Glosarium: Istilah-istilah penting dalam desain inti motor dan laminasi transformator

Anda sudah memahami fisika di baliknya. Kamus ini hanya mendefinisikan istilah-istilah yang sebenarnya memengaruhi angka kerugian, keluhan kebisingan, penawaran dari pemasok baja, dan perdebatan dalam tinjauan desain, baik pada inti motor maupun... laminasi transformator.

Mengapa kosakata laminasi penting

Sebagian besar masalah magnetik lunak pada mesin modern tidak berasal dari persamaan Maxwell. Masalah tersebut berasal dari cara lempengan magnetik dipotong, diisolasi, ditumpuk, diklem, dan dijelaskan pada gambar teknis serta lembar data baja. Langkah-langkah manufaktur seperti pemotongan, penumpukan, dan perakitan dapat dengan mudah mengubah kerugian histeresis dan arus eddy dari nilai "katalog" dengan menambahkan deformasi plastik dan tegangan sisa pada tepi lempengan magnetik. Pada transformator dan motor, hal ini langsung berdampak pada peningkatan daya kerugian inti, titik panas, dan kadang-kadang kegagalan jaminan efisiensi.

Istilah-istilah di bawah ini ditulis untuk seseorang yang sudah dapat membaca kurva B–H, tetapi ingin memiliki bahasa yang sama dengan tim pembelian, bengkel inti, dan spesialis FEA.

1. Istilah bahan dan laminasi

Baja listrik

Baja listrik adalah bahan default untuk inti laminasi: baja karbon rendah yang diperkuat silikon, yang dioptimalkan untuk kerugian rendah dan permeabilitas yang memadai pada frekuensi daya dan di atasnya. Kerugiannya sering kali diuraikan menjadi komponen quasi-statis (didominasi oleh histeresis), parasit (seperti arus eddy), dan komponen anomali atau berlebih dalam model modern. Anda jarang melihat ketiga kata tersebut dalam sebuah kutipan, tetapi itulah yang ada di balik "W/kg @ 1,5 T, 50 Hz".

Baja listrik berorientasi butiran (GO, CRGO) Dibuat sedemikian rupa sehingga sumbu magnetisasi yang mudah sejajar dengan arah penggulungan. Desain ini dirancang untuk aliran fluks yang sebagian besar mengalir sepanjang arah tersebut, yang persis terjadi pada lengan dan yoke transformator klasik. Gunakan ini ketika jalur fluks Anda rapi dan sebagian besar satu dimensi, bukan pada stator yang sangat bergerigi di mana arah berubah di sekitar celah udara.

Baja listrik non-orientasi (NO, CRNO/CRNGO) Memiliki sifat magnetik yang hampir isotropik di bidang lembaran. Motor dan mesin putar sangat bergantung pada hal ini karena fluks magnetik mengalir melalui gigi, besi belakang, dan jembatan dalam berbagai arah. Grade NO umumnya memiliki kerugian yang lebih tinggi daripada grade GO pada frekuensi 50/60 Hz dalam arah "favorit" mereka, tetapi mereka tidak menimbulkan kerugian tambahan saat fluks magnetik berayun di luar sumbu.

Ketika seseorang hanya menyebut "M235-35A" atau sejenisnya, Anda sedang melihat ketebalan (sekitar 0,35 mm) dan kelas kerugian; lembar data pabrik baja listrik akan memberi tahu Anda seberapa optimis angka-angka tersebut dalam kondisi uji Epstein dibandingkan dengan kenyataan yang Anda alami saat memotong dan mengencangkan.

Laminasi, ketebalan, dan faktor tumpukan

A laminasi adalah lembaran tipis baja listrik yang dilapisi dengan lapisan isolasi ("coreplate") dan ditumpuk untuk membentuk sirkuit magnetik. Proses laminasi membatasi jalur arus eddy dan memungkinkan Anda menukar ketebalan dengan kerugian: laminasi yang lebih tipis → lingkaran arus eddy yang lebih kecil → kerugian arus eddy yang lebih rendah pada frekuensi tertentu, tetapi biaya lebih tinggi dan efisiensi pengemasan yang lebih rendah.

