23687

Краткие теоретические сведения и требования к электротехническим сталям

Научная статья

Производство и промышленные технологии

Удельные потери в стали слагаются из потерь от гистерезиса и вихревых токов. В соответствии с назначением выпускаемые горячекатаные и холоднокатаные стали разделяются на два класса: изотропные и анизотропные. Изотропные – все марки малотекстурованной стали с анизотропией магнитных свойств ограниченной определенным уровнем и марки горячекатаной стали имеющие слабо выраженную текстуру. Изотропные электротехнические стали по степени легирования кремнием разделяются на шесть групп указанных в табл.

Русский

2013-08-05

157.5 KB

6 чел.

Краткие теоретические сведения и требования к электротехническим сталям

Краткие теоретические сведения

Основная особенность ферромагнитных веществ заключается в том, что они состоят из областей самопроизвольного намагничивания (доменов), намагниченных до насыщения. В образце, находящемся в размагниченном состоянии, домены располагаются так, что результирующая намагниченность образца равна нулю. Между соседними доменами имеются границы, ширина которых исчисляется долями микрона. Размеры доменов  возрастают с увеличением длины образца, и их ширина применительно к железокремнистому сплаву сотые доли миллиметра.

Вектор намагниченности в граничном слое между  противоположно намагниченными доменами постепенно поворачивается из одного направления в другое. При наложении магнитного поля на ферромагнитный образец происходит перестройка вектора намагниченности отдельных доменов в направлении поля. Работа, необходимая для перестройки доменной структуры образцов, зависит от кристаллической текстуры, металлографической структуры и напряжений.

Наименьшая работа затрачивается при намагничивании ферромагнетика вдоль направления легкого намагничивания. Для монокристаллов железа и железокремнистого сплава такими направлениями являются ребра куба <100>.

В монокристаллах ферромагнетиков имеются направления наиболее трудного намагничивания. Это является результатом различного магнитного взаимодействия атомов по различным кристаллографическим направлениям.

Энергия, расходуемая на преодоление магнитного взаимодействия атомов при намагничивании ферромагнетика, называется энергией анизотропии. Расположение осей легкого намагничивания в монокристаллах по кристаллографическим направлениям соответствует минимуму энергии анизотропии.

Образование доменов в ферромагнитных телах приводит к снижению магнитостатической энергии. Наличие в ферромагнетике внутренних напряжений требует при его намагничивании дополнительных затрат энергии. Эта энергия называется магнитоупругой, её величина зависит от внешних напряжений σ, приложенных к образцу, и магнитострикции насыщения s (относительное изменение размеров образца под действием магнитного поля).

В отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнитный образец, охлажденный при отжиге, не обнаруживает намагниченности. При наложении внешнего магнитного поля происходит переориентировка доменов, в результате чего образец  намагничивается. Намагничивание ферромагнетика происходит процессом смещения границ доменов и процессом вращения вектора намагниченности доменов.

В материалах с тремя осями легкого намагничивания (железо) магнитная структура является более сложной, так как кроме областей со 180-градусным соседством имеются области, в которых векторы намагниченности соседних доменов располагаются под углом 90.

При равномерном распределении доменов по трем взаимно перпендикулярным ребрам куба на каждое направление приходится 1/3 объема всех доменов. Намагничивание кристалла такого ферромагнетика в сравнительно слабых полях происходит за счет смещения границ между доменами и роста доменов, для которых вектор намагниченности составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля, а в сильных полях за счет процессов вращения вектора намагниченности доменов по направлению к магнитному полю.

При помещении образца в периодическое знакопеременное поле величина и знак вектора магнитной индукции описывается циклом гистерезиса (рис.3.1).

Площадь цикла пропорциональна энергии, затрачиваемой внешним источником на перемагничивание 1 м3 образца.

Ферромагнитные материалы характеризуются зависимостью от напряженности внешнего поля Н следующих параметров: магнитной индукции В, намагниченности  J и магнитной проницаемости  . Связь между ними подчиняется следующему выражению:

В = ·  0 · Н,      (3.1)

где  0 – абсолютная магнитная проницаемость вакуума (010-7 Гн/м);

- относительная магнитная проницаемость.

Особенность намагничивания ферромагнитного материала в переменном магнитном поле состоит в том, что в толще материала образуются вихревые токи, в результате чего имеется неоднородное распределение магнитной индукции по сечению листа: в середине листа её значение меньше, а в поверхностных слоях больше. Это явление называется поверхностным эффектом. Возникающие потери энергии от вихревых токов приводят к расширению цикла гистерезиса, который в этом случае называется динамическим циклом гистерезиса. Площадь динамического цикла гистерезиса пропорциональна сумме потерь от гистерезиса и вихревых токов (рис.3.2).

Таким образом, за один цикл перемагничивания ферромагнитного материала бесполезно затрачивается энергия, переходящая в тепло, пропорциональная площади динамического цикла гистерезиса. Затрата энергии за 1 секунду, отнесенная к массе материала в 1 кг, называется удельными потерями. Удельные потери в стали слагаются из потерь от гистерезиса и вихревых токов.

