Материалы с высокой индукцией насыщения

К этим материалам прежде всего относят железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Благодаря большой магнитной индукции (Bs  2,15 Тл), малой коэрцитивной силе (Нс ), достаточно высокой магнитной проницаемости ( max =  103) и хорошей технологичности их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от 102 до  104 А/м.

Таблица. 9.1. Магнитные свойства железа
 

Магнитные свойства железа приведены в табл. 9.1. наибольшее количество примесей содержит техническое железо. При содержании 0,02 - 0,04%С и остальных примесей в количестве 0,6% железо обладает достаточно хорошими магнитными свойствами: Нс  и

max = 7,2 103. В процессе изготовления проката в нем возникают остаточные напряжения, а в решетке – большое количество дислокаций, что ухудшает магнитные свойства железа. Отжиг в вакууме или водороде устраняет дефекты и напряжения.

Существенное улучшение магнитных свойств можно получить после очистки железа от углерода и примесей электролизом. Такое железо, особенно переплавленное в вакууме, имеет более высокую магнитную проницаемост, которая почти на порядок выше, чем в технически чистом железе. В той же степени снижается Нс.

Наиболее чистое железо от углерода и примесей карбонильное железо получают термическим разложением в вакууме карбонила Fe ( CO )5 с последующим спеканием порошка железа.

Таблица. 9.2.  Магнитные свойства нелегированной электротехнической тонколистовой стали (ГОСТ 3836-83)
Карбонильное и электротехнические стали из-за сложной технологии используют только в изделиях небольших размеров. Нелегированные электротехнические стали изготавливают теми же металлургическими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей в них допускается в тех же количествах. Электротехнические стали поставляют с гарантированными магнитными свойствами для электртехнической промышленности.

 

 

Промышленность выпускает стали различного сортамента, в том числе тонкий лист (табл. 9.2).

Первая цифра в марке стали указывает способ изготвления: 1 – горячекатаная сталь; 2 – холоднокатаная изотропная; вторая – тип по содержанию кремния (0 – ; третья – определяет основное свойство, которое гарантирует завод-изготовитель, например, цифра 8 обозначает коэрцитивную силу, а две последние цифры – значение Нс (в А/м).

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако назкое удельное электрическое сопротивление (   0,1 мкОм ) увеличивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Электрическое сопротивление стали можно повысить легирование недефицитным кремнием. Растворяясь в железе, он образует легированный твердый раствор. Один процент кремния повышает удельное электросопротивление на 0,12 мкОм . при отжиге кремний способствует росту кристаллов и тем самым несколько уменьшает Нс.

Снижение общих потерь при перемагничивании кремнистой стали определяется главным образом увеличением удельного электросопротивления стали, которое продолжает повышаться с увеличением содержания кремния в стали но при этом сильно падает пластичность. Стали с содержанием кремния выше 4% хрупки плохо прокатываются, что затрудняет получение тонколистового проката. Для уменьшения тепловых потерь сердечники из кремнистой стали используют в виде тонких (

Магнитные свойства легированной электротехнической стали приведены в табл. 9.3.

Таблица. 9.3.  Магнитные свойства легированной электротехнической тонколистовой стали (ГОСТ 21427-75)  

 

 


Первая цифра в марке определяет вид проката и структуру: 1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная с кристаллографической текстурой направления [100]; вторая – процентное содержание Si: 0 –  0,4%, 1 – 0,4 – 0,8%, 2 – 0,8 – 1,8%, 3 -  1,8 – 2,8%, 4 - , 5 – 3, 8% - 4,8%; третья – потери на гистерезис и тепловые потери при определенном значении B и f (например, 1 – удельные потери при B = 1,5Тл и f  50 Гц (р1,5/50)); четвертая – тип стали и уровень основной нормируемой характеристики: 1 – нормальный; 2 повышенный; 3 – высокий и т.д.

Стальную продукцию изготовляют с защищенной и незащищенной покрытиями поверхностью. Термостойкие покрытия обозначают буквой Т, нетермостойкие – буквой Н. Дополнительно ставится буква Ш, если сталь улучшенной штампуемости. В состоянии поставки стальная продукция разделяется на отожженную и неотожженную (полуготовую). Детали магнитных систем из полуготовой стали отжигают после штамповки и вырубки, при этом снимается кравой наклеп и магнитные характеристики улучшаются. Основную массу продукции (~95%) составляет тонколистовая сталь, используемая при промышленной частоте 50 Гц. Доля тончайшей (0,05 – 0,15 мм) анизотропной стали составляет 1%.

