Woordenlijst: Essentiële termen in het ontwerp van motorkernen en transformatorlaminaten

Je kent de fysica al. Deze woordenlijst legt alleen de woorden vast die daadwerkelijk van invloed zijn op verliescijfers, geluidsklachten, offertes van staalleveranciers en argumenten in ontwerpbeoordelingen, zowel voor motorkernen als transformatorlamineringen.

Waarom de lamineringsterminologie belangrijk is

Het grootste deel van het soft-magnetische drama in moderne machines komt niet voort uit de vergelijkingen van Maxwell. Het komt voort uit de manier waarop lamellen worden gesneden, geïsoleerd, gestapeld, geklemd en beschreven op tekeningen en in staalgegevensbladen. Productiestappen zoals ponsen, stapelen en behuizing kunnen hysterese- en wervelstroomverliezen gemakkelijk doen afwijken van de "cataloguswaarden" door plastische vervorming en restspanning toe te voegen aan de randen van lamellen. In transformatoren en motoren vertaalt zich dat direct in extra watt aan kernverlies, warmere plekken en soms mislukte efficiëntiegaranties.

De onderstaande termen zijn dus geschreven voor iemand die al een B-H-curve kan lezen, maar een gemeenschappelijke taal wil met inkoop, kernwinkels en FEA-specialisten.

1. Materiaal- en lamineertermen

Elektrisch staal

Elektrisch staal is het standaardmateriaal voor gelamineerde kernen: een met silicium gelegeerd, koolstofarm staal dat is geoptimaliseerd voor laag verlies en behoorlijke permeabiliteit bij vermogensfrequenties en daarboven. De verliezen ervan worden in moderne modellen vaak opgesplitst in quasi-statische (door hysterese gedomineerde), parasitaire (wervelstroomachtige) en abnormale of overtollige componenten. Je ziet deze drie woorden zelden in een offerte, maar dat is wat er schuilgaat achter "W/kg @ 1,5 T, 50 Hz".

Elektrisch staal met georiënteerde korrel (GO, CRGO) wordt gerold zodat de gemakkelijke magnetisatieas in lijn ligt met de rolrichting. Het is ontworpen voor flux die voornamelijk langs die richting stroomt, wat precies gebeurt in klassieke transformatorarmen en jukken. Gebruik dit wanneer uw fluxpaden netjes en voornamelijk eendimensionaal zijn, niet in een sterk getande stator waar de richtingen rondom de luchtspleet veranderen.

Niet-georiënteerd elektrisch staal (NO, CRNO/CRNGO) heeft ongeveer isotrope magnetische eigenschappen in het vlak van de plaat. Motoren en roterende machines zijn hier sterk van afhankelijk, omdat de flux in vele richtingen door tanden, achterijzer en bruggen circuleert. NO-kwaliteiten hebben doorgaans een hoger verlies dan GO bij 50/60 Hz in hun "favoriete" richting, maar ze straffen u niet wanneer de flux buiten de as schommelt.

Wanneer iemand simpelweg 'M235-35A' of iets dergelijks zegt, hebt u te maken met een dikte (ongeveer 0,35 mm) en een verliesklasse. Het gegevensblad van de leverancier van elektrisch staal geeft aan hoe optimistisch deze cijfers zijn onder Epstein-testomstandigheden in vergelijking met uw gestanste, geklemde realiteit.

Laminering, dikte en stapelfactor

A laminering is een dunne plaat elektrisch staal, bekleed met een isolerende laag ("kernplaat") en gestapeld om het magnetische circuit te vormen. Lamineren beperkt wervelstroomtrajecten en laat u dikte inruilen tegen verlies: dunnere laminering → kleinere wervelstroomlussen → lager wervelstroomverlies bij een bepaalde frequentie, maar hogere kosten en lagere verpakkingsefficiëntie.

Laminatiedikte / dikte ligt meestal tussen 0,18 en 0,50 mm voor stroomtoepassingen. Dunne diktes (0,18–0,23 mm) worden gebruikt voor hoogfrequente, verliesarme ontwerpen of amorfe legeringen; dikkere diktes (~0,35–0,50 mm) zijn goedkoper en acceptabel bij lage frequenties waar hysterese domineert. De juiste dikte heeft niet alleen te maken met verlies, maar legt ook beperkingen op aan ponsen en hanteren.

