Überprüfung der magnetischen Eigenschaften von Laminatstapeln

Ein Werkstoffzeugnis gibt Auskunft darüber, wie sich ein Elektroblech unter kontrollierten Prüfbedingungen verhalten hat. Es gibt jedoch keinen Aufschluss darüber, wie sich dieser Werkstoff nach dem Stanzen, Stapeln, Verriegeln, Verkleben, Schweißen oder Einspannen verhält.

Dieser Unterschied ist von Bedeutung.

Ein einwandfreies Blech kann zu einem mangelhaften Laminatstapel werden. Schnittspannungen können die Permeabilität verringern. Grate können benachbarte Schichten miteinander verbinden. Durch das Schweißen können Wärme, Eigenspannungen und unbeabsichtigte Strompfade entstehen. Der Stapel sieht dennoch korrekt aus. Auch maßlich könnte er den Anforderungen entsprechen.

Magnetisch gesehen vielleicht nicht.

Kurze Antwort

• Durchlässigkeitsprüfung zeigt, wie leicht ein Laminierstapel leitet den Magnetfluss.
• Prüfung des Kernverlusts misst, wie viel Energie der Stapel in Wärme umwandelt.
• B-H-Schleifenprüfung gibt Aufschluss über Koerzitivfeldstärke, Remanenz, Sättigungsverhalten und den Verlust pro Magnetzyklus.
• Die aussagekräftigste Überprüfung vergleicht drei Zustände: das eingehende Blech, einen bearbeiteten Kontrollstapel und den fertigen Magnetkern.

Keine einzelne Messung erklärt alles. Die drei Ergebnisse müssen im Zusammenhang betrachtet werden.

Warum Daten zu einzelnen Platten das Verhalten des fertigen Laminatstapels nicht vollständig vorhersagen können

Elektroblech wird in Form dünner, isolierter Bleche hergestellt, um die Entstehung von Wirbelströmen zu begrenzen. Sobald diese Bleche in die Produktion gelangen, kann sich ihr magnetisches Verhalten ändern.

Zu den häufigsten Ursachen zählen:

• Restspannungen durch Stanzen oder Scheren
• Wärmeeinflusszonen durch Schneiden oder Schweißen
• Grate, die benachbarte Lamellen elektrisch überbrücken
• Beschädigte Oberflächenisolierung
• Plastische Verformung im Bereich der Verriegelungspunkte
• Übermäßige Spann- oder Einpressspannung
• Unebene Haftschichten
• Falsche Ausrichtung der Laufrichtung
• Schlecht sitzende Verbindungen
• Geringerer Stapelfaktor als erwartet
• Lokale Luftspalten oder Wellenbildung im Schornstein

Die Auswirkungen zeigen sich nicht immer auf dieselbe Weise.

Ein durch Grate verursachter Kurzschluss kann zu einem deutlichen Anstieg des Wechselstrom-Kernverlusts führen, während sich die Niederfrequenz-Magnetisierungskurve nur geringfügig verändert. Mechanische Beanspruchung kann die Permeabilität verringern und den Erregerstrom erhöhen, wobei die Sättigungsflussdichte nahezu unverändert bleibt. Ein Problem an der Verbindungsstelle kann dazu führen, dass der gesamte Kern schlechter aussieht als ein Ringprobekörper aus derselben Charge.

Aus diesem Grund sollte bei der magnetischen Prüfung von Laminatstapeln eine Trennung erfolgen Materialqualität, Fertigungseffekteund Auswirkungen der Endmontage.

Vergleich von Permeabilitäts-, Kernverlust- und B-H-Kurven-Prüfungen

Die Messungen überschneiden sich. Sie ersetzen sich nicht gegenseitig.

Der Kernverlust gibt Auskunft darüber, wie viel Energie verloren geht. Die Permeabilität zeigt, wie stark der Stapel angesteuert werden muss. Die B-H-Kurve verbindet diese Beobachtungen und gibt oft Hinweise darauf, wo als Nächstes nachgeforscht werden sollte.

So funktioniert die Durchlässigkeitsprüfung

Für ein einfaches lineares Material:

mu = B / H

wobei:

• mu ist die absolute Permeabilität,
• B ist die magnetische Flussdichte in Tesla,
• H ist die Magnetfeldstärke in Ampere pro Meter.

