Электротехническая сталь и потери в сердечнике

Лабораторная работа № ___

Тема: Магнитные материалы в технологии электрических материалов

Цель: Изучить основные свойства, применение электротехнических материалов.

Краткие теоретические сведения

Явление намагничивания.

Наличие у вещества магнитных свойствпроявляется в изменении параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие е физические процессы в микроскопическом представлении связывают с возникновением в материале под воздействием магнитного полямагнитных моментов микротоков, объёмная плотность которых называется вектором намагниченности.

Возникновение намагниченности в веществепри помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментовциркулирующих в нём микротоковв направлении поля. Микротоки в веществе возникают благодаря движению электронов:

-спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, - спиновое и свободное движение электронов проводимости.

По наличию магнитных свойств материалы подразделяют на классы: парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты. Принадлежность материала к тому или иному классу определяется характером отклика магнитных моментов электронов на магнитное поле в условиях сильных взаимодействий электронов между собой в многоэлектронных атомах и кристаллических структурах.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабыми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков. Магнитная восприимчивость (отношение абсолютных значений векторов намагниченности и напряженности поля) у таких материалов положительная и может достигать нескольких десятков тысяч. У ферромагнетиков образуются домены – области самопроизвольной спонтанной однонаправленной намагниченности.

Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов.

При наложении внешнего магнитного поля с возрастающей напряженностью векторы спонтанной намагниченности, изначально ориентированные в разных доменах по-разному, постепенно выстраиваются в одном направлении. Этот процесс называется техническим намагничиванием. Он характеризуется кривой начального намагничивания - зависимостью индукции (В) или намагниченности (М) от напряженности результирующего магнитного поля в материале (Н).

Участок I. При относительно небольшой напряженности поля происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за увеличения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к плоскости, ортогональной вектору напряженности.

Участок II. Дальнейшее увеличение напряженности сопровождается процессами поворота векторов намагниченности доменов по полю до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению одинаковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов.

Участок III. Характер протекающих процессов близок к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентированных тепловым движением. С увеличением температуры дезориентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность вещества уменьшается.

Для конкретного ферромагнитного материала существует определенная температура, при которой ферромагнитное упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал становится парамагнитным. Эта температура носит название точки Кюри. Для железа точка Кюри соответствует 790 °С, для никеля – 340 °С, для кобальта – 1150 °С.

Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает материалу магнитные свойства: доменную структуру с нулевой результирующей намагниченностью, если при этом отсутствовало внешнее магнитное поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных материалов выше точки Кюри используют для их полного размагничивания.

Процессы намагничивания ферромагнитных материалов подразделяются на обратимые и необратимые по отношению к изменению магнитного поля. Если после снятия возмущения внешнего поля намагниченность материала возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый, в противном случае - необратимый.

Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I - зона Релея при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намагниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необратимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов – отставание изменений намагниченности от изменений магнитного поля.

Петля гистерезиса

Кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием циклически изменяющегося внешнего магнитного поля, называют петлей гистерезиса.

При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций параметров магнитного поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл результирующих параметров внутри материала в проекции на зафиксированное направление.

Если материал предварительно был полностью размагничен, то постепенное увеличение напряженности магнитного поля от нуля до Hs дает множество точек начальной кривой намагничивания (участок 0-1 на рисунке). Точка1 – точка технического насыщения (В_s,H_s).

Последующее снижение напряженности Н внутри материала до нуля (участок 1-2) позволяет определить предельное (максимальное) значение остаточной намагниченности B_r и дальнейшим уменьшением отрицательной напряженности поля добиться полного размагничивания B=0 (участок 2-3) в точке Н=-Н_сВ – максимальной коэрцитивной силы по намагниченности (Н_с – коэрцитивная сила – напряженность поля, которую необходимо приложить к образцу для его размагничивания).

Рисунок - магнитный гистерезис:

1 - кривая начального намагничивания; 2 - предельный гистерезисный цикл; 3 - кривая основного намагничивания; 4 - симметричные частные циклы; 5 - несимметричные частные циклы

Далее материал перемагничивается в отрицательном направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н=Hs. Изменение напряженности поля в положительную сторону замыкает предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.

Множество состояний материала внутри предельного гистерезисного цикла может быть достигнуто при изменении напряженности магнитного поля, соответствующем частным симметричным и несимметричным гистерезисным циклам.