Kernplaat / interlaminaire isolatie is de dunne coating die op elke laminering wordt aangebracht om ze elektrisch gescheiden te houden. Deze coating heeft verschillende functies: het beperken van interlaminaire stromen, het weerstaan van ponsen, het weerstaan van gloeien (indien van toepassing), het weerstaan van vocht en corrosie, en het niet te veel stapelfactor opslokken. Aangetaste interlaminaire isolatie leidt direct tot lokale kortsluitingen door de stapel, hoger lokaal verlies, en kan worden gedetecteerd door gespecialiseerde flux-injectie- en piekstroomtests op gestapelde kernen.

Stapelfactor (ook wel laminatiefactor of ruimtefactor genoemd) is de verhouding tussen de effectieve ijzerlengte en de gemeten stapellengte. Met andere woorden, hoeveel van uw stapelhoogte bestaat uit staal en hoeveel uit coatings en luchtzakken. Typische waarden voor siliciumstalen kernen liggen rond 0,95-0,97; amorfe strip-kernen liggen dichter bij ~0,8 vanwege ruwe oppervlakken en coatings.

Ontwerpers gebruiken de stapelfactor op twee manieren. Ten eerste corrigeren ze de netto magnetische doorsnede die wordt gebruikt in FEA en handmatige berekeningen (B = Φ / A_eff, waarbij A_eff de stapelfactor omvat). Ten tweede geven ze deze terug aan leveranciers in tolerantiebesprekingen: als u een agressieve stapelfactor specificeert maar bramen, golvingen en dikke coatings toestaat, zal er iets niet kloppen.

Magnetische veroudering is de langdurige afwijking van kernverlies en permeabiliteit als gevolg van spanningsrelaxatie, oxidatie of onjuiste gloeien. Dit komt vaak tot uiting in een geleidelijke toename van W/kg gedurende jarenlang gebruik of na herhaalde thermische cycli. Het wordt zelden expliciet vermeld in machinespecificaties, maar elk staalgegevensblad dat melding maakt van "gegarandeerd verlies na veroudering" verwijst hier stilletjes naar.

Samenvatting: belangrijke hefbomen voor lamineren op verschillende machines

De onderstaande tabel geeft een overzicht van enkele veelgebruikte termen op het gebied van lamineren, zoals deze daadwerkelijk in gesprekken worden gebruikt. De vermelde numerieke bereiken zijn indicatief; leveranciers en normen vullen de exacte waarden in.

2. Geometrische termen: motoren en transformatoren

Stator, rotor, tanden, sleuven en achterijzer

In motoren is de stator kern is een ring van lamellen met tanden en sleuven. De rotorkern is een andere gelamineerde structuur die permanente magneten, kooiankers of saliency kan dragen. De laminering heeft vooral betrekking op de stator, waar de tandgeometrie, sleufopening, bruggen en dikte van het achterijzer in de plaat zijn geëtst.

Tanden zijn de uitsteeksels die de wikkelingen aan de zijkanten dragen. Hun breedte, tapsheid en puntgeometrie bepalen de fluxdichtheid in de tand en de verzadigingsmarge bij overbelasting. Slots zijn de holtes waarin de geleiders worden gehouden; hun vorm bepaalt de sleuflekkage, sleufharmonischen en mechanische beperkingen voor het inbrengen van de wikkeling. De sleufgeometrie regelt ook lokale spanningsconcentraties door ponsen; dat is van belang voor het modelleren van verliezen nabij randen.

De rugijzer (of statorjuk) is het ringgebied buiten de tanden dat het magnetische circuit sluit. De dikte ervan wordt bepaald op basis van fluxvereisten en stapelfactor, met behulp van standaard ontwerpverhoudingen. In veel leerboeken en ontwerprapporten ziet u algebra waarin de stapelfactor van de laminering expliciet de breedte van het achterijzer terugschaalt.

Limb, juk en kernvenster in transformatoren

In kernvormige transformatoren, ledematen (of poten) zijn de verticale kolommen van lamineringen die primaire en secundaire wikkelingen dragen. De jukken zijn de horizontale delen die de ledematen met elkaar verbinden en zorgen voor het retourpad. Samen vormen ze een gesloten magnetisch circuit.

De kernvenster is de opening die wordt begrensd door ledematen en jukken. Het bevat wikkelingen, isolatie, koelkanalen en klemconstructies. De hoogte, breedte en vrije ruimte ervan worden ingevoerd in de vensterruimtefactor en bepalen hoe ambitieus u kunt zijn met koperen doorsnede en isolatieniveaus.

Een interessante term die op alle machines wordt gebruikt, is luchtspleet. In motoren is de luchtspleet een ontwerpeigenschap tussen de stator en de rotor; in transformatorkernen zijn 'luchtspleten' vaker onvolkomenheden: voegspleten, verkeerde uitlijning of opzettelijke kleine spleten in speciale ontwerpen zoals inductoren met spleten. In beide gevallen komt het laminaatvocabulaire naar voren wanneer u het hebt over hoe nauwkeurig de stapel is bewerkt of geslepen.

