Tilgangur spenni járnkjarna er að veita litla tregðu segulhringrás fyrir segulflæðið sem fer í gegnum aðal- og aukavindurnar.
Vegna segulhringrásarinnar sem fylgir, getur hysteresis fyrirbæri járnkjarna og hvirfilstraumar sem streyma inni valdið járnkjarna tapi, sem kemur fram sem hitun á járnkjarna efninu. Að auki, fyrir stóra aflspenna, getur víxl segulflæði einnig framkallað hávaða. Slíkur hávaði dreifist til umhverfisins eins og hljóðið sem myndast þegar þota eða brunahreyfill er í gangi á fullu afli.
Þó að járnkjarnatapið sé ekki verulegt miðað við afkastagetu sem spennirinn sendir, er það til staðar svo lengi sem spennirinn er spenntur. Þess vegna táknar járnkjarna tap stöðugt og athyglisvert orkutap í raforkukerfinu. Áætlað er að um 5% af allri raforku sem myndast með raforkubúnaði sé neytt sem járnkjarnatap. Aðeins í Bretlandi, á milli 1987 og 1988. Tap á óhleðslu-spenni er um það bil 110 milljónir punda. Á sama tíma, í dreifispennum, fara um það bil 109 einingar af orku til spillis árlega vegna taps á járnkjarna, sem jafngildir 1,146 milljörðum lítra (2 milljón tunna) af olíu sem notuð er til orkuframleiðslu, og losar 35.000 tonn af SO2 og 4 milljón tonn af CO2 út í andrúmsloftið. Bandaríkin gerðu svipaða rannsókn árið 1998 og var kostnaðurinn jafnvel meira en 110 sinnum hærri. Án efa er hér um að ræða gróft mat vegna mikils umfangs raforkukerfisins. Engu að síður er augljóst að uppsafnað verðmæti ríkisfjármála er nokkuð umtalsvert. Ástæðan fyrir því að áætlaður kostnaður sem nefndur er hér að ofan er svo hár er auðvitað vegna alvarlegra áhrifa orkuverðhækkana af völdum olíukreppunnar í upphafi áttunda áratugarins.
Þess vegna kemur það ekki á óvart að í áratugi hafi fólk einbeitt sér að rannsóknum og þróunarstarfi að því að þróa nýjar gerðir af rafmagns stífum plötum og járnkjarna spennuvirkjum. Aðallega til að draga úr tapi og hávaða. Vegna stofnunar grundvallarreglna fyrir hönnun og uppbyggingu nútíma aflspenna á 1920 og 1930. Svo síðan þá hafa verulegar framfarir og breytingar orðið á þessum sviðum.
Járnkjarnatap samanstendur af tveimur hlutum: annar er hysteresis tap, sem er í réttu hlutfalli við tíðni og fer eftir hysteresis lykkjusvæði. Hysteresis lykkjan fer eftir efniseiginleikum og er fall af hámarks segulflæðisþéttleika; Lítill hluti af járnkjarnatapi er hringstraumstap, sem fer eftir veldi tíðnarinnar en er einnig í réttu hlutfalli við veldi efnisþykktar. Þess vegna, til að lágmarka hysteresis tap, er nauðsynlegt að láta járnkjarnaefnið hafa minnsta hysteresis lykkjusvæðið. Til að lágmarka hringstraumstap verður að nota þunnt járnkjarna stálplötur og auka viðnám milli blaða til að gera hvirfilstraumum erfitt fyrir að flæða á milli blaðanna.
Í raun eru hvirfilstraumstap mjög flókið og samanstanda af tveimur hlutum: fyrri hlutinn er í raun breytilegur með tíðninni í veldi margfaldað með efnisþykktinni og yfirborði segulflæðisþéttleika; Seinni hlutinn veltur á efnisgerðinni, svo sem kornastærð og hreyfingu segulsviða innan segulmagnstímabilsins, sem kallast óeðlilegt tap eða afgangstap. Fyrir sérhverja sérstaka rafstálplötu er óeðlilegt hringstraumstap um helmingur heildartapsins. Það er einmitt óeðlilegt tap af þessu tagi sem hægt er að draga mjög úr með sérvinnslu á járnkjarnaefninu og leggja þannig grunn að nútímalegum aðferðum til að draga úr járnkjarnatapi.