Частные симметричные гистерезисные циклы опираются вершинами на кривую основного намагничивания, которая и определяется как множество точек вершин этих циклов до совпадения с предельным циклом.

Частные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если начальная точка не находится на кривой основного намагничивания при симметричном изменении напряженности поля, а также при несимметричном изменении напряженности поля в положительном или отрицательном направлении.

Электротехнические материалы

Электротехнические стали

В зависимости от значений коэрцитивной силы ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые.

Магнитомягкие материалы используются в магнитных системах как магнитопроводы. Эти материалы имеют малую коэрцитивную силу, высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения.

Магнитотвёрдые материалы имеют большую коэрцитивную силу и в предварительно намагниченном состоянии используются как постоянные магниты - первичные источники магнитного поля.

Существуют материалы, которые по магнитным свойствам относятся к антиферромагнетикам. У них оказывается энергетически более выгодным антипараллельное расположение спинов соседних атомов. Созданы антиферромагнетики, обладающие значительным собственным магнитным моментом из-за асимметрии кристаллической решётки. Такие материалы называются ферримагнетиками (ферритами). В отличие от металлических ферромагнитных материалов, ферриты - полупроводники и в них значительно меньшие потери энергии на вихревые токи в переменных магнитных полях.

Наибольшее применение в электротехнике получила листовая электротехническая сталь. Эта сталь является сплавом железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8 - 4,8%. Такие стали, в которые вводятся в малом количестве какие-либо вещества для улучшения их свойства, называются легированными. Кремний вводится в железо в виде ферросилиция (сплав сислицида железа FeSi с железом) и находится в нем в растворенном состоянии. Кремний реагирует с наиболее вредной (для магнитных свойств железа) примесью - кислородом, восстанавливая железо из его окислов FeO и образуя кремнезем SiО₂, который переходит частично в шлак. Кремний также способствует выделению углерода из соединения Fe₃C (цементит) с образованием графита. Таким образом, кремний устраняет химические соединения железа (FeO и Fe₃C), которые вызывают увеличение коэрцитивной силы и увеличивают потери на гистерезис. Кроме того, наличие кремния в железе в количестве 4 % и более увеличивает удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистым железом, в результате чего уменьшаются потери на вихревые токи.

Несмотря на то, что индукция насыщения B_s железа с увеличением кремния в незначительно повышается и достигает при 6,4% кремния большой величины (B_s =2800 Гс = 0,28 Тл), все же кремния вводят не более 4,8%. Увеличение содержания кремния более 4,8% приводит к тому, что стали приобретают повышенную хрупкость, т. е. механические свойства их ухудшаются.

Процесс производства листовой электротехнической стали

Выплавляется электротехническая сталь в мартеновских печах. Листы изготовляют прокаткой стального слитка в холодном или горячем состоянии. Поэтому различают холодно- и горячекатаную электротехническую сталь.

Железо имеет кубическую кристаллическую структуру, при этом намагничивание может быть неодинаково по различным направлениям этого куба. Наибольшим намагничиванием кристалл обладает в направлении ребра куба, меньшим - по диагонали грани и самым малым - по диагонали куба. Поэтому желательно, чтобы все кристаллики железа в листе выстроились в процессе прокатки в ряды по направлению ребер куба.

Это достигается повторными прокатками листов стали, с сильным обжатием (до 70%) и последующим отжигом в атмосфере водорода. Это способствует очищению стали от кислорода и углерода, а также укрупнению кристаллов и ориентировке их таким образом, чтобы ребра кристаллов совпадали с направлением прокатки. Такие стали называются текстурованными. У них магнитные свойства по направлению прокатки выше, чем у обычной горячекатаной стали.

Листы текстурованной стали изготовляются холодной прокаткой. Магнитная проницаемость их выше, а потери на гистерезис меньше, чем у горячекатаных листов. Кроме того, у холоднокатаной стали индукция в слабых магнитных полях возрастает сильнее, чем у горячекатаной, т. е. кривая намагничивания в слабых полях располагается значительно выше кривой горячекатаной стали. Следует, однако, отметить, что в результате ориентировки зерен текстурованной стали по направлению прокатки магнитная проницаемость по другим направлениям меньше, чем у горячекатаных. Так, при индукции В = 1,0 Тл в направлении прокатки магнитная проницаемость μ_M=50000, а в направлении перпендикулярно прокатке μ_M – 5500. В связи с этим при сборке Ш-образных сердечников трансформаторов применяют отдельные полосы стали, вырезанные вдоль прокатки, которые затем шихтуют так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением прокатки стали или составляло бы с ним угол 180°. На рисунке приведены кривые намагничивания электротехнических сталей ЭЗЗОА и Э41 для трех диапазонов напряженностей магнитного поля: 0-2,4, 0-24 и 0-240 А/см.