3. Verlies van taal rond laminaties

Totaal kernverlies en specifiek verlies

Kernverlies of ijzerverlies is het vermogen dat wordt gedissipeerd in het magnetische materiaal wanneer het wordt blootgesteld aan een in de tijd variërende flux. Het wordt meestal gerapporteerd als specifiek verlies in W/kg bij een bepaalde inductie B (bijv. 1,0–1,7 T) en frequentie (50/60 Hz of hoger). Voor elektrisch staal splitsen moderne modellen dit op in hysterese, klassieke wervelstroom en overtollige componenten, zelfs wanneer de catalogus slechts één W/kg-waarde vermeldt.

Op een staalgegevensblad staan mogelijk verschillende testpunten vermeld (bijvoorbeeld bij 1,5 T, 50 Hz en 1,7 T, 50 Hz). Deze punten verbergen procesaannames: schone Epstein-strips, geen stansschade en ideale stapeling. Zodra lamellen zijn gestanst, gebogen en geklemd, nemen de gemeten verliezen op geassembleerde kernen meestal toe als gevolg van mechanische spanning en beschadigde randen.

Hysterese, wervelstroom en extra verlies

Hysteresisverlies wordt geassocieerd met het gebied van de B-H-hysteresislus. Bij elke cyclus gaat energie verloren door domeinwandbeweging en onomkeerbare magnetisatie. Eerstegraads ontwerpwijzigingen zoals materiaalkwaliteit, fluxdichtheid en gloeitoestand hebben hier een sterke invloed op. In transformatoren komt dit tot uiting door dichter bij verzadiging te werken of een staalsoort met een hogere coërciviteit te gebruiken.

Wervelstroomverlies ontstaat door circulerende stromen die binnen elke laminering worden opgewekt; deze zijn sterk afhankelijk van de dikte van de laminering en de werkfrequentie. Dunnere lamineringen en betere interlaminaire isolatie beperken deze stromen. Onjuiste stapeling (openingen, bramen, kortgesloten oppervlakken) kan het voordeel tenietdoen.

Overtollig verlies (soms 'afwijkend' verlies) staat voor extra frequentieafhankelijk verlies dat verder gaat dan het eenvoudige wervelstroommodel, gekoppeld aan microstructurele details en domeinwandkromming. Moderne materialen en modellen houden rekening met deze term, vooral bij hogere frequenties en complexe golfvormen.

Ontwerpteams noemen 'excessief verlies' misschien niet altijd expliciet, maar wanneer FEA-resultaten niet overeenkomen met gemeten verlies bij een hoger harmonisch gehalte, is dit de stille boosdoener.

Fluxdichtheid, kniepunt, verzadiging en magnetostrictie

Fluxdichtheid B in de kern wordt berekend op basis van uw nettoflux en effectief oppervlak; de stapelfactor past dat oppervlak aan. U kent de B-H-curve al, maar in laminaattermen hoort u vaak spreken over het 'kniepunt' of de 'kniefluxdichtheid' van de staalsoort. Dat is het punt op de magnetisatiecurve waar de incrementele permeabiliteit snel begint te dalen. Als u te dicht bij dit kniepunt werkt, neemt het hystereseverlies toe en worden golfvormen vervormd.

Verzadiging is de praktische bovengrens waarbij een toename van de magnetiserende kracht H weinig B toevoegt, maar veel verlies en verwarming veroorzaakt. In EI-transformatoren en kleine motoren houden ontwerpers de nominale werking vaak ruim onder de knie, maar transiënten en harmonischen duwen lokale gebieden hoger.

Magnetostrictie is de spanning die in het materiaal wordt opgewekt wanneer het wordt gemagnetiseerd. Het koppelt magnetisch ontwerp aan trillingen en hoorbaar geluid. Step-lap-verbindingen in transformatorkernen worden bijvoorbeeld niet alleen gebruikt om het nullastverlies te verminderen, maar ook om de magnetostrictieve spanningsconcentratie bij verbindingen te verminderen, waardoor het gezoem wordt verminderd.

4. Verbindingen, zaagsneden en stapelen

Butt-lap-, verstek- en stapverbinding

Transformatorlamellen kunnen op verschillende manieren worden samengevoegd:

A steekverbinding snijdt laminaten vierkant en legt ze tegen elkaar aan. Dit is eenvoudig te vervaardigen, maar laat relatief grote effectieve openingen en een hogere lokale fluxconcentratie achter.