Ketebalan laminasi / ukuran Biasanya berkisar antara 0,18–0,50 mm untuk aplikasi daya. Ketebalan tipis (0,18–0,23 mm) digunakan untuk desain frekuensi tinggi dengan kerugian rendah atau paduan amorf; ketebalan yang lebih tebal (~0,35–0,50 mm) lebih murah dan dapat diterima pada frekuensi rendah di mana histeresis mendominasi. Ketebalan yang tepat tidak hanya berkaitan dengan kerugian; hal ini juga membatasi proses pengepresan dan penanganan.

Pelat inti / isolasi antarlapis adalah lapisan tipis yang diaplikasikan pada setiap lapisan laminasi untuk menjaga isolasi listrik di antara mereka. Lapisan ini memiliki beberapa fungsi sekaligus: membatasi arus antarlamina, tahan terhadap proses pengeboran, tahan terhadap proses annealing (jika ada), tahan terhadap kelembaban dan korosi, serta tidak mengurangi faktor tumpukan secara berlebihan. Isolasi antarlamina yang rusak dapat menyebabkan putaran pendek lokal melalui tumpukan, peningkatan kerugian lokal, dan dapat dideteksi melalui uji injeksi fluks dan uji lonjakan pada inti yang ditumpuk.

Faktor penumpukan (juga disebut faktor laminasi atau faktor ruang) adalah rasio antara panjang besi efektif dengan panjang tumpukan yang diukur. Dengan kata lain, seberapa besar tinggi tumpukan Anda yang terdiri dari baja dibandingkan dengan lapisan dan rongga udara. Nilai tipikal untuk inti baja silikon berkisar antara 0,95–0,97; inti strip amorf mungkin mendekati ~0,8 karena permukaan yang kasar dan lapisan.

Desainer menggunakan faktor tumpukan dalam dua cara. Pertama, mereka memperbaiki luas penampang magnetik bersih yang digunakan dalam analisis elemen hingga (FEA) dan perhitungan manual (B = Φ / A_eff, dan A_eff mencakup faktor tumpukan). Kedua, mereka mengembalikan informasi ini kepada pemasok dalam pembahasan toleransi: jika Anda menentukan faktor tumpukan yang agresif tetapi mengizinkan tonjolan, kelengkungan, dan lapisan tebal, ada yang tidak akan sesuai.

Penuaan magnetik Pergeseran jangka panjang pada kehilangan inti dan permeabilitas akibat relaksasi tegangan, oksidasi, atau pemanasan ulang yang tidak tepat. Hal ini sering muncul sebagai peningkatan bertahap dalam W/kg selama bertahun-tahun operasi atau setelah siklus termal berulang. Anda jarang menemukannya disebutkan secara eksplisit dalam spesifikasi mesin, tetapi setiap lembar data baja yang menyebutkan "kehilangan yang dijamin setelah penuaan" secara diam-diam mengacu padanya.

Ringkasan: Tuas laminasi kunci pada berbagai mesin

Tabel di bawah ini merangkum beberapa istilah umum yang terkait dengan laminasi ke dalam cara sebenarnya istilah-istilah tersebut digunakan dalam percakapan. Rentang angka yang tercantum bersifat indikatif; nilai-nilai tepatnya ditentukan oleh pemasok dan standar yang berlaku.

2. Istilah geometri: motor dan transformator

Stator, rotor, gigi, slot, dan besi belakang

Pada motor, inti stator adalah cincin lamina yang dilengkapi dengan gigi dan slot. The inti rotor adalah struktur laminasi lain yang dapat menampung magnet permanen, batang kandang tupai, atau saliency. Istilah-istilah laminasi sebagian besar berkaitan dengan stator, di mana geometri gigi, lebar slot, jembatan, dan ketebalan besi belakang diukir pada lembaran.

Gigi adalah tonjolan yang membawa lilitan di sekitar sisinya. Lebar, kemiringan, dan geometri ujungnya menentukan kepadatan fluks di gigi dan margin saturasi saat overload. Slot adalah ruang kosong yang menampung konduktor; bentuknya menentukan kebocoran slot, harmonik slot, dan batasan mekanis untuk pemasangan lilitan. Geometri slot juga mengontrol konsentrasi tegangan lokal akibat pengepresan; hal ini penting untuk pemodelan kerugian di dekat tepi.