Elektroband verhält sich nicht linear. Seine Permeabilität ändert sich in Abhängigkeit von der Flussdichte, der Frequenz, der Materialrichtung, der Spannung, der Temperatur und der magnetischen Vorgeschichte. Die Angabe eines einzigen Permeabilitätswerts ohne Berücksichtigung dieser Bedingungen reicht nicht aus.

Welche Permeabilität sollte angegeben werden?

Relative Durchlässigkeit

mu_r = mu / mu_0

Hierbei wird das Material mit dem freien Raum verglichen.

Amplitudenpermeabilität

mu_a = B_peak / H_peak

Dies ist häufig für den Wechselstrombetrieb von Nutzen. Das Ergebnis muss die Testfrequenz und die Spitzenflussdichte enthalten.

Differenzielle Permeabilität

mu_d = dB / dH

Dies stellt die lokale Steigung der Magnetisierungskurve dar. Sie ändert sich über die gesamte Kurve hinweg und nimmt ab, je näher sich das Material der Sättigung nähert.

Inkrementelle Permeabilität

Die inkrementelle Permeabilität wird aus einer kleinen magnetischen Auslenkung um einen Gleichstrom-Betriebspunkt ermittelt. Sie ist relevant, wenn ein Magnetkern neben der Gleichstromvorspannung auch Wechselstrom-Welligkeit führt.

Intrinsische versus effektive Permeabilität

Anhand einer Blechprobe lässt sich das Material selbst untersuchen. Ein fertiger Laminatstapel umfasst Verbindungsstellen, Luftspalten, Befestigungselemente, Klemmspannung und Geometrie.

Der aus einem fertigen Kern gewonnene Wert ist daher oft ein effektive Permeabilität des gesamten Magnetkreises. Sie sollte nicht als die intrinsische Permeabilität des Elektrostahls dargestellt werden.

Diese Formulierung verhindert irreführende Vergleiche.

So funktioniert die Kernverlustprüfung

Wenn sich der magnetische Zustand eines Lamellenpakets wiederholt umkehrt, wird ein Teil der zugeführten Energie in Wärme umgewandelt. Der Energieverlust pro Volumeneinheit während eines vollständigen Zyklus wird durch die Fläche innerhalb der B-H-Kurve dargestellt.

Der volumetrische Leistungsverlust lässt sich wie folgt ausdrücken:

P_v = f * Integral(H dB)

wobei:

• P_v ist der volumetrische Kernverlust in W/m^3,
• f ist die Frequenz in Hertz,
• integral(H dB) ist die Fläche der B-H-Schleife in J/m³ pro Zyklus.

Der spezifische Kernverlust wird normalerweise in W/kg angegeben:

P_s = P_v / ρ

wobei rho die Materialdichte ist.

Der Kernverlust wird im Allgemeinen als eine Kombination aus folgenden Faktoren betrachtet:

P_core = P_h + P_e + P_ex

wobei:

• P_h ist der Hystereseverlust,
• P_e ist der klassische Wirbelstromverlust,
• P_ex ist der dynamische Mehrverlust.

Diese Komponenten sind für die Analyse nützlich, sollten jedoch nicht als drei direkt gemessene Werte betrachtet werden. Um sie voneinander zu trennen, sind Messungen über geeignete Frequenzbereiche und Flussdichtepegel hinweg erforderlich, gefolgt von einem festgelegten Verlustmodell.

Bei der Qualitätskontrolle in der Produktion ist der Gesamtverlust am vorgesehenen Betriebspunkt oft der zuverlässigere Akzeptanzwert.

Warum die Steuerung der Flussdichte-Wellenform wichtig ist

Die Flussdichte wird aus der induzierten Spannung in der Messwicklung berechnet:

B(t) = [1 / (N_2 A_e)] integral(v_2(t) dt)

wobei:

• N_2 ist die Anzahl der Messwindungen,
• A_e ist die effektive magnetische Querschnittsfläche,
• v_2(t) ist die induzierte Spannung als Funktion der Zeit.

Eine sinusförmige Induktionsspannung erzeugt eine annähernd sinusförmige Flussdichtekurve. Der Erregerstrom muss nicht sinusförmig bleiben. Im Bereich der Sättigung wird er oft stark verzerrt.

