Controle van de magnetische eigenschappen van laminaatstapels

Een materiaalcertificaat geeft aan hoe een plaat van elektrisch staal onder gecontroleerde testomstandigheden heeft gepresteerd. Het geeft echter geen informatie over hoe dat materiaal zich zal gedragen na het ponsen, stapelen, in elkaar vergrendelen, verlijmen, lassen of vastklemmen.

Dat verschil is van belang.

Een goedgekeurde plaat kan uitgroeien tot een slechte laminaatstapel. Snijspanning kan de permeabiliteit verminderen. Bramen kunnen aangrenzende lagen met elkaar verbinden. Door het lassen kunnen warmte, restspanning en onbedoelde stroompaden ontstaan. De stapel ziet er nog steeds correct uit. Ook qua afmetingen kan hij nog steeds aan de eisen voldoen.

Magnetisch gezien misschien niet.

Kort antwoord

• Doorlaatbaarheidstests laat zien hoe gemakkelijk een laminatiestapel voert magnetische flux.
• Testen op kernverlies meet hoeveel energie de stapel omzet in warmte.
• B-H-lusonderzoek geeft informatie over de coerciviteit, de remanentie, het verzadigingsgedrag en het verlies per magnetische cyclus.
• De meest nuttige controle vergelijkt drie toestanden: het binnenkomende blad, een verwerkte referentiestapel en de voltooide magnetische kern.

Geen enkele meting op zich verklaart alles. De drie resultaten moeten in onderlinge samenhang worden bekeken.

Waarom gegevens over afzonderlijke vellen de prestaties van de uiteindelijke laminaatstapel niet volledig kunnen voorspellen

Elektrisch staal wordt vervaardigd in dunne, geïsoleerde platen om de circulatie van wervelstromen te beperken. Zodra deze platen in productie worden genomen, kan hun magnetisch gedrag veranderen.

Veelvoorkomende oorzaken zijn onder meer:

• Restspanning als gevolg van ponsen of afschuiven
• Door snijden of lassen ontstane warmtebeïnvloede zones
• Bramen die een elektrische verbinding vormen tussen aangrenzende lamellen
• Beschadigde oppervlakte-isolatie
• Plastische vervorming rond de koppelingspunten
• Overmatige klemkracht of drukbelasting
• Onregelmatige hechtlagen
• Onjuiste uitlijning van de rolrichting
• Slecht aansluitende verbindingen
• Een lager dan verwachte stapelfactor
• Lokale luchtopeningen of golvingen in de schoorsteen

De effecten komen niet altijd op dezelfde manier tot uiting.

Een kortsluiting als gevolg van bramen kan een duidelijke toename van het wisselstroomkernverlies veroorzaken, terwijl de magnetisatiecurve bij lage frequenties slechts licht verandert. Mechanische belasting kan de permeabiliteit verminderen en de bekrachtigingsstroom verhogen, terwijl de verzadigingsfluxdichtheid vrijwel onveranderd blijft. Door een probleem met de verbinding kan de volledige kern er slechter uitzien dan een ringmonster uit dezelfde partij.

Daarom moet bij het testen van de magnetische eigenschappen van laminaatstapels een onderscheid worden gemaakt tussen materiaalkwaliteit, productie-effectenen effecten van de eindmontage.

Vergelijking van permeabiliteits-, kernverlies- en B-H-lusmetingen

De metingen overlappen elkaar. Ze vervangen elkaar niet.

Het kernverlies geeft aan hoeveel energie er wordt gedissipeerd. De permeabiliteit geeft aan hoe hard de stapel moet worden aangestuurd. De B-H-kromme brengt deze waarnemingen met elkaar in verband en geeft vaak aan waar het onderzoek vervolgens naartoe moet gaan.

Hoe permeabiliteitstests werken

Voor een eenvoudig lineair materiaal:

mu = B / H

waarbij:

• mu is de absolute permeabiliteit,
• B is de magnetische fluxdichtheid in tesla,
• H is de magnetische veldsterkte in ampère per meter.

