Guida allo spessore della laminazione CRGO: 0,23 mm vs 0,27 mm vs 0,30 mm

Se volete solo la scorciatoia pratica: 0,23 mm è per spremere le perdite e le etichette, 0,27 mm è il cavallo di battaglia di tutti i giorni, 0,30 mm è la scelta orientata ai costi e alla produzione. La risposta giusta per voi è solitamente nascosta nei numeri di capitalizzazione delle perdite, nella capacità della fabbrica e nella serietà del vostro cliente in termini di efficienza, non nei nomi di marketing dell'acciaio.

Perché questi tre spessori continuano a comparire nelle specifiche tecniche

I moderni acciai elettrici a grana orientata sono prodotti in una piccola serie di spessori nominali: 0,18, 0,23, 0,27, 0,30 e 0,35 mm nella maggior parte dei cataloghi. In pratica, i trasformatori di potenza e di distribuzione scelgono come opzioni standard 0,23, 0,27 e 0,30 mm, venduti con le note qualità M3, M4 e M5.

Sapete già perché esistono laminazioni più sottili. La perdita per correnti parassite scala approssimativamente con lo spessore al quadrato a una data densità di flusso, quindi la riduzione dello spessore da 0,30 mm a 0,23 mm non è un ritocco estetico. Allo stesso tempo, tutti coloro che hanno provato a tagliare, impilare e bloccare Hi-B da 0,23 mm su una linea stanca sanno che non si tratta di prestazioni gratuite.

Quindi la vera domanda non è "quale sia il migliore". È "quale compromesso è meno fastidioso per questo progetto".

Cosa cambia effettivamente quando si passa da 0,30 a 0,27 a 0,23 mm

Prendiamo un set di dati rappresentativo per il convenzionale VAIUn fornitore di lamiere a grani orientati elenca le perdite tipiche del nucleo a 1,7 T e 50 Hz intorno a 0,9 W/kg per M3 0,23 mm, 1,12 W/kg per M4 0,27 mm e 1,3 W/kg per M5 0,30 mm. Questi non sono numeri universali, ma rappresentano un'immagine corretta di come sono oggi le bobine "normali".

Da questa tabella si può già vedere il modello principale.

Passando da 0,30 mm a 0,27 mm la perdita diminuisce di circa il quattordici per cento a parità di densità di flusso. Passando a 0,23 mm si ottiene una perdita inferiore dell'ordine del trenta per cento rispetto a 0,30 mm. La tendenza è confermata da un lavoro accademico che confronta acciai orientati da 0,18, 0,23, 0,27 e 0,30 mm e rileva differenze notevoli nella perdita del nucleo e nella corrente di magnetizzazione anche all'interno di questo intervallo ristretto.

Studi ad elementi finiti e test su prototipi di trasformatori raccontano la stessa storia, con perdite del nucleo che cambiano significativamente al variare dello spessore della laminazione e del tipo di materiale tra i set da 0,23, 0,27, 0,30 e 0,35 mm. Quindi i numeri sono reali, non si tratta di ottimismo da brochure.

Naturalmente, nel momento in cui si passa a uno spessore inferiore, si pagano altre spese. Più laminazioni per la stessa sezione netta, più strati isolanti, più tempo di taglio, più possibilità che bave e variazioni di spessore creino lacune locali e perdite aggiuntive. I rapporti sul campo e le note di processo dei produttori continuano a lamentarsi di come le piccole variazioni di spessore o gli angoli imprecisi già influiscano sulle perdite e sul rumore.

Quindi c'è un triplice scambio: perdita, producibilità e costo.

0,23 vs 0,27 vs 0,30 mm a colpo d'occhio

Ecco un confronto compatto basato su dati commerciali tipici e su ciò che la maggior parte delle fabbriche vede in officina. I valori di perdita sono indicativi, non garantiscono, ma i rapporti sono rappresentativi.

Questo è il riassunto della fisica. Il resto dell'articolo riguarda quando questi numeri cambiano effettivamente il disegno.

Quando lo 0,23 mm si guadagna un posto nella vostra distinta base

In genere si giustificano 0,23 mm quando è vera una delle tre cose.

In primo luogo, quando la perdita a vuoto viene monetizzata pesantemente. Molte gare d'appalto e programmi di efficienza energetica prevedono essenzialmente un prezzo per ogni watt di perdita a vuoto attraverso formule di capitalizzazione delle perdite. Se il fattore di capitalizzazione delle perdite è elevato, il valore attuale di una riduzione del venti o trenta per cento delle perdite a vuoto è spesso superiore al costo aggiuntivo dell'acciaio e della lavorazione. Il calcolo non è elegante, ma di solito è decisivo.

