Fel “calon” trawsnewidydd, mae’r craidd haearn yn chwarae rhan hanfodol mewn trosi ynni electromagnetig. Nid yn unig y mae’n effeithio ar berfformiad effeithlonrwydd ynni trawsnewidyddion, ond mae hefyd yn ymwneud yn uniongyrchol â chyfaint, pwysau a dibynadwyedd gweithredol offer. Mae esblygiad deunyddiau craidd haearn, o haearn pur diwydiannol i aloion amorffaidd heddiw, wedi gweld datblygiad gogoneddus technoleg trawsnewidyddion.
Swyddogaeth graidd a gofynion perfformiad craidd haearn
Prif swyddogaeth craidd y trawsnewidydd yw darparu cylched magnetig effeithlon, gan ganiatáu i ynni trydanol gael ei drosglwyddo rhwng gwahanol gylchedau trwy egwyddor anwythiad electromagnetig. Mae perfformiad y craidd haearn yn effeithio'n uniongyrchol ar ddangosyddion technegol ac economaidd y trawsnewidydd. Y gofynion sylfaenol ar gyfer deunyddiau craidd haearn yw: colled craidd haearn isel ar amledd a dwysedd fflwcs magnetig penodol, a dwysedd fflwcs magnetig uchel ar gryfder maes magnetig penodol.
Mae'r golled craidd yn cynnwys dwy ran: colled hysteresis a cholled cerrynt troelli. Mae colled hysteresis yn gysylltiedig ag anhawster magneteiddio deunydd, tra bod colled cerrynt troelli yn cael ei hachosi gan y cerrynt cylchredol a achosir gan fflwcs magnetig eiledol yn y craidd haearn. Er mwyn lleihau'r colledion hyn, dylai deunyddiau craidd haearn delfrydol fod â gwrthiant trydanol uchel, athreiddedd magnetig uchel, a gorfodaeth isel.
Y broses esblygiad o ddeunyddiau craidd haearn
Mae datblygiad deunyddiau craidd trawsnewidyddion wedi mynd trwy daith hir a chyffrous. Defnyddiodd y creiddiau trawsnewidyddion cynharaf wifren ddur carbon gyffredin neu ddur carbon fel deunyddiau magnetig. Ym 1885, datblygodd ffatri Gunz yn Hwngari y trawsnewidydd un cam cyntaf gyda chylched magnetig gaeedig, a gwnaed ei graidd haearn o'r math hwn o ddeunydd.
Ym 1900, canfu RA Hadfield, Sais, ac eraill y gall ychwanegu silicon at ddur ysgafn wella gwrthiant, lleihau colledion cerrynt troelli a hysteresis, a lleddfu ffenomen "heneiddio craidd". Ym 1903, dechreuodd yr Unol Daleithiau a'r Almaen gynhyrchu dalennau dur silicon wedi'u rholio'n boeth, gan nodi dechrau oes dalennau dur silicon.
Mae gan ddalennau dur silicon wedi'u rholio'n boeth broblemau fel perfformiad anwastad a chollfeydd uchel. Yn y 1930au, gwnaed datblygiadau arloesol yn nhechnoleg dalennau dur silicon wedi'u rholio'n oer. Ym 1933, defnyddiodd Gauss ddau ddull rholio oer ac anelio i gynhyrchu dur 3% Si gyda phriodweddau magnetig uchel ar hyd y cyfeiriad rholio. Ym 1935, cydweithiodd Cwmni Dur Armco o'r Unol Daleithiau â Chwmni Westinghouse i ddechrau cynhyrchu dur silicon wedi'i rolio'n oer.
Ar ôl y 1960au, fe wnaeth gwledydd diwydiannol mawr roi'r gorau i gynhyrchu dalennau dur silicon wedi'u rholio'n boeth yn raddol a throi at ddalennau dur silicon wedi'u rholio'n oer gyda pherfformiad gwell. Ym 1964, datblygodd Nippon Steel Corporation o Japan ddalennau dur silicon wedi'u rholio'n oer wedi'u hanelu at grawn athreiddedd uchel (dur Hi-B), gan leihau ymhellach golledion dim llwyth trawsnewidyddion.