Кривые намагничивания электротехнических сталей:

а - сталь ЭЗЗОА (текстурированная), б - сталь Э41 (нетекстурированная)

Электротехническая листовая сталь обладает хорошими магнитными характеристиками - высокой индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Благодаря этим свойствам она широко используется в электротехнике для изготовления сердечников статоров и роторов электрических машин, сердечников силовых трансформаторов, трансформаторов тока и магнитопроводов различных электрических аппаратов.

Отечественная электротехническая сталь различается по содержанию в ней кремния, по способу изготовления листов, а также по магнитным и электрическим свойствам.

Буква «Э» в обозначении стали означает "электротехническая сталь", первая за буквой цифра (1, 2, 3 и 4) означает степень легирования стали кремнием, причем содержание кремния находится в следующих пределах в %:

- для слаболегированной стали (Э1) от 0,8 до 1,8;

- для среднелегированной стали (Э2) от 1,8 до 2,8;

- для повышеннолегированной стали (ЭЗ) от 2,8 до 3,8;

- для высоколегированной стали (Э4) от 3,8 до 4,8.

Средняя величина удельного электрического сопротивления электротехнической стали ρ тоже зависит от количества кремния. Оно тем выше, чем больше содержание кремния в стали:

- для стали Э1 ρ =0,25 Ом мм²/м,

- для Э2 ρ =0,40 Ом мм²/м,

- для ЭЗ ρ =0,5 Ом мм²/м,

- для Э4 ρ =0,6 Ом мм²/м.

Потери при перемагничивании (вт/кг) тем меньше, чем больше цифра, т. е. больше степень легирования стали кремнием. Нули после этих цифр означают, что сталь холоднокатаная текстурованная (0) и холоднокатаная малотекстурованная (00). Буква А указывает на особо низкие удельные потери при перемагничивании стали.

Электротехническая сталь выпускается в виде листов шириной от 240 до 1000 мм, длиной от 720 до 2000 мм и толщиной 0,1, 0,2, 0,35, 0,5 и 1,0 мм. Наибольшее применение имеют текстурованные стали, поскольку они обладают наибольшими значениями магнитных характеристик.

Электротехническая сталь является магнитно-мягким материалом, широко применяемым в электротехнических изделиях. В сталь вводят 0,8—4,8 % кремния, что резко повышает удельное электрическое сопротивление. В результате этого в электротехнической стали резко снижаются потери мощности от вихревых токов. Введение кремния снижает потери на гистерезис и увеличивает магнитную проницаемость в слабых и средних полях.

На рисунке - процесс изменения доменов при намагничивании ферромагнитного материала

Электротехническая сталь обладает малой коэрцитивной силой и имеет высокую магнитную проницаемость, что делает ее основным материалом, используемым для изготовления различных магнитопроводов в электрических машинах и аппаратах.

Электротехническую сталь изготовляют в виде листов толщиной 0,1—0,5 мм горячей или холодной прокатки. Эта сталь в зависимости от состава разделяется на ряд марок: 1111, 1112, 1311, 1411, 3411 и др.

Цифры марки обозначают:

- первая: класс по структурному состоянию и виду прокатки: 1 — горячекатаная изотропная; 2 — холоднокатаная изотропная; 3 — холоднокатаная анизотропная;

- вторая характеризует содержание кремния: 0 — до 0,4 %; 1 — от 0,4 до 0,8 %; 2 — от 0,8 до 1,8 %; 3 — от 1,8 до 2,8 %; 4 — от 2,8 до 3,8 %; 5 — от 3,8 до 4,8 %;

- третья: группа по основной нормируемой характеристике:

0 — удельные потери при магнитной индукции В = 1,7 Тл и частоте f = 50 Гц (р_1,7/50);

1 — удельные потери при В = 1,5 Тл и f= 50 Гц (p_1,5/50);

2 —удельные потери при В = 1,0 Тл и f = 400 Гц (p_1,0/400);

6 — магнитная индукция в слабых магнитных полях при В = 0,4 А/М (В_0,4);

7 — магнитная индукция в средних магнитных полях при В= 10 А/М (В_1,0).