Fyrsta lota spennikjarna sem framleidd var á níunda áratug síðustu aldar var öll úr hágæða smíðajárni og sænskt járn var vinsælt um tíma. En um 1900 kom í ljós að með því að bæta litlu magni af sílikoni eða áli í járn gæti það dregið verulega úr segulmagnaðir tapi og þannig hafið nýtt tímabil sérsmíðaðra rafstálplata.
1. Heitt valsað rafstálplata
Að bæta sílikoni við stálplötuna dregur úr hysteresis tapi og eykur segulgegndræpi og viðnám. Þess vegna dregur það einnig úr hringstraumstapi járnkjarna. Einn ókostur við að bæta við sílikoni er að það getur gert stálplötuna brothætta og harða. Þess vegna, til að tryggja vinnsluhæfni og auðvelda framleiðslu járnkjarna, verður magn kísils sem bætt er við að takmarkast við 4%. Að fjarlægja óhreinindi, þar með talið kolefni, úr rafstálplötum hefur einnig veruleg áhrif til að draga úr tapi. Þrátt fyrir að rafstálplatan sem innihélt upphaflega sílikon hafi tap á einingum upp á 7W/kg við 50Hz og 1,5T segulflæðisþéttleika, höfðu svipaðar háhreinar rafstálplötur, sem framleiddar voru árið 1990, minna en 2W/kg við sömu prófunarskilyrði.
Eins og getið er hér að ofan hafa rafmagnsstálplötur kristalbyggingu og segulmagn rafstálplata kemur frá ýmsum kristöllum eða kornum og segulmagn flestra korna fer eftir stefnu kornanna við prófunaraðstæður.
Í Bandaríkjunum voru spennar gerðir úr rafstálplötum með þykkt um 0,35 mm fram á fjórða áratuginn. Í Bretlandi voru spennar framleiddir með því að nota heitvalsunartækni þar til seint á fjórða áratugnum, þar sem kornin í rafmagnsstálplötunum voru sameinuð af handahófi. Þess vegna hafa segulmagnaðir gögn mæld úr stálplötu um það bil sama gildi og eru óháð prófunarstefnunni. Vegna þess að þessi gögn endurspegla einsleitni hvers kristals í allar áttir, eru þessi rafefni talin samsætuleg.
2. Kornstillt rafmagnsstálplata
Strax á 2. áratugnum var viðurkennt að rafmagnsstálplötukristallar hafa anisotropy, en það var ekki fyrr en árið 1934 sem bandaríski NP Gauss sótti um einkaleyfi á iðnaðarframleiðsluferli, sem aðallega var þróað af bandaríska fyrirtækinu Amick og viðskiptalegt gildi þess liggur í anisotropy stálplata. Fyrsta lotan af kornastilltum köldu-valsuðum rafstálplötum var framleidd í atvinnuskyni árið 1939. Þykktin er 0,32 mm og einingatapið við 50Hz og 1,5T er 1,5W/kg.
Þetta efni er rúllað í gegnum kaldvalsunarferli. Þetta ferli hefur myndað framleiðslugrundvöll fyrir kaldvalsað-kornstillt rafmagnsstálplötur í mörg ár. Stálræman sem byrjar að vera heit-valsuð þarf að súrsa til að fjarlægja yfirborðsoxíð og síðan er stálræman sem er heit-valsuð í 2-2,5 mm þykkt kald-valsað í 0,6 mm þykkt. Næst er glæðing framkvæmd til að leyfa uppbyggingunni sem myndast við kaldvalsingu að kristallast aftur og síðan kaldvalsað aftur í æskilega þykkt. Þegar kolefnisinnihaldsmassahlutfall rafmagnsefna er undir 0,003% skal setja þunnt lag af magnesíumoxíði á. Eftir það er stálplatan glóð við 1200 gráður í 24 klukkustundir til að hreinsa frekar og gangast undir endurkristöllun. Á sama tíma hvarfast magnesíumoxíð við yfirborð stálplötunnar til að mynda magnesíumsílíkatlag, einnig þekkt sem glerhúð eða magnesíumólívínlag. Að lokum er kaldvalsað rafmagnsstálplata jafnað og glæðað til að fjarlægja umfram magnesíumoxíð og húðað með fosfathúð. Þegar fosfat hvarfast við magnesíumsílíkat myndast sterk og einangrandi þunn filma.
