę.

Przeważające grubości dostępnych na rynku GOES to {{0}},35 mm (najtańszy), 0,27 mm i 0,23 mm (najdroższy). Cena wynosi zazwyczaj kilka dolarów amerykańskich za kilogram.

Nieorientowana stal elektrotechniczna (NOES)

W NOES ziarna są znacznie mniejsze, zwykle mniejsze niż 0,1 mm. Nie są zorientowane w żadnym konkretnym kierunku. Wręcz przeciwnie – należy je rozmieścić możliwie losowo, aby zapewnić symetrię ładowania. Dzieje się tak dlatego, że NOES stosowane są w rdzeniach maszyn wirujących, gdzie strumień magnetyczny wiruje i cały czas zmienia swoje położenie w „zębach” warstw. Proces produkcyjny jest prostszy niż w przypadku GOES, dlatego stal jest tańsza – zwykle o połowę niższa.

Ponieważ NOES produkowany jest w grubszych arkuszach (0,35 mm i więcej), wykrawanie jest trudniejsze, a podczas cięcia pojawia się więcej odkształceń mechanicznych i naprężeń. Pogarsza to działanie magnetyczne i nie zawsze może być tolerowane. W takich przypadkach laminaty należy po cięciu poddać wyżarzaniu, aby poprawić ich właściwości magnetyczne. W rezultacie NOES są dostępne w dwóch głównych typach: w pełni przetworzone, które nie wymagają ponownego wyżarzania, oraz półprzetworzone, w przypadku których konieczna jest końcowa obróbka termiczna.

Kolejnym ważnym czynnikiem jest także zawartość krzemu. Dodatek krzemu nieznacznie zmniejsza namagnesowanie nasycenia. Ma to znaczenie w maszynach wirujących, w których zęby mogą pracować w warunkach nasycenia. Moment mechaniczny maszyny wirującej jest proporcjonalny do kwadratu namagnesowania, więc nawet niewielka poprawa namagnesowania jest uzasadniona ze względu na wynikający z tego znaczny wzrost momentu obrotowego. Z tego powodu, gdy najważniejsze są parametry mechaniczne, zawartość krzemu często zmniejsza się do znacznie niższego poziomu (czasami nawet poniżej 0,5%). Poprawia to moment obrotowy, ale oczywiście powoduje większe straty w postaci prądów wirowych, które można zmniejszyć jedynie poprzez zmniejszenie grubości zastosowanych warstw.

NOES jest często stosowany w małych i tanich transformatorach do sprzętu AGD, gdzie cena urządzenia jest czynnikiem decydującym.