Diese Unterscheidung wird leicht übersehen.

Zwei Labore können denselben Laminatstapel bei gleicher Frequenz und gleicher Nennflussdichte prüfen und dennoch unterschiedliche Verluste angeben, wenn das eine Labor die Stromwellenform und das andere die induzierte Spannungswellenform regelt.

In jedem Bericht sollte angegeben werden, was geprüft wurde.

Was die B-H-Schleife offenbart

Eine B-H-Kurve sollte als Messdaten betrachtet werden und nicht nur als grafische Darstellung.

Kraftfeld

Das Koerzitivfeld H_c ist das Gegenfeld, das erforderlich ist, um B wieder auf Null zu bringen.

Eine Zunahme des Magnetfelds kann darauf hindeuten, dass die Bewegung der magnetischen Domänen erschwert wurde. Mögliche Ursachen hierfür sind Scherbeanspruchung, plastische Verformung, Eigenspannungen und wärmebeeinflusste Bereiche.

Remanente Flussdichte

Die Remanenzflussdichte B_r ist die Flussdichte, die verbleibt, wenn das angelegte Feld wieder auf Null zurückkehrt.

Das hängt vom Material, der maximalen Erregung, der magnetischen Vorgeschichte und davon ab, ob die Probe einen stabilen zyklischen Zustand erreicht hat.

Loop-Bereich

Die umschlossene Fläche steht für den Energieverlust pro Volumeneinheit pro Zyklus. Bei gleicher Spitzenflussdichte und Frequenz bedeutet eine größere Schleifenfläche einen höheren magnetischen Energieverlust.

Schleifenneigung

Die Steigung hängt mit der Durchlässigkeit zusammen. Eine verringerte Steigung kann auf Spannungsschäden, mangelhafte Fugen, unbeabsichtigte Luftspalten oder eine falsche Materialausrichtung hindeuten.

Sättigungsbereich

Im Bereich der Sättigung führt ein starker Anstieg von H nur zu einem geringen Anstieg von B. Der Erregungsstrom steigt dann schnell an.

Wenn Tests nur bei niedriger Flussdichte durchgeführt werden, kann dieses Verhalten übersehen werden. Wenn Tests nur im Bereich der Sättigung durchgeführt werden, können Schäden durch die Permeabilität bei niedrigen Feldstärken übersehen werden. Es ist besser, mehrere Betriebspunkte zu testen.

Schleifen-Asymmetrie

Eine verschobene oder asymmetrische Schleife kann folgende Ursachen haben:

• Gleichstrom-Offset
• Restmagnetisierung
• Sensor-Nullpunktfehler
• Ungleiche positive und negative Anregung
• Kanal-Timing-Fehler
• Asymmetrie der Halterung

Vertauschen Sie die Anschlüsse der Probe bzw. der Messgeräte und wiederholen Sie den Test. Wenn sich die Asymmetrie mit dem Messsystem mitbewegt, liegt das Problem möglicherweise nicht beim Material.

Auswahl des richtigen Prüfkörpers für die Laminatstapelprüfung

1. Muster für das Wareneingangsblatt

Verwenden Sie Streifen- oder Einzelblattproben, um den elektrischen Grundstahl zu prüfen.

Dieses Niveau eignet sich für:

• Prüfung des eingehenden Materials
• Vergleich zwischen den Spulen
• Überprüfung der Laufrichtung
• Ausgangswerte zu Verlust und Durchlässigkeit
• Überprüfung der Wirkung des Spannungsarmglühens

Der endgültige Produktionsprozess wird dabei nicht nachgebildet.

2. Verarbeiteter Zeugenstapel

Eine aufbereitete Zeugenprobe sollte dasselbe verwenden:

• Elektrostahl-Charge
• Blechdicke
• Schnittverfahren
• Werkzeugabstand
• Richtung Grat
• Verflechtungs- oder Verbindungsverfahren
• Schweißparameter
• Spannzustand
• Nachbehandlung

Ringförmige Prüfkörperstapel sind nützlich, da sie einen weitgehend geschlossenen Magnetkreis bilden. Sie tragen dazu bei, Fertigungsschäden zu isolieren, ohne dass die komplizierten Verbindungsstellen eines kompletten Bauteils erforderlich sind.