In secondo luogo, quando si cerca la compattezza. I lamierini più sottili consentono di tollerare una densità di flusso maggiore a parità di perdita, il che significa una sezione trasversale più piccola a parità di potenza del trasformatore. In questo modo si restringe il serbatoio, si riduce il volume dell'olio e, a volte, si riducono di uno o due centimetri le dimensioni. Per i trasformatori di distribuzione urbana, per le unità montate su pad o per le energie rinnovabili, dove l'ingombro è limitato, questo è tangibile.

In terzo luogo, quando si lotta contro i limiti di rumorosità. Diverse cartiere offrono prodotti da 0,23 e 0,27 mm con affinamento del dominio, utilizzando trattamenti meccanici o con scanalature incise per ridurre la magnetostrizione e la perdita di ferro senza influire negativamente su altre proprietà. Le serie di prodotti a bassa rumorosità con spessore di 0,23 mm sono ampiamente commercializzate per i trasformatori con clausole di livello sonoro rigorose. Se il budget per la rumorosità è già ristretto, la combinazione di giunzioni step-lap, buon serraggio e Hi-B da 0,23 mm è un modo semplice per acquistare margine.

Il prezzo da pagare è quello della fabbrica. I CRGO più sottili sono più sensibili ai danni da manipolazione e piegatura, e la finestra di processo per il taglio, l'impilamento e la ricottura si restringe man mano che lo spessore scende a 0,23 mm o meno. Le note dell'industria sottolineano che questi fogli non devono essere piegati bruscamente e che anche una modesta variazione di spessore all'interno di una striscia crea problemi sia nell'impilamento che nelle perdite finali.

Si scambiano obiettivi di progettazione più semplici con un controllo di produzione più impegnativo.

Quando 0,27 mm sembra il valore predefinito più ragionevole

C'è un motivo per cui molti produttori descrivono l'M4 da 0,27 mm come il punto di equilibrio tra efficienza e costi. Se si osserva la precedente tabella delle perdite, lo 0,27 mm recupera la maggior parte dei vantaggi derivanti dallo spessore ridotto rispetto allo 0,30 mm, evitando al tempo stesso i problemi di produzione che lo 0,23 mm comporta.

In un tipico trasformatore di distribuzione da 50 o 60 Hz, il passaggio da 0,30 a 0,27 mm consente spesso di risparmiare una perdita di nucleo dell'ordine del 10-15% a parità di densità di flusso. Questo si traduce in un percorso più pulito verso classi di efficienza di medio livello senza un grande cambiamento nella filosofia di progettazione. Raramente è necessario ridisegnare l'intera finestra del nucleo; basta spingere il flusso un po' più in alto o accettare perdite inferiori a parità di induzione.

In officina, 0,27 mm si comporta ancora come un acciaio familiare. Il fattore di impilamento è leggermente inferiore a quello di 0,30 mm, ma non in modo drammatico, e la resistenza alla flessione e la durata dei bordi sono più facili da gestire rispetto a 0,23 mm. Per le fabbriche che si affidano a un mix di impilaggio automatico e manuale, questo margine meccanico è più importante di quanto sembri sulla carta.

In breve, se il cliente si aspetta un'efficienza decente ma non estrema e il vostro impianto è tarato su bobine M4, 0,27 mm è di solito la risposta meno rischiosa.

Quando 0,30 mm ha ancora senso

Si è tentati di pensare che lo 0,30 mm sia "vecchio" e debba essere ritirato, ma ci sono situazioni in cui è ancora razionale.

In primo luogo, dove i costi energetici capitalizzati sono bassi. Alcune reti industriali o regionali non hanno ancora un prezzo elevato per ogni watt in più di perdita a vuoto. Se il fattore di capitalizzazione delle perdite è modesto e le tariffe sono basse, il tempo di ritorno dell'investimento per passare a 0,27 o 0,23 mm può andare oltre le possibilità del proprietario dell'impianto.

In secondo luogo, se il progetto funziona con una densità di flusso conservativa. I valori di perdita del nucleo indicati nei cataloghi, come circa 1,3 W/kg a 1,7 T per 0,30 mm, presuppongono un'induzione relativamente elevata. Se si lavora a 1,5 T o meno, e le perdite di carico dominano, l'importanza relativa della riduzione della perdita di nucleo diminuisce.