Yn y 1970au, gwnaeth deunyddiau aloi amorffaidd eu hymddangosiad cyntaf ar y llwyfan hanesyddol. Ym 1974, datblygodd United Microelectronics Corporation aloion amorffaidd wedi'u seilio ar haearn, ac ym 1978, datblygodd yr Unol Daleithiau drawsnewidyddion craidd haearn amorffaidd 10KVA. Mae gan y math newydd hwn o ddeunydd y nodwedd o golled haearn isel iawn, dim ond 1/3-1/5 o ddalennau dur silicon traddodiadol, gan agor oes newydd o arbed ynni ar gyfer trawsnewidyddion.
Prif fathau a nodweddion deunyddiau craidd haearn
dalen ddur silicon
Mae dalen ddur silicon yn aloi magnetig meddal o haearn silicon gyda chynnwys carbon isel iawn, yn gyffredinol gyda chynnwys silicon o 0.5-4.5%. Gall ychwanegu silicon gynyddu'r gwrthiant trydanol a'r athreiddedd magnetig mwyaf mewn haearn, lleihau gorfodaeth, colli craidd, a heneiddio magnetig. Gellir rhannu dalennau dur silicon yn ddau gategori: wedi'u rholio'n boeth a'u rholio'n oer, gyda'r rhai wedi'u rholio'n oer yn cael eu rhannu ymhellach yn fathau wedi'u cyfeirio a rhai heb eu cyfeirio.
Mae dalen ddur silicon heb ei chyfeirio wedi'i rholio'n oer yn cyfeirio at aloi o 0.5% ~ 4.0% (Si + Al), sy'n cael ei rolio'n oer i 0.65mm, 0.5mm, a 0.35mm ac yna'n cael ei anelio a'i orchuddio i'w wneud. Mae ei fath gwead grawn yn gymharol wasgaredig, ac mae ganddo briodweddau magnetig cymharol unffurf ym mhob cyfeiriad.
Mae gan ddur silicon wedi'i gyfeirio nodweddion athreiddedd magnetig uchel a cholled isel yn y cyfeiriad hawdd ei fagneteiddio, sy'n bodloni gofynion dargludedd magnetig offer pŵer statig fel trawsnewidyddion. Mae ongl gwyriad cyfeiriadedd grawn cyfartalog dur silicon wedi'i gyfeirio cyffredin (CGO) tua 7 °, ac mae'r gwerth sensitifrwydd magnetig dirlawnder B8 yn uwch na 1.82 Tesla; Mae ongl gwyriad cyfeiriadedd grawn cyfartalog dur silicon wedi'i gyfeirio cyfeiriadedd magnetig uchel (Hi-B) tua 3 °, ac mae'r gwerth B8 yn uwch na 1.90 Tesla.
aloi amorffaidd
Mae aloi amorffaidd yn ddeunydd swyddogaethol metelaidd gydag atomau wedi'u dosbarthu ar hap yn y matrics deunydd, sydd â chyfansoddiad "gwydr". Mae aloi amorffaidd nodweddiadol yn cynnwys 80% o haearn, gyda'r cydrannau sy'n weddill yn boron a silicon. Mae gan y deunydd hwn nodweddion cryfder anwythiad magnetig dirlawnder uchel (1.54T), athreiddedd magnetig uchel, cerrynt cyffroi isel, a cholled haearn hynod o isel.
Dim ond traean i un rhan o bump o golled haearn aloion amorffaidd sy'n seiliedig ar haearn yw colled haearn dalennau dur silicon wedi'u cyfeirio, sy'n lleihau colled dim llwyth trawsnewidyddion aloi amorffaidd 70% i 80% o'i gymharu â thrawsnewidyddion dur silicon traddodiadol. Mae dwysedd fflwcs magnetig dirlawnder aloion amorffaidd yn gymharol isel (tua 1.5T), felly dewisir y dwysedd fflwcs magnetig graddedig yn gyffredinol fel 1.3-1.4T.