3. Fertiger Magnetkern

Den kompletten Statorstapel prüfen, Rotorstapel, Transformatorkern oder montierte magnetische Komponente, wenn die endgültige Geometrie die Leistung beeinflusst.

Bei der Prüfung des fertigen Kerns werden folgende Aspekte erfasst:

• Fugenabstände
• Schweißstellen
• Einpressspannung
• Klemmkraft
• Stapelausrichtung
• Lokale Verformung
• Verhalten des gesamten Magnetwegs

Eine praktische Verifizierungskette sieht wie folgt aus:

Eingehendes Blech -> Bearbeiteter Stapel -> Fertiger Kern

Der Zeitpunkt, zu dem sich die Leistung ändert, hilft dabei, den dafür verantwortlichen Prozess zu lokalisieren.

Verfahren zur Prüfung von Laminatstapeln in der Praxis

1. Identifizieren Sie das Präparat. Notieren Sie die Materialgüte, die Coil-Charge, die Nenndicke, die Walzrichtung, das Schneideverfahren, die Stapelhöhe, die Lagenanzahl, die Verbindungsart, die Masse und die Prüftemperatur.
2. Bestimmen Sie die effektive Querschnittsfläche. Verlassen Sie sich nicht ausschließlich auf die Nennblechdicke multipliziert mit der Anzahl der Schichten. Beschichtungsdicke, Spalte, Welligkeit und Stapelfaktor beeinflussen das Ergebnis.
3. Bestimmen Sie die magnetische Weglänge. Bei einem gleichförmigen Ring ist diese Berechnung relativ einfach. Bei Kernen mit Verbindungsstellen oder komplexer Geometrie ergibt sich daraus ein effektiver Wert.
4. Entmagnetisieren Sie die Probe bei Bedarf. Wiederhole diesen Vorgang so lange, bis aufeinanderfolgende B-H-Schleifen wiederholbar werden.
5. Stellen Sie den Arbeitspunkt ein. Notieren Sie die Frequenz, die Spitzenflussdichte, die Wellenform, die Temperatur und gegebenenfalls die Gleichstromvorspannung.
6. Messen Sie die induzierte Spannung und den Erregerstrom. Überprüfen Sie die Windungszahl, die Kanalpolarität und die zeitliche Abstimmung.
7. Berechnen Sie die B-H-Kurve, die Permeabilität und den Kernverlust. Geben Sie alle verwendeten Formeln und Korrekturen an.
8. Wiederholen Sie den Test. Bei Messungen, bei denen die Befestigung eine Rolle spielt, entfernen Sie die Probe und setzen Sie sie erneut ein, bevor Sie den Vorgang wiederholen.
9. Vergleichen Sie gleichwertige Bedingungen. Frequenz, Wellenform, Flussdichte, Temperatur, Richtung und Probenbeschreibung müssen übereinstimmen.

Nutzung von Testergebnissen zur Diagnose von Fertigungsproblemen

Diese Tabelle dient als diagnostischer Ausgangspunkt, nicht als Nachweis für die eigentliche Ursache. Überprüfen Sie den vermuteten Mechanismus durch einen kontrollierten Vergleich.

Messfehler, die wie Stapelfehler aussehen können

Ein kleiner Phasenfehler zwischen den Strom- und Spannungskanälen kann zu einem großen Fehler bei der Verlustmessung führen, insbesondere wenn der tatsächliche magnetische Verlust im Verhältnis zur Scheinleistung gering ist.

Weitere häufige Fehler sind:

• Falsche Anzahl der Primär- oder Sekundärwindungen
• Integrator-Drift
• Falsche Kanalpolarität
• Falsche mittlere magnetische Weglänge
• Verwendung der nominalen statt der effektiven magnetischen Fläche
• Beitrag des Luftstroms um den Prüfkörper herum
• Wicklungswiderstand nicht berücksichtigt
• Laden von Instrumenten
• Unzureichende Abtastrate
• Elektrische Störungen in der Nähe von Nulldurchgängen
• Temperaturanstieg bei wiederholten Tests
• Uneinheitlicher Anpressdruck
• Prüfung, bevor ein stabiler zyklischer Zustand erreicht ist

Eine gleichmäßig aussehende B-H-Kurve ist kein Beweis dafür, dass die Messung genau ist. Kalibrierung, Kanalausgleich, Referenzproben und Wiederholbarkeitsprüfungen sind nach wie vor von Bedeutung.

