Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
Un certificato di conformità del materiale indica le prestazioni di una lamiera di acciaio elettrico in condizioni di prova controllate. Non indica invece come si comporterà quel materiale dopo essere stato punzonato, impilato, incastrato, incollato, saldato o serrato.
Quella differenza è importante.
Una lamiera conforme alle specifiche può trasformarsi in una pila laminata difettosa. Le sollecitazioni da taglio possono ridurre la permeabilità. Le sbavature possono collegare strati adiacenti. La saldatura può generare calore, tensioni residue e percorsi di corrente indesiderati. La pila sembra comunque corretta. Anche dal punto di vista dimensionale, potrebbe risultare conforme.
Dal punto di vista magnetico, forse no.
Non esiste un unico dato che spieghi tutto. I tre risultati vanno interpretati nel loro insieme.
L'acciaio elettrico viene prodotto sotto forma di lamiere sottili e isolate per limitare la circolazione delle correnti parassite. Una volta che queste lamiere entrano nella linea di produzione, il loro comportamento magnetico può subire variazioni.
Tra le cause più comuni figurano:
Gli effetti non si manifestano sempre allo stesso modo.
Un corto circuito causato da una sbavatura può provocare un netto aumento della perdita nel nucleo CA, mentre la curva di magnetizzazione a bassa frequenza subisce solo lievi variazioni. Lo stress meccanico può ridurre la permeabilità e aumentare la corrente di eccitazione, lasciando tuttavia pressoché invariata la densità di flusso di saturazione. Un problema a livello dei giunti può far apparire il nucleo completo in condizioni peggiori rispetto a un campione ad anello ricavato dallo stesso lotto.
Ecco perché i test magnetici sulla pila di laminati dovrebbero essere effettuati separatamente qualità del materiale, effetti di produzione, e effetti dell'assemblaggio finale.
| Test | Cosa misura | Cosa può rivelare | Condizioni essenziali di prova |
|---|---|---|---|
| Prove di permeabilità | Relazione tra densità di flusso magnetico e campo applicato | Tensioni da taglio, intercapedini d’aria, giunti difettosi, errori di orientamento, avvicinamento alla saturazione | Frequenza, densità di flusso, direzione del materiale, forma d'onda, geometria del campione |
| Prove di perdita nel nucleo | Energia dissipata sotto forma di calore per ciclo o al secondo | Burr, danni al rivestimento, effetti della saldatura, perdite dinamiche, percorsi eccessivi delle correnti parassite | Frequenza, densità di flusso di picco, forma d'onda, temperatura, massa |
| Test del circuito B-H | Risposta magnetica completa durante un ciclo di eccitazione | Coercitività, rimanenza, permeabilità, area dell'anello, saturazione, asimmetria | Cronologia dell'eccitazione, frequenza, forma d'onda, correzione di fase, temperatura |
| Test di corrente ad alta tensione | Corrente necessaria per generare il flusso richiesto | Elevata riluttanza, lacune locali, sollecitazioni, giunti difettosi, saturazione | Frequenza, densità di flusso di picco, configurazione dell'avvolgimento |
| Misurazione del fattore di impilamento | Volume del materiale magnetico rispetto al volume totale della pila | Eccesso di rivestimento, fessure, ondulazioni, variazioni di spessore | Altezza della pila, massa, densità, dimensioni dei fogli |
Le misurazioni si sovrappongono. Non si sostituiscono a vicenda.
La perdita nel nucleo indica quanta energia viene dissipata. La permeabilità mostra con quanta intensità deve essere eccitato il pacco di lamelle. Il ciclo B-H mette in relazione queste osservazioni e spesso indica quale aspetto approfondire successivamente.
Per un materiale lineare semplice:
mu = B / H
dove:
L'acciaio elettrico non è lineare. La sua permeabilità varia in funzione della densità di flusso, della frequenza, della direzione del materiale, della sollecitazione, della temperatura e della storia magnetica. Non è sufficiente indicare un unico valore di permeabilità senza specificare tali condizioni.
mu_r = mu / mu_0
Questo mette a confronto il materiale con lo spazio libero.
mu_a = B_picco / H_picco
Ciò risulta spesso utile per il funzionamento in corrente alternata. Il risultato deve includere la frequenza di prova e la densità di flusso di picco.
mu_d = dB / dH
Questo valore rappresenta la pendenza locale della curva di magnetizzazione. Varia lungo la curva e diminuisce man mano che il materiale si avvicina alla saturazione.
