Wie die Kornorientierung den Wirkungsgrad von Transformatoren in CRGO-Laminaten beeinflusst

Die Kornorientierung ist der Punkt, an dem der Wirkungsgrad eines Transformators an seine Grenzen stößt. Gut ausrichten und modern CRGO lässt sich der Leerlaufverlust in den Sub-Watt-pro-Kilogramm-Bereich drücken; wenn der Fluss um zwanzig oder dreißig Grad abweicht, gibt man einen großen Teil dieser Marge als Wärme zurück.

1. Die Kornorientierung ist Ihr wirkliches Effizienzbudget, nicht nur eine Materialspezifikation

In den meisten Datenblättern wird die Kornorientierung in zwei freundlichen Linien zusammengefasst: B₈ um 1,9-2,0 T und Kernverlustzahlen nahe 0,7-0,9 W/kg bei 1,5 T, 50 Hz für dünne Hi-B-Güten. In den Auslegungstexten heißt es dann "Fluss entlang der Rollrichtung beibehalten" und weiter geht's. Nützlich, aber sehr komprimiert.

In der Praxis ist diese "Richtung" die größte versteckte Variable in Ihrem Budget für Leerlaufverluste. Kornorientierte Stähle sind so konstruiert, dass Permeabilität und Verlust stark anisotrop sind: Ein Fluss entlang der Walzrichtung hat eine niedrige Koerzitivfeldstärke und eine hohe Permeabilität; ein Fluss, der sich wegdreht, zahlt einen steigenden Preis. Moderne Übersichten über Elektrostähle zeigen immer noch eine deutliche Kluft zwischen kornorientierten und nicht kornorientierten Stählen, wobei sich die Leistung jedoch zunehmend verschlechtert, wenn der Magnetisierungswinkel von der Walzrichtung abweicht.

Die Hersteller von Transformatoren wissen das, auch wenn sie es selten aussprechen. Wenn sie den Kernverlust anhand von Stahlkurven abschätzen, wenden sie bereits einen "Auslegungs-" oder "Gewichtungs"-Faktor an, um Verbindungsstellen, Eckbereiche und außeraxialen Fluss zu berücksichtigen. Dieser Faktor ist im Grunde die Strafe dafür, wie gut (oder schlecht) Sie die Kornorientierung innerhalb des montierten Kerns respektieren.

2. Was wirklich passiert, wenn der Magnetisierungswinkel abweicht

Auf dem Papier ist CRGO ein Polykristall mit einer sehr scharfen Goss-Textur, {110}〈001〉 meist an die Walzrichtung gebunden. In der Realität weicht jedes Korn ein wenig ab. Abweichungswinkel von einigen Grad sind üblich und variieren von Korn zu Korn. Unter einem gleichmäßigen Magnetfeld entlang der Walzrichtung bewegen sich die Bereiche in den "am besten ausgerichteten" Körnern frei; Bereiche in falsch ausgerichteten Körnern benötigen mehr Feld, drehen sich weniger kooperativ und verschwenden bei jedem Zyklus mehr Energie.

Sobald man in einem Winkel zur Walzrichtung magnetisiert, werden mehr dieser härteren Körner belastet. Magnetische Messungen an ultradünnen kornorientierten Stählen zeigen, dass die Sättigungsflussdichte und die Permeabilität mit dem Magnetisierungswinkel stetig abnehmen, wobei jenseits von etwa 20-30 Grad eine starke Verschlechterung eintritt. Klassische Winkelstudien an konventionellem GO zeigen dasselbe: Verlust- und Permeabilitätskurven sind ungefähr symmetrisch um die Walzrichtung und der spezifische Kernverlust bei 1,5 T kann sich zwischen 0° und etwa 60-90° fast verdoppeln.

Deshalb taucht in modernen Anisotropiearbeiten immer wieder die Angabe "etwa 30 Grad" auf. Innerhalb dieses Bereichs ist GO bei Flussdichte und Verlusten immer noch besser als nicht orientierter Stahl. Darüber hinaus schrumpft der Vorteil schnell und kann bei höherem Fluss oder höherer Frequenz effektiv verschwinden.

Um dies in eine konstruktionsfreundliche Form zu bringen, können Sie den Winkel als Multiplikator auf Ihrem Stahldatenblatt behandeln und nicht als Fußnote.