Mae trwch y stribed aloi amorffaidd yn denau iawn, dim ond 0.03mm, gan arwain at gyfernod lamineiddio o tua 80% yn unig ar gyfer y craidd haearn amorffaidd. Er bod gan aloion amorffaidd ddisgyrsedd penodol is na thaflenni dur silicon, mae pwysau'r craidd haearn yn dal yn gymharol drwm.
Dyluniad strwythur craidd
Mae dyluniad strwythur craidd y trawsnewidydd hefyd wedi esblygu'n sylweddol. O'r craidd haearn laminedig cynharaf, i'r craidd haearn siâp C, ac yna i'r craidd haearn siâp cylch (craidd haearn coiliog), mae gan bob strwythur ei nodweddion a'i fanteision ei hun.
Gwneir y craidd haearn crwn trwy weindio stribedi dur silicon, fel gwanwyn cloc wedi'i weindio'n dynn. Mae gan y math hwn o graidd haearn gylched magnetig barhaus heb fylchau aer, gan arwain at wrthwynebiad magnetig isel ac effeithlonrwydd uchel. O'i gymharu â thrawsnewidyddion laminedig o'r un capasiti, mae gan drawsnewidyddion toroidaidd fanteision maint bach, pwysau ysgafn, a gollyngiad magnetig isel.
Ar gyfer trawsnewidyddion aloi amorffaidd, oherwydd yr anhawster o dorri eu deunyddiau, maent fel arfer wedi'u cynllunio fel strwythurau craidd haearn coiliog. Strwythur craidd trawsnewidydd un cam yw ffrâm, tra bod strwythur craidd trawsnewidydd tair cam yn cael ei ffurfio trwy uno pedair ffrâm i mewn i strwythur tebyg i strwythur tair cam pum colofn. Mae'r strwythur hwn yn galluogi pob dirwyniad cam i gael ei osod ar ddau ffrâm annibynnol o'r gylched magnetig, gan ddileu dylanwad y trydydd fflwcs magnetig harmonig yn effeithiol.
Proses weithgynhyrchu deunydd craidd haearn
Mae'r broses weithgynhyrchu ar gyfer dalennau dur silicon yn gymhleth, yn enwedig dalennau dur silicon wedi'u cyfeirio. Mae ei broses gynhyrchu yn gymhleth, mae'r ffenestr broses yn gul, ac mae'r anhawster cynhyrchu yn uchel. Fe'i gelwir yn "gwaith llaw cynhyrchion dur".
Mae'r broses weithgynhyrchu ar gyfer dalennau dur silicon heb eu cyfeirio wedi'u rholio'n oer fel arfer yn cynnwys: biledau dur rholio poeth neu filedau castio parhaus yn goiliau gyda thrwch o tua 2.3mm, ac yna golchi asid, rholio oer, anelio, a phrosesau gorchuddio ffilm inswleiddio. Ar gyfer cynhyrchion silicon uchel, mae angen eu normaleiddio yn gyntaf ar 800-850 ℃ ar ôl rholio poeth, ac yna golchi asid, rholio oer i drwch penodol, anelio, yna rholio oer ar gyfradd lleihau isel, ac yn olaf anelio terfynol.
Y dull mwyaf cyffredin ar gyfer cynhyrchu aloion amorffaidd yw chwistrellu anwedd metel tawdd ar ffrâm weindio copr sy'n cylchdroi cyflym, ac mae'r metel tawdd yn cael ei oeri a'i solidoli'n asennau tenau ar gyfradd o 106 ℃/s. Rhaid lleihau'r straen mewnol uchel a ffurfir gan ddiffodd trwy anelio rhwng 200 ℃ a 280 ℃ i gael priodweddau magnetig da.
Manteision arbed ynni deunyddiau craidd haearn
Mae trawsnewidyddion yn niferus ac mae ganddynt gapasiti mawr yn y system bŵer, gan arwain at golledion cyfanswm sylweddol. Amcangyfrifir bod cyfanswm colled trawsnewidyddion yn Tsieina yn cyfrif am tua 10% o gynhyrchu pŵer y system. Gall pob gostyngiad o 1% mewn colledion arbed biliynau o gilowat awr o drydan yn flynyddol.