Meðan á heitvalsunarferlinu stendur virkar það sem kornvaxtarhemill til að bæta mangansúlfíðögnum við bræðsluna, sem kemur í veg fyrir kornvöxt. Þó það sé útfellt við kælingu stálræmunnar. Á sama tíma verða til ákveðnir kristallar með Gauss kristalbyggingu, þ.e. kristallar með æskilega stefnu, meðfram mörgum öðrum stefnum. Eftir kaldvalsingu, við afkolunarglæðingu, kristallast Gauss uppbyggðu kristalkjarnar aftur, eins og efnið hafi þróast í "byggingarminni". Á þessu stigi er kornþvermálið um það bil 0,02 mm og við há-hitaglæðingu við 800 gráður. Þegar mangansúlfíð agnir koma í veg fyrir að aðrar agnir aukist munu þær halda áfram að vaxa á gaussískum kornum. Hvert Gauss korn þarf að sameina 106 til 107 aðal korn meðan á aukakristöllunarferlinu stendur og mynda alla þykkt stálplötunnar. Þvermál kornsins mun aukast í 10 mm eða meira. Ekki hafa öll korn ákjósanlega Gauss-stefnu. En flest kornin eru innan 6 gráðu sviðsins frá kjörstefnu.
3. Rafmagnsstálplata með mikilli segulleiðni
Ofangreindar-kallvalsaðar kornstálplötur voru notaðar fram á seint á sjöunda áratug síðustu aldar, þar til aðeins minniháttar endurbætur voru gerðar á framleiðsluferli þeirra. Árið 1965 tilkynnti Nippon Steel um nýja byltingu í gæðum rafmagnsstálplata: Japan þróaði rafmagnsstálplötur með mikilli segulleiðni. Þetta forrit er einfaldað með því að útrýma kaldvalsingarferli og bæta við um það bil 0,025% áli til að gera álklóríð að hemli á kornvexti. Rafstálplötur með mikla segulleiðni hafa betri stefnu en kaldvalsaðar kornastilltar rafmagnsstálplötur (hér á eftir nefnd „venjuleg rafmagnsstálplötur“). Vegna þess að korn af rafstálplötum með mikilli segulleiðni er að mestu komið fyrir innan 3 gráður, er meðalkornþvermál 1 cm, sem er miklu stærra en 0,3 mm þvermál venjulegra rafstálplata. Við segulflæðisþéttleika 1,7T eða hærri er segulgegndræpi þess þrisvar sinnum hærra en besta venjulegt rafmagnsstálplata. Álagsnæmi taps og segulþrengingar er tiltölulega lítið, þar sem rafstálplatan myndar mikinn togstyrk með því að hylja hana með svokallaðri streituhúð. Álagshúðin flytur togálag á rafmagnsstálræmuna og dregur úr hringstraumstapi. Annars, vegna mikillar kornastærðar, væri hringstraumstap einnig umtalsvert. Vegna húðunar er hægt að draga úr hysteresis tapi, sem leiðir til lækkunar á heildartapi. Hins vegar er lítið tap á rafmagnsstálplötum með mikla gegndræpi aðallega vegna þess að kornastefnu er bætt, sem dregur úr hysteresis tapi um 30% til 40%.
4. Rafmagnsstálplötur með fáguðum segullénum
Með aukinni eftirspurn eftir að draga úr tapi kjarna spenni er framleiðsluferlið á rafstálplötum einnig stöðugt að batna. Á níunda áratugnum lagði Nippon Steel fram leysigrafið rafmagnsstálplötu með 5% til 8% lægra tapi en á rafmagnsstálplötum með mikla gegndræpi. Japan hefur framleitt þetta efni síðan 1983, þykkt 0,23 mm. Einingatapið við 50Hz og 1,7T er 0,85W/kg.
Eins og fyrr segir. Meðan á segulvæðingarferlinu stendur, eiga sér stað einhver „óeðlileg hringstraumstap“ vegna hreyfingar segulsviðsvegganna. Strax árið 1958 gerðu Messerz Pory og Binai ráð fyrir að í kornastilltum rafstálplötum væri óeðlilegt hringstraumstap í réttu hlutfalli við plássið sem segulmagnaðir lénsveggir taka og í öfugu hlutfalli við þykkt rafstálplötunnar.