Ungefähre Auswirkungen des Magnetisierungswinkels auf einen typischen GO-Stahl (1,5 T, 50 Hz)

Die nachstehende Tabelle fasst die Trends aus mehreren Studien zur Winkelabhängigkeit in einer einfachen relativen Darstellung zusammen. Sie ist kein Ersatz für Ihre eigenen Epstein-Messungen, sondern eine grobe Darstellung dessen, was veröffentlichte Anisotropiekurven bereits aussagen.

Auch diese Zahlen sind indikativ. Güteklassen, Dicke, Spannungszustand und Induktionsgrad verändern sie, aber die Form des Trends ist beständig.

3. Wo Kerne tatsächlich die Orientierung verlieren

Auf der Zeichnung sieht Ihr Dreiphasenkern perfekt ausgerichtet aus. Im Stapel ist er das nicht.

Gerade Schenkel, die mit der Walzrichtung parallel zum Flussmittel geschnitten werden, sind so gut, wie das Material jemals sein wird. Sobald Sie Fugen und Ecken erreichen, muss sich das Flussmittel krümmen. Selbst bei auf Gehrung geschnittenen oder stufenförmig überlappenden Verbindungen gibt es kleine Bereiche, in denen die lokale Flussrichtung die Lamellen in einem Winkel von 30-60 Grad durchtrennt. Hier versteckt sich der Nachteil aus der vorherigen Tabelle.

Jüngste Anisotropie-Arbeiten an kornorientierten Kernen mit um einen konstanten Winkel verschobenen Schichten zeigen messbare Veränderungen des Gesamtkernverlusts allein durch die Änderung der Winkelausrichtung der Lamellen in einem Stapel zueinander. Ähnliche Untersuchungen an Fe-Si-GO-Blechen bestätigen, dass der Gesamtverlust eine Mischung aus isotropem Wirbelstromverlust und stark gerichteter Hysterese plus Überschussverlusten ist, die alle mit dem Magnetisierungswinkel schwanken.

Konstruktionssoftware modelliert GO oft mit einem einfachen Permeabilitätstensor, der nur aus Roll- und Querkurven besteht, die elliptisch interpoliert werden. Dabei wird die Querrichtung als die schlechteste Richtung betrachtet und davon ausgegangen, dass sich alles dazwischen gleichmäßig verhält. Detailliertere Messungen unter verschiedenen Winkeln zeigen, dass diese Abkürzung zu merklichen Fehlern führen kann, insbesondere bei höheren Flusswerten, bei denen die Anisotropie nichtlinearer wird. Dies zeigt sich in der Diskrepanz zwischen den vorhergesagten und den gemessenen Leerlaufverlusten bei neuen Designs.

Daher sollte jeder Bereich des Kerns, in dem Flusslinien komplizierte 2D-Trajektorien aufweisen - Überlappungen von Stufen, T-Stoß-Regionen, Eckbereiche von gewickelten Kernen - als "außeraxiale Verlustmultiplikatoren" gekennzeichnet werden, nicht nur als geometrische Details.

4. Orientierung ist auch Spannung, Beschichtung und Verarbeitung

Die Ausrichtung ist nicht nur ein Winkel auf Ihrem CAD-Modell; der Spannungszustand des Stahls und das Domänenmuster verändern sie.

Hersteller von Hi-B-Güten wie ORIENTCORE zeigen, dass Zugspannungen entlang der Walzrichtung, die in erster Linie durch die Oberflächenbeschichtung hervorgerufen werden, Hysterese und Wirbelstromverluste reduzieren und gleichzeitig die Magnetostriktion verringern können, was sowohl dem Wirkungsgrad als auch dem Geräuschpegel zugute kommt. Es gibt einen optimalen Bereich: zu wenig Spannung und die Domänen werden nicht stabilisiert; zu viel und die Verluste steigen wieder an.

Das Laserritzen und andere Techniken der Domänenverfeinerung funktionieren durch Unterteilung der Domänen entlang der Walzrichtung, ohne die Beschichtung zu zerstören. Messungen an 3% Si-Fe zeigen eine deutliche Verringerung der Kernverluste nach einer solchen Behandlung, sofern die Magnetisierung nahe der Walzrichtung liegt. Sobald der Fluss zu rotieren beginnt, werden diese sorgfältig gebildeten schmalen Domänen nicht mehr so effizient genutzt.