Mae gan drawsnewidyddion craidd haearn aloi amorffaidd effeithiau arbed ynni sylweddol. Mae'r golled dim llwyth mewn trawsnewidyddion craidd aloi amorffaidd cyfres SH12 wedi'i lleihau tua 75% o'i gymharu â thrawsnewidyddion dur silicon cyfres S9. Er bod trawsnewidyddion aloi amorffaidd yn ddrytach na thrawsnewidyddion traddodiadol, mae eu costau gweithredu yn isel iawn, ac mae'r cyfnod ad-dalu buddsoddiad fel arfer rhwng 2-5 mlynedd.
Mae rhanbarthau sydd wedi datblygu'n economaidd a gynrychiolir gan daleithiau Shanghai, Jiangsu, a Zhejiang wedi mabwysiadu trawsnewidyddion aloi amorffaidd ar raddfa fawr. Mae Cwmni Pŵer Trydan Jiangsu hyd yn oed yn bwriadu gosod llinellau newydd ac wedi'u hadnewyddu yn y dyfodol, a ni ddylai'r defnydd o drawsnewidyddion aloi amorffaidd fod yn llai na 30%.
Y duedd datblygu o ddeunyddiau craidd haearn
Mae deunyddiau craidd haearn yn datblygu tuag at golled haearn isel ac anwythiad magnetig uchel. Ar gyfer dalennau dur silicon, gan gynnwys dur silicon heb ei gyfeirio ar gyfer moduron effeithlonrwydd uchel colli haearn isel, dur silicon manyleb denau colli haearn isel iawn anwythiad magnetig uchel, a dur silicon uchel ar gyfer offer trydanol sy'n arbed ynni amledd canolig ac uchel.
Mae gan ddur silicon uchel (aloi Si Fe gyda 4.5% ~ 6.7% Si) nodweddion colli haearn yn sylweddol is ar amleddau uchel, athreiddedd magnetig uchaf uchel, a gorfodaeth isel. Ond mae ei gynnwys Si yn rhy uchel, ac mae ei blastigedd yn wael iawn ar dymheredd ystafell, gan ei gwneud hi'n anodd ei rolio a'i ffurfio. Ar hyn o bryd, mae deunyddiau aloi Si Fe 6.5% heb gyfeiriadedd yn cael eu paratoi'n bennaf trwy broses ymdreiddio silicon.
Mae deunyddiau wedi'u haddasu nano a deunyddiau bio-seiliedig hefyd yn un o gyfeiriadau datblygu'r dyfodol. Gyda'r galw cynyddol am ddiogelu'r amgylchedd, bydd datblygu deunyddiau craidd haearn nad ydynt yn wenwynig, bioddiraddadwy, neu ailgylchadwy yn dod yn gyfeiriad ymchwil pwysig.
Casgliad
Mae esblygiad deunyddiau craidd trawsnewidyddion wedi gweld y cyfuniad perffaith o wyddoniaeth deunyddiau a pheirianneg drydanol. O ddur carbon cyffredin i ddalennau dur silicon, ac yna i aloion amorffaidd, mae pob datblygiad deunydd wedi gwella lefel effeithlonrwydd ynni trawsnewidyddion yn sylweddol.
Yn y byd heddiw lle mae cadwraeth ynni a lleihau allyriadau wedi dod yn gonsensws byd-eang, nid yn unig y mae dewis deunyddiau craidd haearn effeithlon yn gysylltiedig â manteision economaidd, ond hefyd â chyfrifoldeb amgylcheddol. Yn y dyfodol, gyda dyfodiad parhaus deunyddiau a phrosesau newydd, bydd creiddiau trawsnewidyddion yn parhau i ddatblygu tuag at golledion is ac effeithlonrwydd uwch, gan gyfrannu at adeiladu system ynni werdd a charbon isel.
Amser postio: Awst-29-2025