The besi belakang (atau yoke stator) adalah daerah cincin di luar gigi yang menutup sirkuit magnetik. Ketebalannya ditentukan berdasarkan persyaratan fluks dan faktor tumpukan, menggunakan hubungan desain standar; dalam banyak buku teks dan laporan desain, Anda akan menemukan persamaan aljabar di mana faktor tumpukan lamina secara eksplisit mengatur lebar besi belakang.

Limb, yoke, dan jendela inti pada transformator

Pada transformator tipe inti, anggota tubuh (atau kaki) adalah kolom vertikal dari lamina yang menahan lilitan primer dan sekunder. The yokes adalah bagian horizontal yang menghubungkan anggota tubuh dan menyediakan jalur kembali. Bersama-sama, mereka membentuk sirkuit magnetik tertutup.

The jendela inti Adalah ruang terbuka yang dibatasi oleh rangka dan penopang. Ruang ini menampung kumparan, isolasi, saluran pendingin, dan struktur penahan. Tinggi, lebar, dan jarak bebasnya mempengaruhi faktor ruang jendela dan menentukan seberapa ambisius Anda dapat menjadi dalam hal penampang tembaga dan tingkat isolasi.

Istilah yang menarik yang digunakan secara umum di antara mesin-mesin adalah celah udaraPada motor, celah udara adalah fitur yang dirancang antara stator dan rotor; pada inti transformator, "celah udara" lebih sering merupakan ketidaksempurnaan: celah sambungan, ketidaksejajaran, atau celah kecil yang disengaja dalam desain khusus seperti induktor bercelah. Dalam kedua kasus, istilah-istilah laminasi muncul saat membahas seberapa akurat tumpukan tersebut diolah atau digiling.

3. Kehilangan bahasa di sekitar laminasi

Kerugian inti total dan kerugian spesifik

Kehilangan inti atau kerugian besi adalah daya yang diserap di dalam bahan magnetik ketika terkena fluks yang berubah-ubah seiring waktu. Biasanya dilaporkan sebagai kerugian spesifik dalam W/kg pada induksi B tertentu (misalnya, 1,0–1,7 T) dan frekuensi (50/60 Hz atau lebih tinggi). Untuk baja listrik, model modern membagi ini menjadi komponen histeresis, arus eddy klasik, dan komponen berlebih, bahkan jika katalog hanya mencantumkan satu angka W/kg.

Pada lembar data baja, Anda mungkin melihat beberapa titik pengujian (misalnya pada 1,5 T, 50 Hz dan 1,7 T, 50 Hz). Titik-titik tersebut menyembunyikan asumsi proses: strip Epstein yang bersih, tanpa kerusakan akibat pengepresan, dan penumpukan yang ideal. Setelah lempengan baja dipres, dibengkokkan, dan diklem, kerugian yang diukur pada inti yang dirakit biasanya meningkat akibat tegangan mekanis dan tepi yang rusak.

Histeresis, arus eddy, dan kerugian berlebih

Kehilangan histeresis Berkaitan dengan area lingkaran histeresis B–H. Pada setiap siklus, energi hilang akibat pergerakan dinding domain dan magnetisasi yang tidak dapat dibalikkan. Perubahan desain tingkat pertama seperti jenis bahan, densitas fluks, dan kondisi annealing sangat mempengaruhi hal ini. Pada transformator, beroperasi lebih dekat ke saturasi atau menggunakan jenis baja dengan koersivitas yang lebih tinggi akan terlihat di sini.

Kerugian arus eddy Muncul akibat arus sirkulasi yang diinduksi di dalam setiap lapisan; arus ini sangat bergantung pada ketebalan lapisan dan frekuensi operasi. Lapisan yang lebih tipis dan isolasi antar-lapisan yang lebih baik dapat menekan arus-arus ini. Penumpukan yang tidak tepat (celah, tonjolan, permukaan yang terhubung pendek) dapat menghilangkan manfaat tersebut.