Das Schneiden bewirkt das Gegenteil. Mechanisches Stanzen führt zu plastisch verformten Randzonen mit Eigenspannungen und lokaler Fehlorientierung. Dies führt zu einer Verdickung der außermittigen Schale jeder Lamelle, insbesondere bei dünnen, extrem verlustarmen Sorten. Das Wickeln oder Montieren von Kernen mit unzureichender Kontrolle des Spaltdrucks oder ungleichmäßiger Klemmung fügt weitere Spannungszustände hinzu, die nicht sauber mit der beabsichtigten Flussrichtung übereinstimmen. All dies ist auf dem Gütezeichen des Stahlwerks nicht ersichtlich, aber es verändert die effektive Anisotropie, die Sie im fertigen Transformator sehen.

Die Magnetostriktion steht auch in engem Zusammenhang mit der Orientierung. Daten für kornorientierte Stähle zeigen, dass die Amplitude der Magnetostriktion sowohl von der Werkstoffgüte als auch vom Winkel zwischen Magnetisierung und Walzrichtung abhängt. Falsch ausgerichtete Verbindungen verschwenden nicht nur Energie, sie werden auch zu lokalen Geräuschquellen.

5. Magnetisierungswinkel als Entwurfsvariable behandeln

Die meisten Kernentwicklungsabläufe behandeln die Kornorientierung immer noch als eine binäre Entscheidung: CRGO verwenden, Lamellen ausrichten, fertig. Bei den derzeitigen Effizienzanforderungen und Energiepreisen ist das ein sehr grober Ansatz.

Sinnvoller ist es, den Blickwinkel als eine begrenzte Ressource zu betrachten, die Sie zuweisen.

Regionen mit hohem Fluss - zentrale Schenkel, Hauptjoche, tankseitige Zonen, in denen die Induktion nahe an 1,7-1,8 T heranreicht - verdienen Magnetisierungswinkel, die so nahe bei 0° liegen, wie es die Auslegung erlaubt. Gelenkbereiche können eine größere Abweichung tolerieren, wenn die lokale Flussdichte durch die Geometrie reduziert wird, aber sobald man diese Bereiche bei hohem Fluss um die 30° leben lässt, sitzt man in der Reihe der Tabelle, in der sich der Verlustmultiplikator 1,5 oder mehr nähert.

Materialstudien, die kornorientierte und nicht kornorientierte Stähle über 0-90° vergleichen, bestätigen, was Konstrukteure bereits vermutet haben: GO behält seinen starken Vorteil innerhalb von etwa 20-30°, danach lässt seine Überlegenheit schnell nach. Wenn Sie also etwas konstruieren, bei dem das Flussmittel in weiten Bereichen routinemäßig 45-60° erreichen wird, sollten Sie sich fragen, ob eine hochwertige GO-Sorte überhaupt die richtige Kostenentscheidung ist oder ob Sie stattdessen die Geometrie ändern sollten.

Die Fertigungstoleranzen passen in dasselbe Denkmodell. Ein Spaltprozess, der bei einzelnen Bändern eine Unsicherheit von einigen Grad in der effektiven Walzrichtung hinterlässt, mag für Joche mit geringem Fluss akzeptabel sein, wird aber teuer, wenn diese Bänder in die Glieder wandern. Gute Kernhersteller trennen Coils und Lamellenpakete bereits nach gemessenem Verlust und Richtungsabhängigkeit; Konstrukteure sollten bei der Bemessung ihrer Verlustmargen von diesem Verhalten ausgehen und nicht von idealem Material.

6. Wie viel Effizienz steht wirklich auf dem Spiel?

Zahlen machen dies weniger abstrakt. Nehmen wir einen 1-MVA-Verteilungstransformator mit einem modernen Hi-B-Kern. Bei Verwendung moderner GO-Güteklassen von etwa 0,23-0,27 mm können Sie Leerlaufverluste von etwa 800-1000 W bei Nenninduktion anstreben, wie aus den typischen Güteklassen-Tabellen hervorgeht.

Nehmen wir nun an, dass Ihr Kerndesign und Ihre Fertigungsentscheidungen den durchschnittlichen Magnetisierungswinkel in einem Teil des Kerns von "fast perfekt" in den Bereich von 20-30° verschieben. Die Tabelle zeigt einen plausiblen Anstieg des spezifischen Verlusts in diesen Bereichen um 30-50% bei gleicher Flussdichte. Nehmen wir an, der Nettoeffekt ist ein konservativer Anstieg der Gesamtverluste im Leerlauf um 20%: zusätzliche 160-200 W.

