CRGO-Laminierung vs. CRNGO-Laminierung: Welchen Kernstahl sollten Sie wählen?

Wenn Ihr Flusspfad hauptsächlich in eine Richtung verläuft und jedes Watt Leerlaufverlust schmerzt, wählen Sie CRGO. Wenn das Feld hin und her schwankt, Ihre Geometrie unübersichtlich ist oder die Kosten und die Einfachheit des Stanzens wichtiger sind als das Herausholen des letzten Prozentpunkts an Effizienz, wählen Sie CRNGO. Alles andere ist nur der Beweis, dass Sie sich selbst, dem Einkauf und dem Verlustbudget diese Entscheidung zutrauen.

Sie kennen die Antwort aus dem Lehrbuch bereits

Inzwischen kennen Sie die übliche Geschichte: kornorientiertes Elektroband (CRGO) ist für die Magnetisierung entlang der Walzrichtung optimiert und dominiert in Leistungs- und Verteiltransformatoren; nicht kornorientiertes Elektroband (CRNGO) hat nahezu isotrope Eigenschaften in der Blechebene und ist der Standard für Motoren, Generatoren und rotierende Maschinen.

Diese Artikel sind für Ingenieure im ersten Jahr gut geeignet. Sie sprechen über die Ausrichtung der Körner, die Herstellungsschritte, den Siliziumgehalt und zeigen manchmal sogar eine schöne Mikrografie. Das ist einmal nützlich. Danach sind die wirklichen Fragen andere: Wie weit kann man B treiben, bevor der Verlust explodiert, was passiert bei der Belastung durch das Stanzen, und wann ist CRNGO "gut genug" für einen Transformator, so dass man einen Preispunkt erreichen kann, ohne die Lebenszeitbetriebskosten zu zerstören. Das ist der eigentliche Knackpunkt der Entscheidung.

Was die Entscheidung bei realen Projekten wirklich beeinflusst

Wenn Entwicklungsteams über CRGO oder CRNGO streiten, geht es fast nie um Definitionen. Sie streiten sich über drei Dinge, die etwas unübersichtlicher sind als die Datenblätter.

Das erste ist das Fluxmuster. Nicht die idealisierte Zeichnung, sondern die reale Zeichnung, wenn Sie Verbindungen, Ausschnitte, Kerben und Toleranzen hinzufügen. Wenn der Hauptpfad durch Ihren Stapel ausgerichtet ist und mit einer Blechrichtung ausgerichtet bleibt, kann CRGO wirklich seinen Unterhalt verdienen. Wenn sich Ihr Feld bei jedem elektrischen Zyklus dreht oder Ihre Laminierungen in Formen gezwungen werden, bei denen Sie ständig quer zur Walzrichtung schneiden, schrumpft der Vorteil und CRNGO beginnt, als die ehrlichere Wahl zu erscheinen.

Zweitens geht es um das Verlustbudget bei Ihrer tatsächlichen Betriebsinduktion und -frequenz, nicht um die Marketingzahlen. CRGO sieht in der klassischen P1,5/50-Prüfung hervorragend aus; CRNGO sieht dort konstruktionsbedingt schlechter aus, aber einige hochwertige CRNGO-Stähle sind auf höhere Frequenzen oder andere Flussdichten abgestimmt, und das Bild verschiebt sich ein wenig, wenn man die Lehrbuchwelt von 50/60 Hz verlässt.

Drittens: Herstellbarkeit und Kosten. Stanzqualität, Grathöhe, Beschichtung, Spannungsentlastung, Ausschussrate, Coilbreite. CRGO ist oft dünner, empfindlicher gegen Beschädigungen bei der Handhabung und verzeiht weniger raue Werkzeuge. CRNGO ist in der Regel pro Kilogramm billiger, in motorfreundlichen Dicken wie 0,35-0,50 mm erhältlich und in den Qualitäten, die der Einkauf bereits für Motoren kauft, leichter zu beschaffen.

Wenn man diese drei ignoriert und nur auf die Verlustzahl in einer einzigen Zeile eines Katalogs starrt, kann man eine Kalkulationstabelle "gewinnen" und trotzdem das System verlieren.