Kerugian berlebih (kadang-kadang disebut "kerugian anomali") menjelaskan kerugian tambahan yang bergantung pada frekuensi di luar model arus eddy sederhana, yang terkait dengan detail mikrostruktur dan pembengkokan dinding domain. Bahan dan model modern memasukkan istilah ini, terutama pada frekuensi yang lebih tinggi dan bentuk gelombang yang kompleks.

Tim desain mungkin tidak selalu secara eksplisit menyebut "kerugian berlebih", tetapi ketika hasil FEA tidak sesuai dengan kerugian yang diukur pada kandungan harmonik yang lebih tinggi, inilah penyebab tersembunyi yang tidak terdeteksi.

Kepadatan fluks, titik lutut, saturasi, dan magnetostriksi

Kepadatan fluks B Nilai inti dihitung berdasarkan fluks bersih dan area efektif Anda; faktor penumpukan menyesuaikan area tersebut. Anda sudah mengetahui kurva B–H, tetapi dalam istilah laminasi, Anda sering mendengar istilah "titik lutut" atau "densitas fluks lutut" dari grade baja. Itu adalah titik pada kurva magnetisasi di mana permeabilitas tambahan mulai menurun dengan cepat. Beroperasi terlalu dekat dengan titik lutut ini akan meningkatkan kerugian histeresis dan merusak bentuk gelombang.

Saturasi adalah batas atas praktis di mana peningkatan gaya magnetisasi H hanya sedikit menambah B tetapi menyebabkan banyak kerugian dan pemanasan. Pada transformator EI dan motor kecil, para perancang sering menjaga operasi nominal tetap di bawah batas tersebut, tetapi transien dan harmonik mendorong daerah lokal ke tingkat yang lebih tinggi.

Magnetostriksi Adalah tegangan yang timbul pada material saat dimagnetisasi. Tegangan ini menghubungkan desain magnetik dengan getaran dan kebisingan yang terdengar. Sambungan tumpang tindih pada inti transformator, misalnya, tidak hanya digunakan untuk mengurangi kerugian tanpa beban tetapi juga untuk mengurangi konsentrasi tegangan magnetostriktif pada sambungan, sehingga mengurangi bunyi dengung.

4. Sambungan, potongan, dan penumpukan

Sambungan butt-lap, mitered, dan step-lap

Lapisan transformator dapat dirakit dalam beberapa gaya sambungan:

A sambungan ujung-ujung Memotong lempengan logam menjadi bentuk persegi dan menempelkannya satu sama lain. Proses ini mudah dilakukan, tetapi menghasilkan celah efektif yang relatif besar dan kepadatan fluks lokal yang lebih tinggi.

A sambungan berlekuk Memotong laminasi pada sudut (seringkali 45°) sehingga fluks melintasi sambungan secara lebih bertahap dan tetap lebih dekat dengan arah gulungan baja berorientasi butir. Hal ini meningkatkan efisiensi dan mengurangi saturasi lokal dibandingkan dengan sambungan ujung.

A sambungan tumpang tindih Melangkah lebih jauh. Lapisan-lapisan dilapis secara bertahap (seringkali 3–5 lapisan) di sambungan, sehingga aliran fluks mengalami transisi bertahap daripada batas yang tajam. Pengaturan ini secara signifikan mengurangi kerugian inti tanpa beban, meningkatkan distribusi fluks melalui sambungan, dan mengurangi getaran dan kebisingan yang disebabkan oleh magnetostriksi.

Glosarium yang tersembunyi di balik kata-kata ini membahas apa yang Anda negosiasikan dengan pemasok utama: sambungan yang lebih kompleks berarti lebih banyak proses pemotongan, lebih banyak pekerjaan penumpukan, dan persyaratan penyelarasan yang lebih ketat, tetapi hal ini memberikan pengurangan kerugian dan operasi yang lebih tenang.

Paket, benjolan, dan kualitas tumpukan

Ketika lamina ditumpuk, mereka sering dikelompokkan menjadi paket: Sub-tumpukan kecil yang diperlakukan sebagai unit dalam proses perakitan bertahap atau berputar yang lebih besar. Desain paket berusaha menjaga agar setiap tahap menjadi kelipatan yang praktis dari jumlah laminasi sehingga proses perakitan tetap dapat diulang.