Качество ээлектротехнических сталей характеризуется не только магнитными и механическими свойствами, но также точностью листов, лент и свойствами электроизоляционных покрытий.

Согласно ГОСТ 12119.0-98 магнитные свойства сталей характеризуются потерями на перемагничивание, магнитной индукцией при определенной напряженности магнитного поля, коэрцитивной силой, анизотропией (для холоднокатаной изотропной стали) и допустимым их изменением в процессе эксплуатации (из-за старения).

Для изделий, работающих на частоте 50 Гц, общие потери измеряют при значениях магнитной индукции 1,0; 1,5 и 1,7 Тл. Магнитные потери сталей для высокочастотной аппаратуры определяют при повышенных частотах (10 кГц) изаданных значениях магнитной индукции. Как следует из табл. 9.3, с повышением содержания кремния потери при частоте 50 Гц и магнитная индукция уменьшаются. Потери при частотах 400 и 1000 Гц у тончайшей (0,05 – 0,15 мм) анизотропной стали, содержащей 2,2 – 3,8% Si, почти в 10 раз больше, чем при частоте 50 Гц. Для вращающихся магнитопроводов электродвигателей, генераторов и других машин анизотропия стали является причиной дополнительных потерь. Для изотропных сталей допустимую анизотропию свойств оценивают разностью значений В2500, определенных вдоль и поперек направления прокаткки при Н = 2500 А/м.

При эксплуатации магнитопроводы нагреваются и потери возрастают из-за прохождения процесса старения. Коэффициент старения

Кст х100%,

где p1 и p2 – удельные потери до и после старения материала соответственно, Вт/кг. Для изотропных сталей Кст = 4…8%, для анизотропных – 2 – 4%. Чем больше кремния содержит сталь, тем медленнее развивается старение.

Коэффициент заполнения k характеризует плотность сборки магнитопровода. Увеличение его значения на 1% равноценно уменьшению потерь на 2 – 3% и повышению магнитной индукции на 1 – 2%. Коэффициент заполнения k = m /( Vγ ), где m – масса образца магнитопровода, кг; V–объем образца после спрессовывания под давлением 0,35 МПа, м3; γ плотность стали, т/ м3.

Как правило, k = 92…97%, меньшие значения установлены для изотропной стали с покрытиями, большие – для анизотропной стали без покрытий.

Отклонения от плоскостности и заданной толщины, а также дефекты поверхности листов уменьшают коэффициент заполнения и снижают точность сборки и качество магнитопроводов. Повышение силы сжатия при сборке создает напряжения в материале магнитопровода и увеличивает потери. Поэтому установлены нормы на отклонение от плоскостности, толщину листа и размеры поверхностных дефектов.

Потери возрастают при загрязнении электротехнической стали неметаллическими включениями и дисперсными частицами карбидов, поэтому технология ее производства предусматривает меры повышения ее чистоты.

Влияние содержания кремния на удельные потери можно оценить сопоставлением свойств сталей 2011, 2111, 2211, 2311, 2411. Значение p1,5/50 с увеличением содержания кремния уменьшается от 8 до 3,6 Вт/кг. С уменьшением толщины листа удельные потери снижаются.

После технологических операций, необходимых для изготовления деталей магнитопроводов (резка, штамповка и др.) магнитные свойства сталей ухудшаются, т.е. увеличивается коэрцитивная сила, а следовательно, и потери на гистерезис. Для восстановления магнитных свойств применяют отжиг при температруе ниже температуры фазового превращения (880 – 900ºС) в среде, предохраняющей от окисления и науглероживания. Если отжиг ведут в водородно-азотной атмосфере, то это очищает сталь от вредных примесей и ее магнитные свойства улучшаются.

Легированные электротехнические стали применяют в электротехнических изделиях, рассчитанных на работу при частотах до f  400 Гц. Стали с более низким содержанием кремния (2011, 2211) используют для сердечников, работающих при частотах до 100 Гц и напряженности поля Н  104 А/м. Стали с повышенным содержанием кремния (2311, 2411 и 1311, 1411) используют при частотах до 400 Гц, но в более слабых полях (Н 102 А/м).

Наибольшее значение Bs для ферромагнетиков имеют высоколегированные кобальтовые сплавы. Например, сплав 52КФ2, содержащий 50%Со и 2%V, обладает индукцией насыщения Bs =2,3 Тл в магнитном поле напряженностью Н s = 8кА/м. Железо в таком поле имеет В = 1,5Тл. Дефицитность кобальта ограничивает применение этих сплавов.





Дата: 2019-02-18, просмотров: 954.