Magnetisches Verhalten im Kern, den Sie tatsächlich bauen

Auf dem Papier bietet CRGO eine etwa 30% höhere magnetische Flussdichte entlang der Walzrichtung im Vergleich zu nicht orientiertem Stahl, bei ähnlichem Siliziumgehalt. Das ist der Grund, warum Transformatorenliebhaber darauf stehen. In einem gut konstruierten Schenkel mit ausgerichteten Verbindungen und kontrollierter Beanspruchung kann man tatsächlich höhere B-Werte bei gleichem oder geringerem Kernverlust erzielen.

Aber echte Kerne sind keine Epstein-Streifen. Sie werden geschnitten, gestanzt, auf Gehrung geschnitten, gestapelt und geklemmt. Jeder dieser Schritte führt zu lokalen Spannungen und zu Bereichen, in denen das Flussmittel einen weniger idealen Weg einschlägt. Die Kornorientierung ist dort am hilfreichsten, wo der Flussweg lang, gerade und parallel zur Walzrichtung ist. Der Vorteil schwindet dort, wo Ecken, Joche und T-Stücke vorhanden sind. Aus diesem Grund verwenden einige Hersteller absichtlich nur höherwertiges CRGO in den Hauptschenkeln und akzeptieren in den Jochs normales Material oder mischen die Qualitäten, um Kosten und Leistung in Einklang zu bringen.

CRNGO hingegen ist genau so gebohrt, wie es rotierende Maschinen benötigen. Innerhalb der Blechebene werden die Eigenschaften so gleichmäßig wie möglich gestaltet. Man opfert die beste Leistung beim Abrollen, aber man vermeidet katastrophale Worst-Case-Bereiche, wenn sich das Feld dreht. Für einen Motorkonstrukteur ist diese Abflachung von Extremen oft mehr wert als eine beeindruckende B-H-Kurve in einer Richtung.

Die Frage lautet also: Wie "eindimensional" ist Ihr Flussmittel im fertigen Produkt, nicht in Ihrer FEA, bei der die perfekte Materialsymmetrie aktiviert ist.

Verlust, Dicke und Betriebsinduktion: die Zahlen, die Ihre Effizienz beeinflussen

Lassen Sie uns den Kompromiss mit realen, veröffentlichten Zahlen und nicht nur mit Adjektiven untermauern.

Handelsübliche CRGO-Bleche weisen heute Kernverluste von etwa 0,7-1,1 W/kg bei 1,5 T, 50 Hz auf, je nach Güteklasse (M2 bis M6, 0,18-0,35 mm). In der Praxis geben Hersteller und Prüfinstitute für die tatsächlich in Netztransformatoren verwendeten Stähle oft Werte von 0,9-1,3 W/kg bei 1,5 T, 50 Hz an.

Kommerzielle CRNGO-Qualitäten umfassen ein breiteres Spektrum. Standardgüten für Motoren und Allzwecktransformatoren liegen oft im Bereich von 4-6 W/kg bei 1,5 T, 50 Hz, mit verbesserten Güten unter 4 W/kg und günstigeren Güten darüber. Die Dicke beträgt normalerweise 0,35, 0,5 oder 0,65 mm, wobei dünnere Bleche für Hochleistungsmaschinen oder höhere Frequenzen reserviert sind.

Stellen Sie sich also einen 100 kg schweren Kern vor, der bei Nennspannung mit etwa 1,5 T betrieben wird. Die Umstellung von 1 W/kg CRGO auf 4 W/kg CRNGO bedeutet einen zusätzlichen Leerlaufverlust von etwa 300 W. Bei 20 Jahren Dauerbetrieb werden aus diesen zusätzlichen 0,3 kW etwa 52.000 kWh. Selbst bei einem Preis von 0,10 USD pro kWh ergeben sich für einen Transformator zusätzliche Energiekosten in Höhe von 5.000 USD. Der Stahlpreisunterschied am ersten Tag ist selten so groß. In einem Umspannwerk gewinnt CRGO dieses Argument fast jedes Mal.

Betrachten wir nun einen kleinen 3-kVA-Niederfrequenztransformator, der selten mit Nennspannung läuft. Die Kernmasse ist winzig; die Einschaltdauer ist gering. Die gleichen Zahlen pro Kilogramm schrumpfen auf den Rauschpegel der gesamten Anlage. Plötzlich kann der niedrigere Anschaffungspreis und die einfachere Beschaffung von CRNGO absolut vernünftig sein, und viele Hersteller tun genau das bei Geräten mit geringer Leistung.