Í mörg ár hefur verið viðurkennt að álag á rafmagnsstálplötur hefur ákveðin áhrif á niðurskiptingu segulsviða og getur dregið úr járnkjarnatapi. Þetta er fræðilegur grunnur fyrir notkun álagshúðunar á rafstálplötum með mikilli segulleiðni. Húðin beitir togálagi á stálplötuna við kælingu vegna lágs varmaþenslustuðuls. Að búa til vélrænar rispur á yfirborði rafmagnsstálplata í þvervalsátt í ákveðinni fjarlægð er hægt að nota sem leið til að mynda álag, en það er erfitt að ná fram framleiðslu í atvinnuskyni. Ókosturinn við þessa nálgun er að þykkt rafmagnsstálplötunnar við klóruna minnkar, sem eykur staðbundinn segulflæðisþéttleika og veldur því að segulflæðið færist yfir í aðliggjandi lagskipanir, sem leiðir til nettóaukninga á tapi.
Ráðstöfunin sem Nippon Steel Corporation grípur til til að leysa þetta vandamál er að nota -snertilausa aðferð til að bæta segulsvið, sem notar leysigeislun, almennt þekkt sem leysirskorun. Þegar há- leysigeisla er beint að yfirborði stálræmunnar, eiga sér stað uppgufun og dreifingarfyrirbæri samtímis í ysta lagi stálræmunnar. Þess vegna mun höggþrýstingur þúsunda lofthjúps valda því að stálplatan myndar staðbundið teygjanlegt -plastsvæði. Vegna mikillar-mikillar þéttleikaflóka sem stafar af teygjanlegri aflögun mun álagið sem eftir er leiða til nauðsynlegrar betrumbótar á segulsviðum. Vegna uppgufunar og dreifingar sem stafar af leysigeislun á ysta lagi stálplötuyfirborðsins, þarf viðbótarhúð til að halda yfirborði einangrunarlagsins ósnortnu.
Mikilvægur þáttur í fíngerðarferli segulléns sem lýst er hér að ofan er að ef efnið er glæðað við hitastig yfir 500 gráður er hægt að útrýma leifarálagi, en það snýr í raun forritinu við. Mikilvæga málið er að eftir leysimerkingaráætlunina má ekki framkvæma neitt ferli við hitastig yfir 500 gráður.
5. Formlausar málmblöndur
Formlaust álfelgur er nýþróað rafmagnsefni og þróun þess er allt önnur en rafmagnsstálplötur. Formlaus málmblöndur, einnig þekkt sem málmgler, voru upphaflega þróuð af bandaríska fyrirtækinu Arled Singer Glass Products Co., Ltd. Strax á áttunda áratugnum var það notað sem staðgengilsefni til að styrkja stál í bíladekkjum og það var ekki fyrr en um miðjan áttunda áratuginn að fólk áttaði sig á mikilvægi segulmagnaðir eiginleikar myndlausra málma. Þótt formlaus málmblöndur séu enn erfið í framleiðslu og vinnslu 35 árum síðar, sem takmarkar notkun þeirra, minnkar tap á formlausum málmblöndur verulega miðað við bestu venjulegu rafstálplöturnar.
Formlaus málmblöndur hafa myndlausa atómabyggingu, án samhverfuáss og frumeindir af handahófi. Atómuppbyggingin veltur aðallega á hraðri kælingu bráðnu málmblöndunnar og innlimun glermyndandi þátta eins og bór. Dæmigert formlaust álefni inniheldur 80% járn, 20% bór og sílikon.
Það eru ýmsar aðferðir til að framleiða myndlausar málmblöndur, en sú sem oftast er notuð er að úða búnti af bræddu ál á snúnings koparrúllu. Kælihraði bráðins málms er um það bil 106 gráður / s og málmblöndun storknar til að mynda samfellda stálræmu. Slökkun getur valdið mikilli innri streitu í efnum, þess vegna er lág-hitaglæðing við 200 gráður og 280 gráður nauðsynleg til að draga úr innra álagi og gera efnið með góða segulleiðni. Elsta þróaða myndlausa málmblönduna var aðeins 2 mm á breidd og 0,025-0,05 mm á þykkt. Um miðjan tíunda áratuginn tókst mikill fjöldi framleiðenda spennivíra að framleiða myndlaus málmblöndu með breidd allt að 200 mm með góðum árangri.