La permeabilità incrementale si ottiene da una piccola escursione magnetica attorno a un punto di funzionamento in corrente continua. È rilevante quando un nucleo magnetico trasporta un'ondulazione in corrente alternata insieme alla polarizzazione in corrente continua.
Un campione in forma di lamiera può essere utilizzato per studiare il materiale stesso. Una pila laminata finita comprende giunti, intercapedini d’aria, elementi di fissaggio, sollecitazioni di serraggio e geometria.
Il valore ricavato da un nucleo finito è quindi spesso un permeabilità effettiva dell'intero circuito magnetico. Non dovrebbe essere presentata come la permeabilità intrinseca dell'acciaio elettrico.
Tale formulazione impedisce che vengano effettuati confronti fuorvianti.
Quando lo stato magnetico di una pila di lamine si inverte ripetutamente, parte dell'energia immessa viene convertita in calore. La perdita di energia per unità di volume durante un ciclo completo è rappresentata dall'area all'interno della curva B-H.
La perdita di potenza volumetrica può essere espressa come segue:
P_v = f * integrale(H dB)
dove:
La perdita specifica nel nucleo viene solitamente espressa in W/kg:
P_s = P_v / ρ
dove ρ è la densità del materiale.
La perdita nel nucleo è comunemente considerata come una combinazione di:
P_core = P_h + P_e + P_ex
dove:
Questi componenti sono utili ai fini dell'analisi, ma non devono essere considerati come tre valori misurati direttamente. Per separarli è necessario effettuare misurazioni su frequenze e livelli di densità di flusso adeguati, seguite dall'applicazione di un modello di perdita ben definito.
Ai fini del controllo di qualità della produzione, la perdita totale al punto di funzionamento previsto rappresenta spesso il parametro di accettazione più affidabile.
La densità di flusso viene calcolata a partire dalla tensione indotta nell'avvolgimento di rilevamento:
B(t) = [1 / (N_2 A_e)] integrale(v_2(t) dt)
dove:
Una tensione indotta sinusoidale produce una forma d'onda della densità di flusso approssimativamente sinusoidale. La corrente di eccitazione non deve necessariamente rimanere sinusoidale. In prossimità della saturazione, spesso subisce una forte distorsione.
È facile non cogliere questa distinzione.
Due laboratori possono testare lo stesso stack di laminati alla stessa frequenza e alla stessa densità di flusso nominale, ma riportare comunque perdite diverse se uno controlla la forma d'onda della corrente e l'altro quella della tensione indotta.
Ogni rapporto dovrebbe indicare quali elementi sono stati controllati.
Un ciclo B-H dovrebbe essere considerato come un dato di misura, non solo come una curva grafica.
Il campo coercitivo, H_c, è il campo inverso necessario per riportare B a zero.
Un aumento del campo coercitivo può indicare che il movimento dei domini magnetici è diventato più difficile. Tra le possibili cause figurano lo sforzo di taglio, la deformazione plastica, la tensione residua e le zone termicamente alterate.
La densità di flusso residua, B_r, è la densità di flusso che rimane quando il campo applicato torna a zero.
Dipende dal materiale, dall'eccitazione massima, dalla storia magnetica e dal fatto che il campione abbia raggiunto o meno una condizione ciclica stabile.
L'area racchiusa rappresenta la perdita di energia per unità di volume per ciclo. A parità di densità di flusso di picco e frequenza, un'area dell'anello maggiore comporta una maggiore perdita di energia magnetica.
La pendenza è correlata alla permeabilità. Una pendenza ridotta può indicare danni da sollecitazioni, giunti difettosi, intercapedini d’aria indesiderate o un orientamento errato del materiale.
In condizioni di quasi saturazione, un forte aumento di H produce solo un leggero aumento di B. La corrente di eccitazione aumenta quindi rapidamente.