- четвертая цифра указывает порядковый номер типа стали.

Различие горячекатаной и холоднокатаной сталей в значительной степени объясняется их кристаллической структурой. Крупнокристаллические материалы обладают большей магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой, чем мелкокристаллические. Механическая и термическая обработки позволяют, изменять размеры кристаллов, а следовательно, и магнитные свойства ферромагнитных материалов. При механической обработке и закалке стали в металле возникают внутренние напряжения, которые препятствуют при намагничивании свободной ориентации элементарных магнетиков в направлении поля. Это вызывает уменьшение магнитной проницаемости и увеличение коэрцитивной силы.

Путем повторной холодной прокатки стали и особой термической обработки (отжигом) изготовляют так называемую текстурованную сталь крупнокристаллического строения. В листе текстурованной стали 1 (рисунок б) отдельные кристаллы 2 расположены не беспорядочно, а имеют определенную пространственную ориентацию; ребрами куба они устанавливаются в направлении прокатки, вследствие чего направление прокатки совпадает с осью легкого намагничивания этой стали. Такая сталь называется анизотропной и при правильном ее использовании (если направление магнитного потока, проходящего через сердечник, составленный из стальных листов, совпадает с направлением их прокатки) имеет значительно большую магнитную проницаемость и меньшую коэрцитивную силу, чем нетекстурованная. Снижение толщины листа электротехнической стали благоприятно сказывается на снижении потерь от вихревых токов.

Отжиг стали (нагрев с последующим медленным остыванием), наоборот, вызывает уменьшение внутренних напряжений и возрастание размеров кристаллов. В результате повышается магнитная проницаемость и уменьшается коэрцитивная сила. При горячей прокатке электротехнической стали происходит лишь слабая ориентация зерен стали в направлении прокатки. Такая изотропная сталь имеет приблизительно одинаковые Магнитные свойства в различных направлениях.

На рисунке –

- направления легкого и трудного

намагничивания в кристалле ферромагнитного

материала (а) и их расположение

в холоднокатаной стали (б)

Из листовой электротехнической стали 1-го класса изготовляют магнитопроводы различных контакторов реле и регуляторов, из стали 2-го класса — сердечники роторов и статоров электрических машин переменного тока и якорей машин постоянного тока, из стали 3-го класса — магнитопроводы силовых трансформаторов и статоры крупных синхронных машин.

Для изготовления остовов электрических машин постоянного тока применяют стальное литье с содержанием углерода до 1 %. Отлитые из такой стали изделия подвергают медленному отжигу. Сварные детали электрических машин изготовляют из конструкционной углеродистой или слаболегированной стали. Из листов этой же стали выполняют главные полюсы машин постоянного тока.

Ответственные детали электрических машин — валы якорей и роторов, стяжные шпильки, пружины — изготовляют из стали с повышенными механическими свойствами — легированной, содержащей в своем составе хром, никель, вольфрам и молибден.

В некоторых электротехнических устройствах возникает необходимость применения немагнитных материалов и, в частности, немагнитных стали или чугуна. Из них выполняют, например, крышки, кожуха и крепежные детали силовых трансформаторов. Для получения такой стали и чугуна в их состав вводят значительные добавки никеля (20-25 % для стали и 9-12 % для чугуна), которые способствуют созданию особой кристаллической структуры, препятствующей образованию областей самопроизвольного намагничивания. Немагнитная сталь и чугун являются парамагнитными материалами. Относительная магнитная проницаемость их составляет 1,05-1,2.

Электротехническая сталь и потери в сердечнике

Из большого разнообразия электротехнических сталей, выпускаемых согласно ГОСТ 802-58, для производства силовых трансформаторов стандартной частоты применяют горячекатаную сталь марок Э41, Э42 и Э43 и холоднокатаную текстурованную сталь марок Э310, Э320, Э330 и Э330А. В обозначении марки стали буква «Э» означает "электротехническая", первая цифра указывает процент содержания кремния (4% у горячекатаной и 3% у холоднокатаной стали), вторая цифра характеризует качество стали в отношении удельных потерь (1 - нормальные, 2 - пониженные, 3 - низкие, 3А - особо низкие удельные потери), 0 - сталь холоднокатаная.