Der Kontext ändert die richtige Antwort, selbst bei gleichem Material.

Herstellung, Stress und Lärm: Was die Fußnoten im Datenblatt andeuten

In den Datenblättern wird die Spannungsempfindlichkeit angedeutet; die Produktion erinnert Sie daran, dass sie real ist. Die niedrigen Verlustzahlen von CRGO setzen ein sorgfältiges Spannungsarmglühen oder zumindest eine minimale plastische Verformung voraus. Aggressives Stanzen, enges Biegen oder unbedachtes Einspannen können einen erschreckenden Teil der Vorteile zunichte machen, für die Sie bezahlt haben.

CRNGO-Sorten sind nicht immun gegen Stanzschäden, aber einige werden so formuliert, dass mechanische Festigkeit und Stanzbarkeit Teil ihres Konstruktionsziels sind, insbesondere bei Serien für die Automobilindustrie. Wenn Ihr Werk über relativ alte Werkzeuge und hohe Stückzahlen verfügt und Sie keine schonende Behandlung garantieren können, ist es vielleicht sicherer, davon auszugehen, dass Sie die idealen CRGO-Werte aus dem Katalog nie erreichen werden.

Das Rauschen ist ein weiteres Unterscheidungsmerkmal. CRGO weist eine starke Anisotropie in der Magnetostriktion auf. Wenn Sie entlang der Walzrichtung magnetisieren und die Verbindungen gut gestalten, können Sie das hörbare Brummen in einem nützlichen Maße kontrollieren. Ein falsch ausgerichteter Fluss oder eine starke Quermagnetisierung können dazu führen, dass die Dinge lauter werden als erwartet. CRNGO weist ein gleichmäßigeres Magnetostriktionsverhalten auf; die Konstrukteure von Rotor und Stator können das akustische Rauschen durch Schlitzgeometrie, Schrägstellung und Anregung steuern, anstatt sich auf die Materialanisotropie zu verlassen.

Nichts davon zeigt sich in einem einfachen Marketingvergleich "CRGO vs. CRNGO", aber es bestimmt, ob sich Ihr Prototyp wie Ihr Modell verhält.

Kosten und Verfügbarkeit: der Teil, auf den der Einkauf Wert legt

Pro Kilogramm ist CRNGO in der Regel billiger als CRGO vergleichbarer Dicke, vor allem bei den hochvolumigen Standardsorten. CRGO, insbesondere die Hi-B- und Premium-Sorten, haben einen Preisnachteil und manchmal auch eine längere Vorlaufzeit. Mühlen haben eine begrenzte Kapazität für die kornorientierte Produktion; spezielle Beschichtungen und engere Toleranzen führen zu weiteren Einschränkungen.

Andererseits ist CRNGO oft das Material, das Ihr Unternehmen bereits für Motoren, Kompressoren und Generatoren kauft. Allein das Volumen kann für bessere Preise, besseren Service und mehr Optionen für die Spulenbreite sorgen. Diese Vereinfachung der Lieferkette ist ein stiller, aber realer Grund dafür, dass viele Hersteller CRNGO in kleinere Transformatorenbereiche, oft bis zu etwa 100-150 kVA, vorantreiben, wenn die Effizienzvorschriften dies zulassen.

Wenn also jemand sagt: "CRGO ist zu teuer", stellt sich nicht nur die Frage nach dem Stahlpreis. Es geht darum, welches Effizienzniveau für Ihre Produktfamilie erzwungen wird, wie hoch der Arbeitszyklus ist und wie viel von den Energiekosten Ihrer Flotte während der gesamten Lebensdauer für denjenigen sichtbar ist, der den Kaufauftrag unterzeichnet.

CRGO vs. CRNGO im Überblick

Hier ist ein kompakter Vergleich, der die Zahlen ehrlich hält und dennoch praktisch ist. Bei den Werten handelt es sich um typische Spannen; die einzelnen Noten können abweichen.

Diese Tabelle ist keine Prüfungsantwort. Sie soll Sie daran erinnern, was Sie wirklich handeln.

Wo CRGO fast immer sinnvoll ist

Es gibt Fälle, in denen man kaum zu denken braucht.

