Applicazione e tecnologia di produzione dell'acciaio al silicio-non orientato ad alta resistenza

Cos'è l'acciaio al silicio-non orientato ad alta resistenza?

L'acciaio al silicio-non{1}orientato ad alta resistenza è un acciaio elettrico laminato piatto-in cui il carico di snervamento meccanico è deliberatamente aumentato al di sopra del livello del materiale standard per motori-, mentre le proprietà magnetiche necessarie per le macchine rotanti vengono preservate. Il materiale viene utilizzato per i nuclei dello statore e del rotore di motori elettrici, generatori e altri dispositivi elettromagnetici, dove i lamierini devono resistere alle sollecitazioni meccaniche e condurre il flusso magnetico. Nei motori di trazione dei veicoli elettrici, il rotore gira a velocità fino a 15.000 giri al minuto o superiori e la forza centrifuga che agisce sul nucleo del rotore aumenta con il quadrato della velocità, quindi un nucleo a bassa resistenza si deformerebbe o si romperebbe.

Perché la robustezza è importante nei motori di azionamento

In un motore di trazione ad alta-velocità, i lamierini del rotore sono tenuti insieme dall'albero e dal bilanciamento del gruppo. La sollecitazione centrifuga sul bordo del rotore è proporzionale alla densità del materiale, al quadrato della velocità di rotazione e al raggio del rotore. Quando il carico di snervamento della laminazione è insufficiente, il rotore si deforma, il traferro diventa irregolare e il motore sviluppa vibrazioni, rumore e perdite aggiuntive. Le qualità ad alta resistenza-non{5}}orientate risolvono questo problema fornendo un carico di snervamento tipicamente compreso tra 400 MPa e 700 MPa, a seconda della qualità, senza sacrificare la bassa perdita di ferro che mantiene efficiente il motore.

Progettazione delle leghe e meccanismi di rinforzo

Il nucleo magnetico di un motore di azionamento deve combinare una bassa perdita di ferro ad alta frequenza con una resistenza meccanica sufficiente. Il progetto utilizza diversi meccanismi insieme: rafforzamento della soluzione solida tramite silicio e manganese, rafforzamento tramite precipitazione tramite particelle finemente disperse e, in alcuni gradi, aggiunte di fosforo o niobio che aumentano la resistenza con un effetto limitato sulle proprietà magnetiche. Il contenuto di silicio è bilanciato rispetto alla resistività, poiché una maggiore quantità di silicio migliora la resistività e riduce la perdita di correnti parassite, ma riduce la densità del flusso di saturazione e rende il nastro più difficile da laminare a freddo. Le proprietà magnetiche finali sono controllate dal ciclo di ricottura, che determina la dimensione del grano e la struttura cristallografica del nastro finito.

Tecnologia di produzione

Laminazione a caldo e laminazione a freddo

L'acciaio viene prodotto come bramma colata in continuo, laminata a caldo fino ad uno spessore intermedio e poi laminata a freddo in più passaggi fino allo spessore finale, tipicamente da 0,20 mm a 0,50 mm per le applicazioni motoristiche. La riduzione della laminazione a freddo e le fasi intermedie di ricottura determinano il comportamento di ricristallizzazione del prodotto finale.

Ricottura finale

La ricottura finale viene eseguita in un forno continuo in atmosfera controllata, generalmente una miscela di idrogeno-azoto. La temperatura di ricottura e la velocità del nastro determinano la dimensione del grano: un grano più grande comporta una minore perdita di isteresi, mentre i requisiti di resistenza meccanica limitano la crescita consentita del grano. I moderni forni controllano precisamente la temperatura del nastro e l'atmosfera in modo che la perdita di ferro e il carico di snervamento della bobina rimangano uniformi dalla testa alla coda.

Rivestimento isolante

Un sottile rivestimento inorganico o semi-organico viene applicato su entrambe le superfici della striscia. Il rivestimento fornisce l'isolamento interlaminare del nucleo impilato, resiste alla temperatura di ricottura e deve sopravvivere alle operazioni di stampaggio e impilamento senza danni. La qualità del rivestimento influisce direttamente sul fattore di impilamento e sulla perdita di correnti parassite del nucleo finito.

Applicazioni tipiche

Motori di trazione di veicoli elettrici e veicoli ibridi, dove il rotore necessita di elevata resistenza ad alta velocità di rotazione

Nuclei dello statore e del rotore di motori industriali-ad alta efficienza

Rotori di generatori ad alta-velocità e microturbine a gas

Mandrini e compressori ad alta-velocità azionati da motori a magneti permanenti

In tutte queste applicazioni la scelta del grado è un compromesso: un grado di resistenza più elevato comporta maggiori sollecitazioni ma solitamente ha una perdita di ferro leggermente superiore, quindi il progettista del motore seleziona il grado che soddisfa il limite meccanico del rotore con la minore perdita possibile.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra l'acciaio al silicio ad alta-resistenza e quello standard al silicio non{1}orientato?

I gradi ad alta-resistenza vengono lavorati con elementi di rinforzo aggiuntivi e un ciclo di ricottura controllato in modo che il limite di snervamento venga aumentato a 400 MPa o più, mentre i gradi standard danno priorità alla minima perdita di ferro rispetto alla resistenza meccanica.

Perché il nucleo del rotore necessita di elevata resistenza?

La forza centrifuga sul rotore cresce con il quadrato della velocità di rotazione. Alle velocità raggiunte dai motori di trazione, un nucleo a bassa-resistenza si deformerebbe e il motore svilupperebbe vibrazioni, rumore e attrazione magnetica sbilanciata.

Come viene misurata la perdita di ferro dell'acciaio del motore?

La perdita di ferro viene misurata con un telaio Epstein o un tester a foglio singolo- secondo i metodi della norma IEC 60404-2 o GB/T 3655, alla frequenza e alla densità di flusso di picco specificate, in genere 1,5 T e 50 Hz o 400 Hz per i tipi di motori.

Una maggiore forza significa sempre una maggiore perdita di ferro?

Generalmente sì, perché gli elementi rinforzanti e la struttura a grana più fine che aumentano il carico di snervamento aumentano anche la perdita per isteresi. Lo sviluppo del grado mira ad aumentare la resistenza con la minima penalità possibile nelle prestazioni magnetiche.

Quale spessore viene utilizzato per l'acciaio dei motori dei veicoli elettrici?

Spessori sottili da 0,20 mm a 0,35 mm sono tipici per i motori di trazione. La striscia più sottile riduce la perdita di correnti parassite alle alte frequenze elettriche utilizzate dal motore alimentato dall'inverter-, al costo di un fattore di impilamento inferiore e di un costo di produzione più elevato.

Perché è importante il rivestimento isolante?

Il rivestimento isola i lamierini gli uni dagli altri, limitando le correnti parassite che scorrono attraverso lo stack. Deve sopravvivere alla ricottura, allo stampaggio e all'impilamento e contribuisce al fattore di impilamento dell'anima finita.