In terzo luogo, in alcune unità ad alta tensione, il flusso di materiale e la complessità dell'avvolgimento dominano l'economia. Una laminazione leggermente più spessa offre un fattore di impilamento un po' più elevato ed è più tollerante nei confronti di piccoli errori di assemblaggio. Questo può superare il vantaggio della perdita pura in una fabbrica reale con un controllo di qualità finito.

Quindi 0,30 mm non è solo per i disegni tradizionali. È ancora utile quando si sceglie di scambiare un po' di perdita di ferro in più con la robustezza e la semplicità.

Un rapido controllo di solidità con numeri approssimativi

Prendiamo un esempio molto semplice per inquadrare gli ordini di grandezza. Supponiamo che il nucleo di un trasformatore utilizzi circa 400 kg di CRGO. Si tratta di un valore approssimativo per un'unità di distribuzione di medie dimensioni, ma il metodo è più importante del valore esatto.

Utilizzando i dati indicativi precedenti, 0,30 mm M5 a 1,7 T potrebbero fornire circa 1,3 W/kg; 0,27 mm M4 potrebbero essere circa 1,12 W/kg; 0,23 mm M3 circa 0,9 W/kg.

A parità di densità di flusso, ciò significa:

Il nucleo da 0,30 mm consuma circa 520 W di perdita a vuoto. Il nucleo da 0,27 mm brucia circa 448 W. Quello da 0,23 mm brucia circa 360 W.

Quindi, passando da 0,30 a 0,27 mm si risparmiano circa 72 W e passando da 0,30 a 0,23 mm circa 160 W.

Un trasformatore che funziona tutto il giorno, tutti i giorni, consuma 8.760 ore di energia a vuoto all'anno. Queste differenze si traducono in circa 631 kWh e 1.402 kWh di energia risparmiata all'anno rispetto al design da 0,30 mm.

Se il proprietario valuta l'energia, ad esempio, a 0,10 unità monetarie per kWh, l'opzione da 0,27 mm consente di risparmiare circa 63 unità all'anno e quella da 0,23 mm circa 140 unità all'anno. Su un orizzonte di 10 anni, anche ignorando l'attualizzazione, ciò si traduce in centinaia o più di migliaia di unità di valore. Le differenze di prezzo dell'acciaio tra le bobine da 0,23, 0,27 e 0,30 mm, come si vede nelle offerte commerciali, sono spesso ben al di sotto di questa cifra per trasformatore.

I progetti reali comportano un numero maggiore di condizioni: flusso esatto, ciclo di funzionamento, perdite di carico, limiti di temperatura. Tuttavia, un controllo molto approssimativo come questo di solito conferma che 0,23 mm sembra interessante ovunque l'energia abbia un prezzo serio.

Altre leve che a volte contano anche più dello spessore

Lo spessore non è l'unica maniglia che si può tirare, e a volte non è la prima che si dovrebbe muovere.

L'affinamento dei domini e la lavorazione Hi-B possono ridurre significativamente le perdite a parità di spessore, rompendo i domini magnetici mediante scanalature meccaniche o schemi incisi. I prodotti JGSD di JFE, ad esempio, utilizzano scanalature lineari su lamiere da 0,23 e 0,27 mm per ridurre la perdita di ferro senza penalizzare fortemente la magnetostrizione. Le fabbriche di tutta l'Asia e l'Europa offrono varianti simili a "bassa perdita" che possono avvicinarsi all'obiettivo senza modificare il calibro della laminazione.

Anche i dettagli geometrici continuano a sorprendere i progettisti. Giunti a gradini, un migliore controllo degli angoli di inclinazione e tolleranze più strette sulle dimensioni della laminazione e delle bave riducono sia le perdite dell'anima che il rumore acustico. Recenti note dei produttori di anime sottolineano che anche piccole deviazioni nelle dimensioni della laminazione o nello spessore delle bave creano spazi vuoti non uniformi e aumentano il rumore e le perdite.

Le variazioni di spessore del materiale su un nastro, gli angoli di taglio non corretti e il serraggio inadeguato si mangiano facilmente il guadagno teorico ottenuto passando da 0,30 a 0,27 mm. Per questo motivo, alcune fabbriche investono prima in processi migliori di decoilazione, taglio, ricottura e impilamento prima di passare in modo aggressivo a gradi Hi-B da 0,23 mm.

Quindi una buona domanda da porsi, prima di cambiare calibro, è se la linea esistente fornisce effettivamente le prestazioni previste dalle schede tecniche.