Seint á níunda áratugnum framleiddi upphaflegi verktaki myndlausra málmblöndur, Arled Singer Metallic Glass Products Co., Ltd., hert formlaust málmblönduefni sem kallast POWERCORE stálræmur, sem var notað sem lagskiptur járnkjarna. Þykkt þessa efnis er 0,125-0,25 mm og það er myndað með því að tengja saman nokkur lög af steyptum stálræmum til að mynda stálræma sem auðvelt er að vinna úr. Meira en 15% til 75% af yfirborði ræma stálsins er hægt að tengja saman á áhrifaríkan hátt með límáhrifum dreifðs kísiloxíðbindingar. Þessi veika tenging leyfir ekki stórum hvirfilstraumum að fara í gegnum hvert lag af stálræmu, þess vegna eru eiginleikar stálræmunnar með auknu rúmmáli svipaðir og einni ræma.
Vegna þess að glermyndandi þættir eru ekki-segulmagnaðir leiðir notkun þeirra til annarrar takmörkunar, sem er að efnið hefur mjög lágan mettunarsegulflæðisþéttleika. POWERCORE ræma sýnir mettun við segulflæðisþéttleika 1,56T. Einingatapið við 50Hz og 1,35T er 0,12W/kg. Einingatapið við 50Hz og 1,5T er 0,28W/kg.
Annar mikilvægur eiginleiki formlausra málmblöndur er örvunarspennumæling. Við 1,3T er örvunarspenna formlausrar málmblöndu 0,25V · A/kg, en örvunarspenna rafstálplötu með 3% sílikoninnihald er 0,69V · A/kg. Áhrif lágs mettunar segulflæðisþéttleika á örvunarspennumælingu má sjá í gegnum örvunarspennumælingu 1,5T segulflæðisþéttleika. Fyrir POWERCORFR ræma stál getur örvunarspennan náð allt að 1,3V · A/kg. Dæmigert örvun volt ampera gildi venjulegs rafmagns stálræma er aðeins 0,94V · A/kg.
Núverandi fáanlegt POWERCORE ræma stál er enn ekki hentugur til að búa til stóra rafspennukjarna, þó (sérstaklega í Bandaríkjunum) þúsundir dreifispennakjarna með meðalgetu upp á 50kV · A séu úr myndlausum málmblendiefnum. Í Evrópu er notkun á formlausum málmblöndur mun minni en í Bandaríkjunum. Notendur eru aðallega í Hollandi, Svíþjóð, Sviss, Þýskalandi og Ungverjalandi. Ástæðan fyrir því að Evrópa er tiltölulega sein við að taka upp myndlausar málmblöndur gæti verið sú að mjóbandsstál hentar ekki fyrir járnkjarna uppbyggingu sem notuð er í Evrópu. Og spólaður járnkjarni er algengt form dreifingarspenni í Bandaríkjunum. Vegna þess að vals járnkjarna er sérstaklega hentugur til að nota myndlaus málmblöndur. Í Bretlandi notar aðeins ein spenniverksmiðja myndlaus málmblöndur en aðrar spenniverksmiðjur nota þau varla. Þessi spenniverksmiðja hefur framleitt hundruð lítilla dreifispenna sem nota myndlaus efni. Þessir spennar samþykkja allir járnkjarna uppbyggingu. Þessi spenniverksmiðja í Bretlandi notaði einnig myndlaus málmblöndur til að framleiða lítinn fjölda prófunarspenna. Samkvæmt skýrslum vega erfiðleikarnir við að klippa myndlaus málmblöndur og búa til venjulegar járnkjarnabyggingar þyngra en ávinningurinn sem fæst.
Annað hagnýtt mál sem tengist myndlausum álfelgum stálræmum er lélegur lamination þáttur þeirra. Þetta stafar af þunnri þykkt myndlausra álfelgursræma og margra laga af lagskiptum. Annað sem tengist þessu er að flatleikinn er lélegur vegna þunnrar blaðsins. Lamination stuðull 0,03 mm ókristallaðs járnkjarna er aðeins 0,8 og lagskiptistuðull 0,13 mm þykkur POWERCORE stálrönd er 0,9 Í samanburði við venjulegar rafmagns stálplötujárnkjarna, hafa báðir lagskiptistuðullinn 0,95-0,98, sem er mjög lakari.