Bulu-bulu Adalah tepi yang menonjol yang dihasilkan oleh proses pemotongan atau pemotongan dengan pisau. Bahkan goresan kecil pun memiliki dampak dua kali lipat. Secara mekanis, goresan ini memengaruhi seberapa rapat lapisan-lapisan berbaris bersama, sehingga memengaruhi faktor tumpukan. Secara magnetis, goresan ini membentuk jembatan konduktif yang tidak diinginkan antara lapisan-lapisan, yang meningkatkan arus antar-lapisan dan mengganggu medan lokal.

Pengkondisian Pada motor, skewing adalah sedikit pergeseran tumpukan lempengan stator atau rotor sepanjang arah aksial. Hal ini digunakan untuk mengurangi torsi cogging dan fluktuasi torsi dengan mengorbankan kompleksitas manufaktur, perubahan kebocoran slot, dan terkadang panjang tembaga yang lebih tinggi. Dalam istilah lempengan, skewing juga mempersulit pola pemotongan dan alat bantu penumpukan.

Tekanan tumpukan, pelat penjepit, dan baut pengikat semuanya berkontribusi pada faktor tumpukan efektif akhir dan kondisi tegangan baja. Jika terlalu longgar, akan terjadi getaran dan bunyi berderak, serta kerugian yang tidak konsisten. Jika terlalu kencang, akan menimbulkan tegangan tambahan, yang meningkatkan kerugian histeresis di sekitar sambungan dan tepi.

5. Faktor slot, jendela, dan ruang

Faktor pengisian slot dan faktor pengisian tembaga

Faktor pengisian slot adalah rasio antara luas penampang total konduktor (biasanya tembaga) dengan luas penampang fisik slot stator. Pada banyak mesin industri, nilai aktual dalam kisaran sekitar 0,4–0,6 umum ditemukan, tergantung pada bentuk konduktor, ketebalan isolasi, dan metode pembobokan.

Para desainer juga membahas tentang faktor pengisian tembaga, yang kadang-kadang merujuk secara spesifik pada rasio area logam telanjang terhadap area slot (mengabaikan isolasi), kadang-kadang pada total konduktor ditambah isolasi. Definisi yang tepat seringkali tidak jelas dalam praktiknya, jadi dalam tinjauan desain, penting untuk menjelaskan mana yang digunakan oleh FEA atau spreadsheet Anda.

Faktor pengisian slot menjembatani antara aspek elektromagnetik dan kelayakan manufaktur. Faktor target yang tinggi mungkin terlihat bagus dalam model kerugian termal dan tembaga, tetapi mungkin tidak realistis untuk toleransi pemasangan otomatis atau pembengkokan hairpin. Oleh karena itu, angka ini merupakan hasil negosiasi antara simulasi, rekayasa pembobokan, dan dimensi tumpukan inti.

Faktor ruang jendela

Pada transformator, faktor ruang jendela adalah rasio antara luas area yang ditempati oleh konduktor dengan luas total area jendela yang dapat ditempati oleh lilitan. Hal ini perlu memberikan ruang tidak hanya untuk tembaga, tetapi juga untuk isolasi, saluran pendingin, skema interleaving, dan jarak aman untuk memenuhi tingkat uji dielektrik.

Faktor ruang jendela berinteraksi dengan desain laminasi karena perubahan lebar lengan, tinggi yoke, atau geometri tumpukan bertahap akan memindahkan ruang jendela yang tersedia. Sebuah bengkel inti mungkin mengusulkan perubahan kecil pada dimensi lengan untuk memudahkan penumpukan, dan perubahan tersebut secara langsung mempengaruhi faktor ruang jendela dan tata letak lilitan Anda.

6. Istilah-istilah manufaktur dan kualitas terkait laminasi

Pukulan, pemotongan, dan efek tegangan

Pukulan dan stamping Masih merupakan metode dominan untuk memotong laminasi dalam produksi skala besar. Metode ini menyebabkan deformasi plastik di sekitar tepi potongan, yang secara lokal meningkatkan koersivitas dan kerugian. Kedalaman zona kerusakan ini, serta seberapa besar pengaruhnya, bergantung pada ketajaman alat potong, celah, dan pemeliharaan.