Come pensare allo spessore in base alla classificazione e all'applicazione

Avrete le vostre regole empiriche, ma lo schema seguente corrisponde a quello che molti team di progettazione finiscono per utilizzare una volta terminati i fogli di calcolo e le chiamate ai fornitori.

Per i trasformatori di distribuzione di piccole dimensioni, dove i limiti di perdita e le etichette energetiche sono stretti e dove le unità rimangono sotto tensione per decenni, tendono a prevalere gli 0,23 mm. Il costo della perdita del nucleo nel corso della vita è così influente che anche un modesto miglioramento giustifica una maggiore cura dei materiali e dei processi.

Per la fascia media, da poche centinaia di kVA fino a qualche MVA nelle tipiche reti a 11 o 33 kV, 0,27 mm è spesso lo standard pratico. Consente di soddisfare la maggior parte dei requisiti delle gare d'appalto e i livelli di efficienza BEE o Ecodesign, mantenendo il flusso di lavoro in fabbrica vicino agli schemi tradizionali.

Per i grandi trasformatori di potenza, per i trasformatori industriali speciali o per i progetti nei mercati in cui i prezzi dell'energia e la regolamentazione sono meno aggressivi, 0,27 e 0,30 mm coesistono. Si vedono 0,27 mm quando i clienti chiedono esplicitamente un'elevata efficienza e 0,30 mm quando i team di progettazione danno la priorità a processi collaudati, margini meccanici e costo unitario rispetto a piccoli guadagni nella perdita a vuoto.

Non si tratta di una mappa rigida. È un modo per ridurre i tempi di discussione all'interno del proprio team.

Catena di fornitura e vincoli pratici che guidano tranquillamente la scelta

La disponibilità dei materiali è ancora importante. I fornitori globali hanno a disposizione diverse combinazioni di qualità e spessori, spesso quotando set standard come M3 0,23 mm, M4 0,27 mm e M5 0,30 mm con quantità minime d'ordine e gamme di larghezze adattate ai produttori di trasformatori. Se il vostro volume è modesto, potreste scoprire che i veri gradi premium da 0,23 mm sono convenienti solo in lotti più grandi, mentre quelli da 0,27 e 0,30 mm hanno condizioni più flessibili.

Alcuni cataloghi evidenziano anche fasce di tolleranza di spessore diverse per la gamma 0,23-0,27 mm rispetto a 0,30-0,35 mm. Non si tratta solo di una linea di qualità sulla carta. Un controllo più rigoroso dello spessore influisce direttamente sul comportamento di impilamento e sulle perdite finali delle anime.

Infine, l'attrezzatura esistente può rappresentare un limite sottile. Le linee di taglio a misura, gli utensili a passo e i forni di ricottura erano spesso dimensionati in base a un particolare intervallo di larghezze e spessori. Scorrere da 0,30 a 0,27 mm è solitamente sicuro. Il salto a 0,23 mm a volte mette in luce punti deboli nella spianatura, nel taglio e nell'impilatura che non erano mai stati evidenti prima.

Quindi, se state scrivendo una specifica per più fornitori, vale la pena di parlare con loro apertamente di quali spessori sono in grado di lavorare bene con il volume richiesto, e non solo di quello che appare nella brochure.

Mettetelo insieme per la prossima revisione del progetto

Se si esclude il marketing, la scelta tra i laminati CRGO da 0,23, 0,27 e 0,30 mm riguarda soprattutto i flussi di cassa, la stabilità del processo e il rischio.

Quando il cliente paga per ogni watt risparmiato e si ha fiducia nel controllo di fabbrica, 0,23 mm ha molto senso. Riduce in modo sostanziale la perdita di nucleo, riduce il rumore e l'ingombro e si allinea alle moderne aspettative di alta efficienza.

Quando si vuole ottenere una buona efficienza senza complicare la vita in officina, 0,27 mm è un punto centrale molto sicuro. Molte aziende e OEM si standardizzano tranquillamente su questo valore proprio per questo motivo.

Quando la priorità è la produzione prevedibile, il funzionamento conservativo e il minimo costo iniziale in un ambiente normativo indulgente, lo 0,30 mm ha ancora un posto valido.

Scegliete lo spessore della laminazione che si adatti non solo al vostro progetto magnetico, ma anche ai vostri processi, ai fornitori e all'orizzonte temporale del cliente. L'acciaio in sé è solo metà della storia; il modo in cui lo si taglia, lo si impila e lo si blocca decide se il beneficio teorico lascerà mai la scheda tecnica.