6. Örkristallað stálplata
Önnur leið til að hámarka segulmagnaðir og vélrænir eiginleikar rafmagnsstálplata er að framleiða hraðherðandi hátt kísilinnihald og áljárnblendi sem eru framleiddar á sama hátt og myndlausar málmblöndur. Þessar rannsóknir hafa vakið mikla athygli í Japan og innihalda ekki glermyndandi aukefni, sem gerir það að sterku örkristallað stáli. Venjulega vísað til sem örkristallað stálræma. Við höfum þegar framleitt 6% kísiljárnstálræmur, sem hefur verið sannað að hefur seigleika og lægra tap en 3% kornastillt rafmagnsstálræma í atvinnuskyni. Við 50Hz og 1,7T segulflæðisþéttleika. Dæmigert uppgefið einingatap fyrir þetta álefni er 0,56W/kg. Kosturinn við hraðslökkvun örkristallaðs stáls er að það hefur meiri segulleiðni en myndlausar málmblöndur.
7. Samþykkja bættar stálplötur
Kaldvalsaðar kornastilltar rafmagnsstálplötur komu nánast algjörlega í stað eldvalsuðu-rafvalsuðu rafmagnsstálplöturnar sem notaðar voru við spenniframleiðslu á fjórða og fimmta áratugnum og ýtti undir nýja hugsun á sviði járnkjarna. Eftir að hafa verið kynnt og beitt í um það bil 30 ár hefur þróun á kornstilltum rafstálplötum með mikilli segulleiðni verið tiltölulega hæg, aðallega vegna mikils kostnaðar þeirra. Snemma notkun á rafstálplötum með mikilli segulleiðni var í grundvallaratriðum takmörkuð við aðstæður þar sem samþykktur kostnaður við-álagstap var hár. Fólk er alltaf að bæta hönnun og framleiðslu járnkjarna til að fullnýta frammistöðu nýrra efna og á sama tíma eru ákveðnar endurbætur einnig gagnlegar fyrir hönnun sem notar hefðbundin efni. Árið 1981 var framleiðsla á mjög segulmagnuðum kornastilluðum rafstálplötum um allan heim aðeins 12%; Árið 1995 varð notkun á rafstálplötum með mikilli segulleiðni staðall. Sama á við um ástandið eftir að leysigraftar rafstálplötur komu fram. Eftir meira en áratug af farsælli þróun voru þær takmarkaðar af bæði framleiðslu- og kostnaðarþáttum. Leysargraftarfilma er enn álitið af mörgum sem „sérstakt“ efni, eingöngu notað fyrir spennubreyta með háum-álagstapskostnaði. Þróunarstefna járnkjarnahönnunar og uppbyggingar getur endurspeglað eiginleika núverandi efna.
8. Vörumerki úr járnkjarna rafmagnsstálplötu
IEC 60404 er alþjóðlegur staðall fyrir segulmagnaðir efni, þar á meðal járnkjarna stálplötur. Þetta er alhliða staðall sem inniheldur margar skrár. Það var ekki fyrr en seint á níunda áratugnum sem stálplötur fyrir rafspennukjarna voru innifalin í breska staðlinum BS 601. Fyrir þetta fylgdu flestar kaldvalsaðar kornastilltar rafstálplötur sem notaðar voru þessum staðli. Þessi staðall notar kóðunaraðferð til að bera kennsl á ýmis tiltekin efni. Til dæmis, 28M4 eða 30M5 tákna þykkt 0,28 mm og 0,30 mm, í sömu röð, með eftirfarandi gildi sem tákna hámarkstap eininga. Með kynningu á rafstálplötum með mikilli segulleiðni hefur þessi kóðunaraðferð verið framlengd með geðþótta til að úthluta merkimiðum á þetta efni. Til dæmis er stálplatan með mikla gegndræpi merkt 30M2H, þar sem 0,30 mm táknar þykkt og 2 táknar einingartap. Þrátt fyrir að þetta merki sé enn notað af fólki, notar núverandi staðall ekki lengur merkimiðann 30M2H.