Über eine Lebensdauer von 25 Jahren, bei der der Transformator die meiste Zeit eingeschaltet ist, verbrauchen diese zusätzlichen 200 W still und leise etwa 44 MWh. Selbst bei bescheidenen Energiepreisen sind das mehrere Tausend an Betriebskosten, die nichts bewirkt haben, außer dass sie die Anisotropie in die falsche Richtung gelenkt haben. Wenn man das auf eine Flotte von Tausenden von Geräten überträgt, sehen die Spalten in der Tabelle zur Verlustkapitalisierung schon anders aus.

Der entscheidende Punkt ist, dass es sich bei diesen Kosten nicht um "Materialkosten" handelt, sondern um Orientierungskosten. Sie haben bereits für den guten Stahl bezahlt.

7. Messung und Überwachung von Orientierungseffekten

Die Labors holen auf, was die Designer brauchen. Herkömmliche Epstein-Rahmenversuche bei 0° und 90° bilden nach wie vor das Rückgrat der Sortenzertifizierung, aber es wird jetzt viel mehr an der Charakterisierung unter mehreren Winkeln und der Modellierung der Anisotropie gearbeitet. Anstatt den Solver mit zwei Kurven zu füttern und zu interpolieren, können Sie Modelle auf der Grundlage von Messungen bei drei oder mehr Schnittwinkeln erstellen und die Eigenschaften für beliebige Winkel mit besserer Genauigkeit vorhersagen.

Zerstörungsfreie Methoden wie das magnetische Barkhausen-Rauschen werden auch eingesetzt, um kornorientierte Stähle zu klassifizieren und Rückschlüsse auf die Texturqualität und den Spannungszustand zu ziehen, ohne dass eine vollständige magnetische Prüfung erforderlich ist. Interessanterweise deckt sich ihre Winkelabhängigkeit mit der Vorstellung, dass die Eigenschaften bis zu einem bestimmten Winkelfenster relativ flach bleiben, bevor sie sich verschlechtern. So können Sie prüfen, ob das Coil, das gerade in Ihrem Werk eingetroffen ist, die scharfe Textur und den niedrigen Spannungszustand aufweist, den Sie angestrebt haben.

Bei laufenden Transformatoren können Sie den Kern natürlich nicht wieder in einen Epstein-Rahmen einbauen. Sie können jedoch den Oberwellengehalt des Magnetisierungsstroms, die Temperaturmuster an den Verbindungsstellen und die Geräuschsignaturen in den Ecken überwachen, um indirekt festzustellen, wo die Ausrichtung verschwendet wird.

8. Wohin sich die Forschung im Bereich der Kornorientierung entwickelt - und warum sie sich auf Transformatoren auswirkt

Ein Großteil der jüngsten Arbeiten zu kornorientierten Stählen wird von Motoren und nicht von Transformatoren angetrieben. Die Ingenieure experimentieren mit segmentierten Statoren, bei denen jedes Segment seinen Fluss innerhalb des günstigen ±20-30°-Fensters hält und im Vergleich zu nicht kornorientierten Kernen ein paar Prozent mehr Drehmoment oder Effizienz bringt.(PMC) Das ist nur ein weiterer Ausdruck der gleichen Anisotropie, mit der Sie bei Transformatorverbindungen zu kämpfen haben.

Ultradünnes GO, Legierungen mit höherem Siliziumgehalt und fortschrittliche Beschichtungen senken die Kernverluste bei idealer Ausrichtung weiter. Doch während die intrinsischen Materialverluste schrumpfen, wird der Anteil der Verluste aufgrund von Ausrichtungsfehlern, Schnittschäden und Montagestress immer größer. Die relative Bedeutung der Design- und Fertigungsdisziplin nimmt zu, auch wenn die absolute Wattzahl sinkt.

Der praktische Nutzen ist also einfach, auch wenn die Ausführung chaotisch ist. Kornorientierung ist kein Slogan, sondern ein knappes Gut. Man wählt sie aus, wenn man sich für CRGO entscheidet, und dann schützt man sie entweder durch gute Geometrie, engen Zuschnitt, sorgfältige Spannungskontrolle und realistische Modellierung, oder man verschenkt Teile davon in Ecken und Fugen. Dem Transformator ist es egal, ob die zusätzlichen Watt von einer billigeren Sorte oder einem schlampigen Winkel stammen; er kennt nur den Magnetisierungspfad, den er tatsächlich sieht.