Effettuare i test solo a bassa densità di flusso può nascondere questo comportamento. Effettuare i test solo in prossimità della saturazione può nascondere i danni causati dalla permeabilità a basso campo. È preferibile utilizzare diversi punti di funzionamento.
Un anello spostato o asimmetrico può essere causato da:
Invertire i collegamenti del campione o quelli di misura e ripetere la prova. Se l'asimmetria si sposta insieme al sistema di misura, è possibile che il problema non sia dovuto al materiale.
Utilizzare provini a striscia o in fogli singoli per verificare l'acciaio elettrico di base.
Questo livello è adatto a:
Non riproduce il processo di produzione finale.
Un campione di testimone trattato dovrebbe utilizzare lo stesso:
Le pile di provini a forma di anello sono utili perché garantiscono un percorso magnetico sostanzialmente chiuso. Consentono di isolare i danni di fabbricazione senza ricorrere ai complessi giunti presenti in un componente completo.
Verificare l'intero pacco statore, gruppo rotore, nucleo di trasformatore o componente magnetico assemblato, quando la geometria finale influisce sulle prestazioni.
I test sul nucleo finito rilevano:
Una catena di verifica pratica è la seguente:
Foglio in entrata -> Pila di campioni lavorati -> Nucleo finito
Il punto in cui si verifica un cambiamento nelle prestazioni aiuta a individuare il processo responsabile.
| Risultato del test | Possibile causa | Controllo consigliato |
|---|---|---|
| La perdita nel nucleo aumenta, mentre la permeabilità rimane pressoché invariata | Ponti di Burr, danni al rivestimento, cortocircuiti interlaminari | Controllare l'orientamento delle bave, la resistenza degli strati, la saldatura e il contatto dei bordi |
| La permeabilità diminuisce e la corrente eccitante aumenta | Tensioni residue, tensioni di serraggio, intercapedini d'aria, giunti difettosi | Confrontare la situazione prima e dopo il montaggio; ridurre la pressione dei dispositivi di fissaggio o di serraggio |
| Il campo coercitivo aumenta dopo la punzonatura | Sollecitazione di taglio o deformazione plastica | Provare diverse distanze tra utensile e pezzo e diversi rapporti tra bordo e superficie |
| L'aumento delle perdite si registra soprattutto nelle fasce di frequenza più elevate | Percorsi delle correnti parassite o perdite dinamiche | Verificare eventuali danni all'isolamento ed eseguire prove su diverse frequenze |
| Aumento delle perdite dopo la saldatura | Calore, tensioni residue, ponti conduttivi | Confronta il numero, la posizione, la lunghezza e l'apporto termico delle saldature |
| Il ciclo diventa asimmetrico | Offset in corrente continua, errore del sensore, magnetizzazione residua | Invertire il cablaggio oppure prelevare un campione e ripetere l'operazione |
| Il nucleo finito non supera il test, mentre l'anello di riferimento lo supera | Geometria dell'assemblaggio, gioco tra i giunti, accoppiamento a pressione o serraggio | Ispezionare l'intero percorso magnetico e le sollecitazioni del gruppo |
| I risultati variano dopo la reinstallazione del campione | Pressione del dispositivo di fissaggio o sensibilità di posizionamento | Definire la coppia di serraggio, l'allineamento e la procedura di installazione del dispositivo di fissaggio |
Questa tabella costituisce un punto di partenza diagnostico, non una prova della causa principale. Verificare il meccanismo ipotizzato mediante un confronto controllato.
Un piccolo errore di fase tra i canali di corrente e tensione può determinare un errore significativo nella misurazione delle perdite, specialmente quando la perdita magnetica effettiva è piccola rispetto alla potenza apparente.
Altri errori comuni includono:
Un loop B-H dall’aspetto regolare non dimostra che la misurazione sia accurata. La calibrazione, la correzione dell’inclinazione dei canali, i campioni di riferimento e i controlli di ripetibilità rimangono comunque fondamentali.
Una specifica utile dovrebbe definire qualcosa di più di un semplice valore massimo di W/kg.
Includere:
Il degrado dei prodotti può essere monitorato tramite:
Aumento della perdita (%) = [(P_elaborata – P_foglio) / P_foglio] * 100
Tale percentuale dovrebbe essere utilizzata insieme a un limite di perdita assoluto. Un leggero aumento percentuale non è accettabile se il materiale di partenza si trova già in prossimità del limite di progetto.