A verstekvoeg snijdt laminaten onder een hoek (vaak 45°) zodat de flux geleidelijker over de verbinding loopt en dichter bij de walsrichting van korrelgeoriënteerd staal blijft. Dat vermindert het verlies en vermindert lokale verzadiging in vergelijking met stootverbindingen.

A stapverbinding gaat nog een stap verder. Laminaten worden in kleine stappen (vaak 3-5 lagen) op elkaar gelegd bij de verbinding, zodat de flux een geleidelijke overgang ziet in plaats van één scherpe overgang. Deze opstelling vermindert het kernverlies bij nullast aanzienlijk, verbetert de fluxverdeling door de verbinding en vermindert door magnetostrictie veroorzaakte trillingen en geluid.

De verklaring achter deze woorden gaat over wat u met uw belangrijkste leveranciers onderhandelt: complexere verbindingen betekenen meer snijbewegingen, meer stapelwerk en strengere uitlijningsvereisten, maar ze zorgen voor minder verlies en een stillere werking.

Pakketten, bramen en stapelkwaliteit

Wanneer laminaten worden gestapeld, worden ze vaak gegroepeerd in pakketten: kleine substapels die worden behandeld als eenheden in een grotere stap-lap of cirkelvormige constructie. Bij het ontwerp van pakketten wordt getracht elke stap een handig veelvoud van het aantal lamineringen te houden, zodat de assemblage herhaalbaar blijft.

Bramen zijn de opstaande randen die achterblijven na het ponsen of knippen. Zelfs kleine bramen zijn dubbel zo belangrijk. Mechanisch gezien beïnvloeden ze hoe strak de lamellen tegen elkaar aanliggen en dus ook de stapelfactor. Magnetisch gezien vormen ze ongewenste geleidende bruggen tussen de lamellen, waardoor de interlaminaire stromen toenemen en lokale velden worden vervormd.

Scheefheid in motoren is de lichte verdraaiing van de stator- of rotorlamineringstapel in de axiale richting. Dit wordt gebruikt om het coggingkoppel en de koppelrimpel te verminderen, ten koste van een complexere productie, gewijzigde sleuflekkage en soms een grotere koperen lengte. Wat laminering betreft, maakt scheefheid ook het ponsen van patronen en het stapelen van mallen ingewikkelder.

Stapeldruk, klemplaten en spanbouten dragen allemaal bij aan de uiteindelijke effectieve stapelfactor en de spanningsstatus van het staal. Als ze te los zitten, krijg je trillingen en gerammel, plus inconsistente verliezen. Als ze te strak zitten, veroorzaak je extra spanning, wat hystereseverlies bij de verbindingen en randen veroorzaakt.

5. Slot-, venster- en ruimtefactoren

Slotvullingsfactor en kopervullingsfactor

Slotvulfactor is de verhouding tussen het totale geleideroppervlak (meestal koper) en het fysieke oppervlak van de statorsleuf. In veel industriële machines zijn werkelijke waarden tussen ongeveer 0,4 en 0,6 gebruikelijk, afhankelijk van de vorm van de geleider, de dikte van de isolatie en de wikkelmethode.

Ontwerpers hebben het ook over koper vulfactor, wat soms specifiek verwijst naar de verhouding tussen het bloot metaaloppervlak en het sleufoppervlak (zonder rekening te houden met isolatie), en soms naar het totale oppervlak van de geleider plus isolatie. De exacte definitie is in de praktijk onduidelijk, dus bij ontwerpbeoordelingen is het handig om te verduidelijken welke definitie uw FEA of spreadsheet gebruikt.

De slotvullingsfactor overbrugt elektromagnetische en produceerbaarheidstaal. Een hoge streefwaarde kan er in thermische en koperverliesmodellen geweldig uitzien, maar kan onrealistisch zijn voor automatische invoeging of haarspeldbochttoleranties. Het is dus een getal waarover u onderhandelt tussen simulatie, wikkeltechniek en de afmetingen van de kernstapel.

Raamruimtefactor

In transformatoren, vensterruimtefactor is de verhouding tussen het oppervlak dat door geleiders wordt ingenomen en het totale raamoppervlak dat door wikkelingen kan worden ingenomen. Er moet niet alleen ruimte worden gelaten voor koper, maar ook voor isolatie, koelkanalen, interleaving-schema's en vrije ruimtes om te voldoen aan diëlektrische testniveaus.

De vensterruimtefactor hangt samen met het laminaatontwerp, omdat het veranderen van de breedte van de poten, de hoogte van het juk of de geometrie van de stap-overlap het beschikbare venster verschuift. Een kernwerkplaats kan een kleine wijziging in de afmetingen van de poten voorstellen om het stapelen te vergemakkelijken, en die wijziging heeft direct invloed op uw vensterfactor en wikkelingslay-out.