Wenn Sie mittlere bis große Leistungs- oder Verteilungstransformatoren für den Dauerbetrieb im Netz konstruieren, zwingen Sie die Vorschriften und die Erwartungen der Kunden in Bezug auf Leerlaufverluste fast dazu, CRGO oder sogar amorphe Stähle zu verwenden. Die Verluste von CRNGO bei 50/60 Hz sind einfach zu groß, sobald die Kernmassen Hunderte von Kilogramm erreichen. Jede Stahleinsparung am ersten Tag verpufft in Betriebskosten und Problemen bei der Einhaltung der Vorschriften.

Wenn Ihr Flusspfad sauber ausgerichtet ist, Ihre Fertigungslinie das Material respektieren kann (gutes Stanzen, geringer Grat, richtiges Stapeln, kontrolliertes Einspannen) und Sie sich an realistische Betriebsinduktionsgrenzen halten, bleibt CRGO das leise Arbeitspferd. Sie brauchen keine poetische Beschreibung seiner Körner, um diese Wahl zu rechtfertigen.

Wo CRNGO still und leise gewinnt

CRNGO ist kein "billiger Ersatz". Es ist die richtige Antwort für die meisten rotierenden Maschinen und eine angemessene Antwort für viele kleine Transformatoren.

In Motoren, Generatoren und Lichtmaschinen dreht sich das Flussmittel. Hochwertige nicht orientierte Stähle sind für diese Realität ausgelegt: ausgewogene Eigenschaften in allen Richtungen, oft mit Beschichtungen und mechanischen Festigkeiten, die für enge Nuten und Hochgeschwindigkeitsrotoren geeignet sind. Der Versuch, einen modernen Traktionsmotor aus CRGO in Transformatorqualität zu bauen, wäre ein Kampf gegen das Material.

Bei kleineren Transformatoren, Vorschaltgeräten, Hilfsstromversorgungen und Magneten mit geringer Einschaltdauer stehen Sie manchmal unter einem anderen Zwang: Kosten und Versorgung. Hier können Sie mit CRNGO dieselbe Stahlfamilie und dieselben Verarbeitungslinien wie bei Ihren Motorprodukten verwenden, den Einkauf vereinfachen und dennoch die Effizienzanforderungen erfüllen, da die absolute Kernmasse und die Einschaltdauer bescheiden sind.

Es gibt sogar Datenblätter von Stahlherstellern, die besagen, dass nicht orientierte Sorten für Transformatoren bis zu einer bestimmten Leistung (in der Größenordnung von 150 kVA) akzeptabel sind, wenn sie entsprechend ausgelegt werden. Das ist kein Trick, sondern ein anerkannter Konstruktionsweg.

Grenzfälle, in denen die "Regeln" verschwimmen

Das Leben wäre langweilig, wenn es keine Regeln gäbe.

Bei Hochfrequenztransformatoren in der Leistungselektronik werden manchmal verschiedene Strategien kombiniert. So kann sich ein Konstrukteur beispielsweise für sehr dünne CRNGO- oder spezielle Hochfrequenzsorten entscheiden, wenn die Kosten oder die Verfügbarkeit von amorphen und nanokristallinen Metallen begrenzt sind, selbst wenn diese CRNGO-Sorten bei 50 Hz schlecht aussehen. Der tatsächliche Betriebspunkt liegt bei einigen zehn Kilohertz; die relativen Unterschiede verschieben sich.

Große Motoren mit ungewöhnlich festen Flusspfaden oder unkonventionellen Topologien könnten mit orientierten Stählen in bestimmten Blechen experimentieren, obwohl die Verarbeitung sehr mühsam und der Gewinn bescheiden ist, es sei denn, die Konstruktion ist sehr eingeschränkt. Akademische Arbeiten haben teilweise orientierte Texturen in CRNGO erforscht, um die Grenze ein wenig zu verwischen, indem sie eine gewisse Isotropie gegen eine bessere Leistung in Rollrichtung eintauschen.

Und dann ist da noch die Regulierung. Da die Effizienzklassen sowohl für Transformatoren als auch für Motoren immer enger werden, führen die Stahlhersteller immer neue hochwertige CRNGO- und verbesserte CRGO-Varianten ein. Der Unterschied zwischen den Verlusten von hochwertigem CRNGO und mittlerem CRGO bei einem bestimmten Betriebspunkt kann so klein werden, dass die Entscheidung weniger offensichtlich ist und mehr von der nachgelagerten Herstellbarkeit und den mechanischen Zwängen abhängt als von einem einzelnen W/kg-Wert.