Elektrisch staal gedraagt zich niet lineair. De permeabiliteit ervan varieert afhankelijk van de fluxdichtheid, de frequentie, de materiaalkristalrichting, de spanning, de temperatuur en de magnetische geschiedenis. Het is niet voldoende om slechts één waarde voor de permeabiliteit te vermelden zonder deze omstandigheden te vermelden.

Welke permeabiliteit moet worden gerapporteerd?

Relatieve doorlatendheid

mu_r = mu / mu_0

Hierbij wordt het materiaal vergeleken met de vrije ruimte.

Amplitudepermabiliteit

mu_a = B_piek / H_piek

Dit is vaak nuttig bij wisselstroomtoepassingen. Het resultaat moet de testfrequentie en de piekfluxdichtheid bevatten.

Differentiële permeabiliteit

mu_d = dB / dH

Dit geeft de lokale helling van de magnetisatiecurve weer. Deze verandert over de curve heen en neemt af naarmate het materiaal de verzadiging nadert.

Incrementele permeabiliteit

De incrementele permeabiliteit wordt bepaald aan de hand van een kleine magnetische afwijking rond een gelijkstroom-werkpunt. Dit is van belang wanneer een magnetische kern naast de gelijkstroomvoorspanning ook wisselstroomrimpel geleidt.

Intrinsieke versus effectieve permeabiliteit

Een plaatmonster kan worden gebruikt om het materiaal zelf te onderzoeken. Een voltooide laminaatstapel omvat verbindingen, luchtspleten, bevestigingsmiddelen, klemspanning en geometrie.

De waarde die uit een afgewerkte kern wordt verkregen, is daarom vaak een effectieve permeabiliteit van het volledige magnetische circuit. Dit mag niet worden voorgesteld als de intrinsieke permeabiliteit van het elektrisch staal.

Die formulering voorkomt misleidende vergelijkingen.

Hoe het testen van kernverliezen werkt

Wanneer de magnetische toestand van een lamellenstapel herhaaldelijk omslaat, wordt een deel van de toegevoerde energie omgezet in warmte. Het energieverlies per volume-eenheid tijdens één volledige cyclus wordt weergegeven door de oppervlakte binnen de B-H-lus.

Het volumetrisch vermogensverlies kan als volgt worden uitgedrukt:

P_v = f * integraal(H dB)

waarbij:

• P_v is het volumetrische kernverlies in W/m³,
• f is de frequentie in hertz,
• integral(H dB) is de oppervlakte van de B-H-lus in J/m³ per cyclus.

Het specifieke kernverlies wordt doorgaans uitgedrukt in W/kg:

P_s = P_v / ρ

waarbij rho de dichtheid van het materiaal is.

Kernverlies wordt doorgaans beschouwd als een combinatie van:

P_core = P_h + P_e + P_ex

waarbij:

• P_h is het hystereseverlies,
• P_e is het klassieke wervelstroomverlies,
• P_ex is het overtollige dynamische verlies.

Deze componenten zijn nuttig voor analyse, maar mogen niet worden beschouwd als drie rechtstreeks gemeten waarden. Om ze van elkaar te onderscheiden, zijn metingen nodig over een geschikt frequentie- en fluxdichtheidsbereik, gevolgd door een gespecificeerd verliesmodel.

Voor de kwaliteitscontrole tijdens de productie is het totale vermogensverlies bij het beoogde werkpunt vaak de betrouwbaardere acceptatiemaatstaf.

Waarom het regelen van de golfvorm van de fluxdichtheid belangrijk is

De fluxdichtheid wordt berekend aan de hand van de geïnduceerde spanning in de meetwikkeling:

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

waarbij:

• N_2 is het aantal meetwindingen,
• A_e is de effectieve magnetische dwarsdoorsnede,
• v_2(t) is de geïnduceerde spanning als functie van de tijd.