6. Productie- en kwaliteitsvoorwaarden met betrekking tot lamineringen

Ponsen, snijden en spanningsinvloeden

Ponsen en stempelen zijn nog steeds de meest gebruikte methoden voor het snijden van laminaten in massaproductie. Ze veroorzaken plastische vervorming nabij de snijranden, waardoor de coërciviteit en het verlies plaatselijk toenemen. De diepte van deze beschadigde zone en de mate waarin deze van belang is, hangt af van de scherpte, speling en het onderhoud van het gereedschap.

Lasersnijden en andere precisiesnijmethoden verminderen mechanische spanning, maar veroorzaken thermische effecten en kunnen de coatingconditie beïnvloeden. Voor prototypes of kleine productieseries worden vaak lasergesneden laminaten gebruikt, en het gemeten kernverlies verschilt vaak van dat van gestanste producten omdat de spanningsverdeling anders is.

Omdat mechanische belasting invloed heeft op de permeabiliteit en kernverlies, houden geavanceerde ijzerverliesmodellen voor interne permanente magneetmachines nu expliciet rekening met mechanische vervorming van stator- en rotorlamellen onder belasting en klemming. Dat is een heel verschil met de nette Epstein-striptests die cataloguswaarden genereren.

Ontspanningsgloeien is een warmtebehandeling die na het snijden/stapelen wordt toegepast om een deel van de oorspronkelijke magnetische eigenschappen te herstellen door spanning te verminderen. De exacte temperatuur en tijd zijn afhankelijk van het type coating en de kernassemblage; niet elk kernontwerp kan na assemblage worden gegloeid vanwege isolatie en mechanische beperkingen.

Interlaminaire isolatiefouten en kernonderzoek

Een interlaminaire isolatiefout is een korte of zwakke plek tussen lamellen waar de isolerende coating is beschadigd of verontreinigd. Deze defecten vormen paden met lage weerstand voor circulerende stromen tussen aangrenzende platen, waardoor het lokale verlies en het risico op hotspots toenemen.

Testmethoden zoals flux-injectiesondes en piekstroomtests kunnen dergelijke defecten in geassembleerde transformatorkernen opsporen door de kern te exciteren en responssignaturen te meten die wijzen op isolatiebreuk. Veldgerichte normen en reparatiewerkplaatsen gebruiken vaak watt-per-kilogram- of watt-per-pond-kernverliestests bij een gespecificeerde inductie, samen met een vermogensfactormaatstaf, om te beoordelen of een kern na reparatie of herwikkeling aanvaardbaar is.

Voor toepassingen met hoogfrequente gepulseerde magneten zijn aanvullende interlaminaire isolatieschema's voorgesteld om verliezen beheersbaar te houden in veel zwaardere golfvormen, waarmee wordt aangetoond hoe gevoelig laminaatstapels zijn voor isolatiedetails.

7. Specificaties lezen met deze woordenlijst in gedachten

Wanneer u nu een datasheet voor elektrisch staal opent, moeten de belangrijkste termen met betrekking tot laminering op een rijtje staan: kwaliteit, dikte, specifieke verliespunten en gegarandeerde stapelfactor. U weet dat deze cijfers zijn gebaseerd op ideale testomstandigheden en dat uw keuzes op het gebied van ponsen, stapeldruk en gloeien de doelstellingen zullen beïnvloeden.

Wanneer u naar een kerntekening kijkt, geven het type verbinding (stootverbinding, verstekverbinding, stapverbinding) en de pakketindeling aan waar fluxophopingen en magnetostrictie-hotspots zich zullen bevinden. In motoren zijn de geometrie van de tanden en het achterijzer, de gestapelde lengte en de sleufvullingsfactor rechtstreeks van invloed op het lamellenontwerp, het koppelrimpel, het verlies en de produceerbaarheid.

En wanneer de testresultaten binnenkomen – gemeten W/kg hoger dan verwacht, vermogensfactor afwijkend, temperatuurstijging iets boven het model – dan is het hier zaak om nauwkeurig te bespreken of het probleem ligt bij de staalsoort, de laminatiedikte, de door u veronderstelde stapelfactor, de isolatiekwaliteit tussen de platen, of de venster- en sleuffactoren die u te hoog hebt ingeschat.

Dat is precies het doel van deze woordenlijst: minder vage discussies, meer gerichte vragen en een gemeenschappelijke taal tussen elektromagnetisch ontwerp, productie en leveranciers wanneer het gaat om motorkernen en transformatorlamellen.