Pemotongan laser Metode pemotongan presisi lainnya mengurangi tegangan mekanis tetapi menimbulkan efek termal dan dapat memengaruhi kondisi lapisan. Untuk prototipe atau produksi skala kecil, laminasi yang dipotong dengan laser umum digunakan, dan kerugian inti yang diukur seringkali berbeda dari produksi yang dipotong dengan punch karena distribusi tegangan yang berbeda.

Karena tegangan mekanis memengaruhi permeabilitas dan kerugian inti, model kerugian besi canggih untuk mesin magnet permanen internal kini secara eksplisit memperhitungkan deformasi mekanis lempengan stator dan rotor di bawah beban dan penjepitan. Itu jauh berbeda dari uji strip Epstein yang rapi yang menghasilkan nilai katalog.

Pemanasan pelepasan tegangan Perlakuan panas diterapkan setelah pemotongan/penumpukan untuk memulihkan sebagian sifat magnetik asli dengan meredakan tegangan. Suhu dan waktu yang tepat berinteraksi dengan jenis lapisan dan perakitan inti; tidak semua desain inti dapat dipanaskan setelah perakitan karena batasan isolasi dan mekanis.

Kekurangan isolasi antarlamina dan pengujian inti

Sebuah Kegagalan isolasi antarlamina adalah titik lemah atau celah antara lapisan laminasi di mana lapisan isolasi telah rusak atau terkontaminasi. Kerusakan ini menciptakan jalur resistansi rendah bagi arus yang mengalir antara lembaran yang berdekatan, meningkatkan kerugian lokal dan risiko titik panas.

Metode pengujian seperti probe injeksi fluks dan uji lonjakan arus dapat mendeteksi kerusakan semacam itu pada inti transformator yang telah dirakit dengan cara mengaktifkan inti dan mengukur tanda respons yang menunjukkan kerusakan isolasi. Standar industri dan bengkel perbaikan sering menggunakan uji kerugian inti dalam satuan watt per kilogram atau watt per pon pada induksi yang ditentukan, bersama dengan metrik faktor daya, untuk menilai apakah inti tersebut dapat diterima setelah perbaikan atau pembungkusan ulang.

Untuk aplikasi magnet berdenyut frekuensi tinggi, skema isolasi antarlapisan tambahan telah diusulkan untuk menjaga kerugian tetap terkendali pada bentuk gelombang yang jauh lebih ekstrem, menunjukkan betapa sensitifnya tumpukan laminasi terhadap detail isolasi.

7. Membaca spesifikasi dengan mempertimbangkan glosarium ini

Saat Anda membuka lembar data baja listrik saat ini, kata-kata kunci tentang laminasi harus sejajar: grade, ketebalan, titik kerugian spesifik, dan faktor tumpukan yang dijamin. Anda tahu bahwa angka-angka tersebut didasarkan pada kondisi uji ideal dan bahwa pilihan Anda dalam pemotongan, tekanan tumpukan, dan pengolahan panas akan mengubah parameter yang ditetapkan.

Saat Anda melihat gambar inti, jenis sambungan (sambungan ujung, sambungan miring, sambungan bertingkat) dan tata letak paket memberi tahu Anda di mana penumpukan fluks dan titik panas magnetostriksi akan berada. Pada motor, geometri gigi dan besi belakang, panjang tumpukan, dan faktor pengisian slot menghubungkan desain laminasi Anda secara langsung dengan riak torsi, kerugian, dan kemudahan manufaktur.

Dan ketika hasil pengujian tiba — nilai W/kg lebih tinggi dari yang diharapkan, faktor daya tidak sesuai, kenaikan suhu sedikit di atas model — istilah-istilah yang digunakan di sini adalah cara Anda membahas secara detail apakah masalahnya terletak pada kualitas baja, ketebalan laminasi, faktor tumpukan yang Anda asumsikan, kualitas isolasi antara lembaran, atau faktor jendela dan slot yang Anda dorong terlalu keras.

Itulah inti dari glosarium ini: mengurangi argumen yang tidak jelas, meningkatkan pertanyaan yang lebih terarah, dan menciptakan bahasa yang sama antara desain elektromagnetik, manufaktur, dan pemasok saat inti motor dan lempengan transformator menjadi topik pembicaraan.