Erstellung einer Abnahmespezifikation für einen Laminatstapel

Eine sinnvolle Spezifikation sollte mehr als nur einen maximalen W/kg-Wert festlegen.

Einschließen:

• Probenart und Aufbereitungsbedingungen
• Materialausrichtung
• Testhäufigkeit
• Spitzenflussdichte oder -polarisation
• Gesteuerte Wellenform
• Prüftemperatur
• Maximaler spezifischer Kernverlust
• Maximaler Erregungsstrom oder Scheinleistung
• Mindestdurchlässigkeit bei definierten Betriebspunkten
• Maximales Koerzitivfeld, falls zutreffend
• Methode der effektiven Fläche und der Weglänge
• Probenmenge
• Regeln für Wiederholungsprüfungen
• Messunsicherheit
• Zulässige Abweichung von der Basislinie des Eingangsblatts

Qualitätsverluste in der Fertigung lassen sich anhand folgender Faktoren nachverfolgen:

Verlustzunahme (%) = [(P_verarbeitet – P_Blatt) / P_Blatt] * 100

Dieser Prozentsatz sollte in Verbindung mit einer absoluten Verlustgrenze verwendet werden. Eine geringfügige prozentuale Erhöhung ist nicht akzeptabel, wenn das Ausgangsmaterial bereits nahe an der Auslegungsgrenze liegt.

Angaben, die bei der Anforderung eines kundenspezifischen Laminatstapels zu machen sind

Für eine aussagekräftige technische Prüfung oder ein Angebot legen Sie bitte Folgendes vor:

• Laminierungs- und Stapelzeichnungen
• Elektrostahlsorte
• Nennblechdicke
• Anforderungen an die Laufrichtung
• Stapelhöhe und Toleranz
• Schnittverfahren
• Verfahren zum Verbinden
• Vorgabe zur Fräserausrichtung
• Voraussichtliche Betriebsfrequenz
• Angestrebte Spitzenflussdichte
• Temperaturbereich
• Vorgeschriebene Grenzwerte für Kernverlust oder Permeabilität
• Anforderungen an Inspektionsberichte
• Erwartetes Jahresvolumen

Anhand dieser Angaben lassen sich die fertigungstechnischen und magnetischen Anforderungen gemeinsam prüfen. Ein kostengünstiges Stapelverfahren bleibt möglicherweise nicht kostengünstig, wenn es im Endprodukt zu höheren Verlusten, Wärmeentwicklung, Geräuschentwicklung oder einem höheren Erregerstrom führt.

FAQ

Von der Blechqualifizierung bis zur Sicherheit beim fertigen Kern

Die magnetische Prüfung des Laminatstapels sollte mehr als nur nachweisen, ob der Elektrostahl bei seiner Ankunft den Anforderungen entsprach.

Es sollte zeigen, was nach dem Zuschneiden passiert ist. Nach dem Stapeln. Nach dem Zusammenfügen und der Endmontage.

Bei der Permeabilitätsprüfung wird gemessen, wie leicht der Stapel den Magnetfluss leitet. Bei der Kernverlustprüfung wird die in Wärme umgewandelte Energie gemessen. Die B–H-Kurve zeigt, wie sich der magnetische Zustand über den gesamten Zyklus hinweg verändert.

Zusammengenommen lassen sich anhand dieser Messungen Materialprobleme von Fertigungsproblemen unterscheiden – und Fertigungsprobleme wiederum von Montageproblemen.

Wenn Sie einen kundenspezifischen Laminatstapel entwickeln, sollten Sie vor der Beantragung einer technischen Prüfung die Materialgüte, die Blechdicke, die Stapelzeichnung, die Betriebsfrequenz, die angestrebte Flussdichte, das Fügeverfahren und den erforderlichen Prüfumfang festlegen. Anhand dieser Informationen lassen sich die Herstellbarkeit und die magnetischen Eigenschaften als ein einziges technisches Problem bewerten.