Sie sollten also die Datenblätter im Auge behalten, nicht weil Sie die Grundlagen vergessen haben, sondern weil sich die Grenzen ständig verschieben.

Ein praktischer Weg zur Entscheidung, Projekt für Projekt

Wenn Sie bei einem neuen Design zwischen CRGO- und CRNGO-Laminaten wählen, können Sie dies fast wie eine kurze Designprüfung mit sich selbst behandeln.

Gehen Sie vom Verhalten des Flusses aus. Skizzieren Sie den tatsächlichen Pfad durch den Kern, einschließlich der Verbindungen und Schlitze, nicht nur den Hauptstrang. Wenn der Strom weitgehend in eine Richtung fließt und die Anwendung an das Stromnetz angeschlossen oder anderweitig energiekostensensibel ist, nehmen Sie CRGO an, bis etwas Starkes Sie davon abbringt. Wenn der Fluss rotiert oder eine beträchtliche Zeit außerhalb der Achse verbringt, nehmen Sie CRNGO an.

Schauen Sie sich dann das Verlustbudget bei dem tatsächlichen B und der Frequenz an, die Sie im Betrieb verwenden werden. Verwenden Sie die Kernverlustdaten des Herstellers oder Ihre eigenen Messungen an diesem Betriebspunkt, nicht nur die P1,5/50-Zahlen. Wenn eine Umstellung auf CRNGO zehn oder hunderte von Watt an Dauerverlusten mit sich bringt, berechnen Sie den Energieverlust über die gesamte Lebensdauer in Geld, nicht nur in Watt, und vergleichen Sie diesen mit den zusätzlichen Stahlkosten von CRGO.

Danach sollten Sie die Gegebenheiten in Ihrer Fabrik untersuchen. Alter der Werkzeuge, Gratkontrolle, Glühfähigkeit, Stapelverfahren, Beschichtungen, Handhabung. Wenn Sie nicht in der Lage sind, die empfindliche Mikrostruktur von CRGO vom Coil bis zum fertigen Kern zu erhalten, zahlen Sie für eine Leistung, die Sie nie sehen werden. In diesem Fall könnte CRNGO, selbst bei höheren idealen Verlusten, ein Endprodukt erzeugen, das dem Datenblatt näher kommt als CRGO.

Bringen Sie schließlich Einkaufs- und Regulierungszwänge in einen gemeinsamen Raum. Effizienzstandards, CO₂-Berichterstattung, Lieferrisiko, Diversifizierung der Anbieter. Die "beste" technische Lösung, die nicht in großem Umfang beschafft werden kann, ist nicht die beste Lösung.

Das alles erfordert keine dramatische Theorie. Es geht nur darum, den Stahl an die tatsächlichen physikalischen und wirtschaftlichen Gegebenheiten Ihres Entwurfs anzupassen und nicht an den Marketing-Slogan des ersten Artikels, den Sie lesen.

Unterm Strich

Die Entscheidung zwischen CRGO und CRNGO fällt selten im luftleeren Raum. Man wählt zwischen einem verlustärmeren, richtungsoptimierten Material, das eine sorgfältige Handhabung erfordert und in der Regel mehr kostet, und einem nachsichtigeren, isotropen Material, das in den klassischen Leistungs-Frequenz-Betriebspunkten einen Verlust nach sich zieht, sich aber problemlos in die Massenproduktion für rotierende und kleine statische Maschinen integrieren lässt.

Wenn Sie das als einzeiligen Slogan betrachten, erhalten Sie denselben Artikel, den alle anderen auch veröffentlichen. Wenn Sie es als Ausgangspunkt betrachten und Ihre Flusspfade, realen Kerngeometrien, Werksgrenzen und Lebensdauerenergiekosten mit einbeziehen, wird die "richtige" Antwort in der Regel recht schnell deutlich. Und oft ist es dieselbe einfache Regel: große, effiziente, netzgekoppelte Transformatoren tendieren zu CRGO; rotierende Maschinen und kostensensitive oder kleinere Einheiten tendieren zu CRNGO. Der Wert liegt nicht im Auswendiglernen dieser Regel. Er besteht darin, genau zu wissen, warum und wo man sie brechen darf.