Электротехническая сталь выпускается в виде листов шириной от 240 до 1000 мм, длиной от 750 до 2000 мм и толщиной 0,1, 0,2, 0,35, 0,5 и 1,0 мм. По требованию заказчика холоднокатаная сталь поставляется в рулонах той же ширины, что и листы стали. Выпускаемая холоднокатаная текстурованная сталь обладает значительно большей анизотропией в отношении магнитной проницаемости и потерь вдоль и поперек прокатки, чем горячекатаная сталь. Холоднокатаная сталь после нарезки листов и штамповки должна быть отожжена для снятия наклепа. Это значительно улучшает ее электромагнитные свойства. При проверке свойств стали ГОСТ 802-58 рекомендует испытывать холоднокатаную сталь после отжига. Если же после нарезки листов они не были отожжены, то для сравнения с гарантированными значениями результат испытания в отношении потерь в стали должен быть уменьшен на 10%.

Характеристики стали перечисленных марок приведены в таблице:

Таблица 1 – Электромагнитные характеристики трансформаторных сталей

Для возможности вычисления потерь в стали при частотах, отличных от стандартной, а также при несинусоидальном напряжении, приложенном к зажимам трансформатора, полезно отдельно рассмотреть составляющие потерь в стали, а именно, потери на гистерезис и потери от вихревых токов.

Удельные потери в стали в Вт/кг при синусоидальной форме кривой приложенного напряжения и отсутствии размагничивающего действия вихревых токов в стали, т.е. при равномерном распределении индукции по поперечному сечению листа стали, могут быть вычислены по формуле Штейнмеца:

где f - частота приложенного напряжения; В_m - амплитуда магнитной индукции; t-толщина листа стали. Показатель степени n для современных сталей лежит в пределах 2-2,5. Коэффициенты k₁ и k₂ зависят от свойств стали и могут быть найдены опытным путем.

В формуле первое слагаемое представляет собой потери на гистерезис, а второе - потери от вихревых токов. Удельные потери на гистерезис пропорциональны площади гистерезисной петли.

Удельные потери от вихревых токов могут быть найдены путем расчета по формуле:

где k_f - коэффициент формы кривой, . γ и δ – электрическая проводимость и удельный вес стали; f - частота; В_m - амплитуда магнитной индукции в стали; t - толщина листа стали.

Известно, что полные удельные потери в стали, определенные опытным путем, больше суммы потерь на гистерезис и потерь па вихревые токи:

где р_д - добавочные потери, которые для различных марок электротехнической стали составляют от 10 до 50% полных потерь. Обычно считают, что добавочные потери в стали относятся к увеличенным потерям от вихревых токов, получающимся вследствие неравномерной намагниченности стали и появления нормальной составляющей намагниченности, не учитываемой формулой для р_ах.

Снижение полных потерь в стали достигается путем уменьшения вредных в магнитном отношении примесей и путем получения крупнозернистой структуры, а в холоднокатаной стали также за счет резко выраженной кристаллографической структуры. Поэтому уменьшение общих потерь в стали происходит за счет уменьшения потерь на гистерезис, причем потери на вихревые токи могут даже возрасти.

В таблице приведены значения удельных потерь для некоторых марок стали при индукции Вт = 1 Тл, полученные опытным путем:

Таблица 2 - Удельные потери на гистерезис и вихревые токи в трансформаторной стали

Электротехнические стали являются основным классом магнитно мягких материалов, используемых в машиностроении и трансформаторостроении. Широкое применение электротехнических сталей в этой области техники обусловлено высоким уровнем магнитных свойств и относительно низкой стоимостью по сравнению с другими магнитно мягкими материалами.

При непрерывном развитии техники, быстром увеличении производства электроэнергии значительно расширяется, область применения электротехнической стали. Сама технология производства электротехнической стали значительно изменилась. Рулонная холоднокатаная текстурованная и нетекстурованная доминирует над листовой горячекатаной сталью. Созданы и проектируются новые марки стали с улучшенными магнитными свойствами.

1.3.3 Ферриты

Ферриты (оксиферы) — химические соединения оксида железа Fe₂О₃ с оксидами других металлов, обладающие уникальными магнитными (ферримагнетики) свойствами, сочетающие высокую намагниченность и полупроводниковые или диэлектрические свойства, благодаря чему они получили широкое применение как магнитные материалы в радиотехнике, радиоэлектронике, вычислительной технике.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 4171; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!