Een sinusvormige geïnduceerde spanning leidt tot een ongeveer sinusvormige fluxdichtheidsgolfvorm. De excitatiesstroom hoeft niet sinusvormig te blijven. Bij verzadiging raakt deze vaak sterk vervormd.

Dit onderscheid wordt gemakkelijk over het hoofd gezien.

Twee laboratoria kunnen dezelfde laminaatstapel bij dezelfde frequentie en nominale fluxdichtheid testen, maar toch verschillende verliezen rapporteren als het ene laboratorium de stroomgolfvorm regelt en het andere de golfvorm van de geïnduceerde spanning.

In elk rapport moet worden vermeld wat er is gecontroleerd.

Wat de B-H-lus onthult

Een B-H-lus moet worden beschouwd als meetgegevens, en niet alleen als een grafiek.

Dwangveld

Het coercitieve veld, H_c, is het omgekeerde veld dat nodig is om B weer op nul te brengen.

Een toename van het dwangveld kan erop wijzen dat de beweging van magnetische domeinen moeilijker is geworden. Snijspanning, plastische vervorming, restspanning en door warmte beïnvloede zones zijn mogelijke oorzaken.

Remanente fluxdichtheid

De remanente fluxdichtheid, B_r, is de fluxdichtheid die overblijft wanneer het aangelegde veld weer nul wordt.

Dat hangt af van het materiaal, de maximale excitatie, de magnetische geschiedenis en of het monster een stabiele cyclische toestand heeft bereikt.

Loopgebied

Het omcirkelde gebied geeft het energieverlies per volume-eenheid per cyclus weer. Bij dezelfde piekfluxdichtheid en frequentie betekent een groter lusoppervlak een groter magnetisch energieverlies.

Lushelling

De hellingshoek hangt samen met de doorlatendheid. Een verminderde hellingshoek kan wijzen op schade door spanning, slechte voegen, onbedoelde luchtopeningen of een onjuiste materiaaloriëntatie.

Verzadigingsgebied

Bij bijna volledige verzadiging leidt een sterke toename van H slechts tot een kleine toename van B. De excitatiestroom neemt dan snel toe.

Als er alleen bij een lage fluxdichtheid wordt getest, kan dit gedrag verborgen blijven. Als er alleen in de buurt van verzadiging wordt getest, kan schade door permeabiliteit bij lage velden verborgen blijven. Het is beter om op verschillende werkpunten te testen.

Asymmetrie in de lus

Een verschoven of asymmetrische lus kan het gevolg zijn van:

• DC-offset
• Restmagnetisatie
• Nulafwijking van de sensor
• Ongelijke positieve en negatieve excitatie
• Fout in de kanaaltiming
• Asymmetrie van de opstelling

Draai de aansluitingen van het proefstuk of de meetapparatuur om en herhaal de test. Als de asymmetrie meebeweegt met het meetsysteem, ligt het probleem wellicht niet bij het materiaal.

Het kiezen van het juiste testmonster voor de laminaatstapeltest

1. Voorbeeld van een ontvangstformulier

Gebruik stroken of losse vellen als proefstukken om de kwaliteit van het elektrisch staal te controleren.

Dit niveau is geschikt voor:

• Controle van binnenkomend materiaal
• Vergelijking tussen spoelen
• Controle van de rolrichting
• Uitgangsgegevens over verlies en doorlaatbaarheid
• Het effect van spanningsverlichtingsgloeien onderzoeken

Het bootst het uiteindelijke productieproces niet na.

2. Verwerkte getuigenstapel

Een bewerkt getuigenmonster moet hetzelfde bevatten:

• Partij elektrisch staal
• Plaatdikte
• Snijmethode
• Vrije ruimte rond het gereedschap
• Braam richting
• Vergrendelings- of hechtingsproces
• Lasparameters
• Klemtoestand
• Nabehandeling

Ringvormige getuigestapels zijn nuttig omdat ze een grotendeels gesloten magnetisch pad vormen. Ze helpen productieschade te isoleren zonder de ingewikkelde verbindingen van een compleet onderdeel.