Per ricevere una valutazione tecnica o un preventivo attendibile, vi preghiamo di fornire:
Questi dettagli consentono di valutare congiuntamente i requisiti di produzione e quelli magnetici. Un metodo di impilamento a basso costo potrebbe non rimanere tale se comporta un aumento delle perdite, del calore, del rumore o della corrente di eccitazione nel prodotto finito.
Utilizzare prove su lamiere per il materiale in entrata, un anello lavorato o una pila di campioni per il controllo della produzione e prove su anime finite per valutare gli effetti dell'assemblaggio. Il metodo più adatto dipende dal fatto che si debba valutare il materiale, il processo di produzione o il componente completo.
Il certificato si riferisce solitamente a campioni di lamiera sottoposti a controllo. Una pila di prodotti finiti può presentare sollecitazioni da taglio, bave, danni al rivestimento, saldature, incastri, serraggi, giunti e variazioni dimensionali. Ognuno di questi fattori può aumentare la perdita misurata.
Sì. La permeabilità di ampiezza, differenziale e incrementale può essere ricavata da dati B–H adeguati. È necessario indicare la definizione scelta, la frequenza, la densità di flusso e il punto di funzionamento magnetico.
Non tutte le bave visibili comportano un aumento misurabile delle perdite. Il rischio maggiore è rappresentato da una bava o da un rivestimento danneggiato che crei un percorso conduttivo attraverso diversi strati. La pressione di contatto, la direzione della bava e il metodo di giunzione influenzano il risultato.
La punzonatura può causare deformazioni plastiche e tensioni residue in prossimità del bordo di taglio. Ciò può ridurre la permeabilità, aumentare il campo coercitivo, far crescere la corrente di eccitazione e aumentare le perdite nel nucleo. L'effetto diventa più evidente quando il componente presenta un elevato rapporto tra il bordo di taglio e la superficie totale.
È possibile. La saldatura può generare tensioni residue, creare zone termicamente alterate, danneggiare l’isolamento e collegare elettricamente gli strati. Il risultato dipende dalla posizione della saldatura, dal numero, dalla lunghezza, dall’apporto termico e dalla geometria dello strato.
È utile come riferimento, ma non rappresenta tutte le perdite causate dalle armoniche dell'inverter. I test dovrebbero includere frequenze e forme d'onda rappresentative nei casi in cui l'eccitazione ad alta frequenza contribuisca in modo significativo al surriscaldamento.
Utilizzare i watt per chilogrammo per il confronto tra materiali e processi. Utilizzare i watt totali quando si valuta il calore generato dall’intero nucleo. Per le pile di laminati finite, è spesso utile riportare entrambi i valori.
Utilizzare un numero sufficiente di punti per coprire l'intervallo operativo previsto e l'avvicinamento alla saturazione. Un singolo punto a basso campo può non rilevare il comportamento di saturazione. Un singolo punto ad alto campo può nascondere il degrado della permeabilità a basso campo.
I test magnetici sui pacchi di laminati dovrebbero andare oltre la semplice verifica della conformità dell'acciaio elettrico al momento della consegna.
Dovrebbe mostrare cosa è successo dopo il taglio. Dopo l'impilamento. Dopo l'unione e l'assemblaggio finale.
La prova di permeabilità misura la facilità con cui il pacco magnetico conduce il flusso. La prova delle perdite nel nucleo misura l'energia convertita in calore. Il ciclo B–H mostra come lo stato magnetico varia durante l'intero ciclo.
Considerate nel loro insieme, queste misurazioni consentono di distinguere un problema legato al materiale da uno legato alla produzione, e un problema legato alla produzione da uno legato all’assemblaggio.
Se state sviluppando una configurazione di laminazione personalizzata, preparate i dati relativi al tipo di materiale, allo spessore delle lamine, al disegno della configurazione, alla frequenza operativa, alla densità di flusso desiderata, al metodo di giunzione e al livello di ispezione richiesto prima di richiedere una revisione tecnica. Tali informazioni consentono di valutare la producibilità e le prestazioni magnetiche come un unico problema ingegneristico.
Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
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