3. Afgewerkte magnetische kern

Test de volledige statorstapel, rotorstapel, transformatorkern of geassembleerd magnetisch onderdeel wanneer de uiteindelijke vorm de prestaties beïnvloedt.

Bij het testen van voltooide kernen wordt het volgende vastgelegd:

• Voegen
• Lasplaatsen
• Spanning bij perspassing
• Klemkracht
• Uitlijning van de stapel
• Lokale vervorming
• Het volledige gedrag van het magnetische pad

Een praktische verificatieketen is:

Binnenkomend blad -> Verwerkte stapel getuigenbladen -> Afgewerkte kern

Het moment waarop de prestaties veranderen, helpt bij het opsporen van het proces dat hiervoor verantwoordelijk is.

Praktische testprocedure voor lamineerstapels

1. Identificeer het exemplaar. Noteer de materiaalkwaliteit, de rolpartij, de nominale dikte, de walsrichting, de snijmethode, de stapelhoogte, het aantal lagen, de verbindingsmethode, de massa en de testtemperatuur.
2. Bepaal de effectieve dwarsdoorsnede. Vertrouw niet alleen op de nominale plaatdikte vermenigvuldigd met het aantal lagen. De laagdikte, openingen, golving en stapelfactor zijn van invloed op het resultaat.
3. Bepaal de lengte van het magnetische pad. Deze berekening is vrij eenvoudig voor een uniforme ring. Bij kernen met verbindingen of een complexe geometrie wordt het een effectieve waarde.
4. Ontmagnetiseer het monster indien nodig. Herhaal dit vervolgens totdat opeenvolgende B-H-lussen herhaalbaar worden.
5. Stel het werkpunt in. Noteer de frequentie, de piekfluxdichtheid, de golfvorm, de temperatuur en de DC-voorspanning, indien van toepassing.
6. Meet de geïnduceerde spanning en de bekrachtigingsstroom. Controleer het aantal omwentelingen, de polariteit van het kanaal en de timingafstemming.
7. Bereken de B-H-lus, de permeabiliteit en het kernverlies. Vermeld alle gebruikte formules en correcties.
8. Herhaal de test. Bij metingen waarbij de opstelling van belang is, moet u het proefstuk verwijderen en opnieuw plaatsen voordat u de meting herhaalt.
9. Vergelijk vergelijkbare omstandigheden. De frequentie, golfvorm, fluxdichtheid, temperatuur, richting en definitie van het proefstuk moeten met elkaar overeenkomen.

Testresultaten gebruiken om productieproblemen te diagnosticeren

Deze tabel dient als uitgangspunt voor de diagnose, maar vormt geen bewijs voor de werkelijke oorzaak. Controleer het vermoedelijke mechanisme door middel van een gecontroleerde vergelijking.

Meetfouten die op stapelfouten kunnen lijken

Een kleine fasefout tussen de stroom- en spanningskanalen kan leiden tot een grote fout in het gemeten verlies, vooral wanneer het werkelijke magnetische verlies klein is in verhouding tot het schijnbare vermogen.

Andere veelvoorkomende fouten zijn onder meer:

• Onjuist aantal primaire of secundaire windingen
• Integratordrift
• Verkeerde kanaalpolariteit
• Onjuiste gemiddelde magnetische weglengte
• Gebruik van het nominale in plaats van het effectieve magnetische oppervlak
• Bijdrage van de luchtstroom rondom het proefstuk
• Er is geen rekening gehouden met de wikkelingsweerstand
• Instrumenten laden
• Onvoldoende bemonsteringsfrequentie
• Elektrische ruis in de buurt van nuldoorgangen
• Temperatuurstijging tijdens herhaalde tests
• Onregelmatige klemdruk
• Testen voordat een stabiele cyclische toestand is bereikt

Een vloeiend ogende B-H-kromme is geen bewijs dat de meting nauwkeurig is. Kalibratie, kanaalcorrectie, referentiemonsters en herhaalbaarheidscontroles blijven van belang.

Het opstellen van een acceptatiespecificatie voor een lamineerstapel

Een bruikbare specificatie moet meer omvatten dan alleen een maximale W/kg-waarde.

Omvatten:

• Soort monster en verwerkingsomstandigheden
• Materiaalrichting
• Testfrequentie
• Piekfluxdichtheid of polarisatie
• Gecontroleerde golfvorm
• Testtemperatuur
• Maximaal specifiek kernverlies
• Maximale opwekkingsstroom of schijnbaar vermogen
• Minimale doorlaatbaarheid bij bepaalde bedrijfspunten
• Maximaal coercief veld, indien van toepassing
• Methode op basis van effectief oppervlak en weglengte
• Monsterhoeveelheid
• Regels voor hertoetsing
• Meetonzekerheid
• Toegestane afwijking ten opzichte van de referentie van het inkomende blad

De verslechtering tijdens de productie kan worden bijgehouden met:

Toename van het verlies (%) = [(P_verwerkt – P_vel) / P_vel] * 100

Dit percentage moet in combinatie met een absolute verliesgrens worden gehanteerd. Een kleine procentuele stijging is onaanvaardbaar als het uitgangsmateriaal zich al dicht bij de ontwerpgrens bevindt.

Informatie die u moet verstrekken bij het aanvragen van een op maat gemaakte lamineerstapel

Voor een gedegen technische beoordeling of offerte verzoeken wij u het volgende te verstrekken:

• Lamineer- en stapeltekeningen
• Kwaliteit van elektrisch staal
• Nominale plaatdikte
• Eisen met betrekking tot de rolrichting
• Stapelhoogte en tolerantie
• Snijmethode
• Verbindingsmethode
• Vereiste inzake de draairichting van de bramen
• Verwachte bedrijfsfrequentie
• Beoogde piekfluxdichtheid
• Temperatuurbereik
• Vereiste grenswaarden voor kernverlies of permeabiliteit
• Vereisten voor inspectierapporten
• Verwacht jaarlijks volume

Aan de hand van deze gegevens kunnen de productie- en magnetische vereisten gezamenlijk worden beoordeeld. Een goedkope stapelmethode blijft mogelijk niet goedkoop als deze in het eindproduct leidt tot meer verliezen, warmteontwikkeling, geluid of een hogere bekrachtigingsstroom.

FAQ

Van de kwalificatie van de plaat tot het vertrouwen in de afgewerkte kern

Bij magnetische tests van laminaatstapels moet meer worden vastgesteld dan alleen of het elektrisch staal bij levering aan de eisen voldeed.

Er moet te zien zijn wat er na het snijden is gebeurd. Na het stapelen. Na het samenvoegen en de eindmontage.

Bij permeabiliteitstests wordt gemeten hoe gemakkelijk de stapel de flux geleidt. Bij kernverliesmetingen wordt de energie gemeten die in warmte wordt omgezet. De B–H-kromme laat zien hoe de magnetische toestand gedurende de gehele cyclus verandert.

Samen genomen kunnen deze metingen een materiaalprobleem onderscheiden van een productieprobleem — en een productieprobleem van een montageprobleem.

Als u een op maat gemaakte laminaatstapel ontwikkelt, zorg er dan voor dat u de materiaalkwaliteit, de plaatdikte, de stapeltekening, de bedrijfsfrequentie, de beoogde fluxdichtheid, de verbindingsmethode en het vereiste inspectieniveau hebt vastgesteld voordat u een technische beoordeling aanvraagt. Aan de hand van die informatie kunnen de produceerbaarheid en de magnetische prestaties als één technisch vraagstuk worden beoordeeld.