Цикл гистерезиса ферромагнитного образца.

Рис. 3.1

Статический и динамический цикл гистерезиса.

Рис. 3.2

1 – статический цикл;  2 – динамический цикл.

Потери от гистерезиса Рг, Вт/кг, могут быть рассчитаны по формуле:

Рг = S · f / ,      (3.2)

где  S – площадь статического цикла гистерезиса, Тл·А/м;

- плотность материала, кг/м3;

f – частота изменения магнитного поля, Гц.

Площадь статистического цикла в свою очередь зависит от максимальной индукции, коэрцитивной силы, остаточной индукции.

Потери от вихревых токов Рв можно легко вычислить при условии равномерного изменения магнитной индукции по всему сечению листа и параллельно вектору напряженности магнитного поля:

Рв = 4Вм · f2 · d2 · f2 · 10-10 / (3 · · )    (3.3)

где  Вм – амплитуда магнитной индукции, Тл;

f – частота переменного тока, Гц;

d – толщина пластины, мм;

f – коэффициент формы кривой магнитной индукции;

- удельное электрическое сопротивление материала пластины, ом·м.

Типы электротехнических сталей.

В соответствии с назначением выпускаемые горячекатаные и холоднокатаные  стали  разделяются на  два класса: изотропные и анизотропные.

Изотропные – все марки малотекстурованной стали с анизотропией магнитных свойств, ограниченной определенным уровнем, и марки горячекатаной стали, имеющие слабо выраженную текстуру. Уровень магнитных свойств электротехнических сталей в значительной степени зависит от способа их изготовления, содержания, хранения, толщины листов и ленты, характера структуры и текстуры металла.

Изотропные электротехнические стали по степени легирования кремнием разделяются на шесть групп, указанных в табл. 3.1

Таблица 3.1

Типы изотропных электротехнических сталей

Группа легирования

Si, %

Марка

нелегированная

0,4

2011, 2012, 2013

низколегированная

0,4 – 0,8

2011, 2112

слаболегированная

0,8 – 1,8

2211, 2212, 2214, 2216, 1211, 1213

среднелегированная

1,8 – 2,8

2311, 2312, 1311, 1312, 1313

повышеннолегированная

2,8 – 3,8

2411, 2412, 1411, 1412, 1413

высоколегированная

3,8 – 4,8

1511, 1512, 1514, 1521, 1562, 1572

Наименование марки складывается из четырех цифр: первая цифра означает способ производства (1 – горячекатаная, 2 – холоднокатаная), вторая – содержание Si в стали, третья – группу по основной нормируемой характеристике, четвертая – порядковый номер типа стали.

По основной нормируемой характеристике электротехническую сталь подразделяют на группы: 0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (Р1,7/50), 1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (Р1,5/50), 2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (Р1,0/400), 6 – магнитная индукция в слабых полях при напряженности поля 0,4 А/м (В0,4), 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В10). Электротехническая сталь, выпускаемая в листах, рулонах и ленте, имеет следующие нормируемые показатели качества: по точности прокатки по толщине (Н – нормальной точности, П – повышенной), по неплоскостности (классы 1 и 2); по термической обработке (ТО – термически обработанная на магнитные свойства, без термической обработки – без обозначения), по виду покрытия (без покрытия с металлической поверхностью – без обозначения; с термостойким покрытием, не ухудшающим штампуемость, М; с нетермостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость, НШ; с термостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость, ТШ; с термостойким электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость,Т), по коэффициенту заполнения (группы А и В), по точности изготовления по ширине (нормальной точности – без обозначения, повышенной точности Ш).

Свойства электротехнических сталей почти во всех странах нормируются ГОСТом, который определяет минимально допустимый уровень качества и магнитных свойств стали.

Отечественная сталь отличается от зарубежной большим числом нормируемых показателей качества. Так ГОСТ 21427.3 нормирует глубину залегания поверхностных дефектов, телескопичность, среднее арифметическое число перегибов, конкретные требования к электроизоляционному покрытию.

Требования, предъявляемые к электротехническим изотропным сталям.

В зависимости от назначения требования к стали дифференцируются. В одних случаях основное значение имеет уровень удельных потерь (крупные гидро- и турбогенераторы, крупные синхронные и асинхронные турбодви-гатели), в других – уровень удельных потерь и магнитной индукции (двига-тели и генераторы мощностью 1001000 кВт, разнообразные реле, сварочное оборудование), в-третьих – уровень магнитной индукции в средних и силь-ных магнитных полях (малые асинхронные машины, статоры машин постоянного тока и др.).2

Магнитные свойства стали, определяемые согласно ГОСТ 12119-80 должны соответствовать нормам, указанным в табл.3.2.

Таблица 3.2

Магнитные свойства холоднокатаных электротехнических изотропных сталей

Марка стали

Толщина, мм

Удельные магнитные потери  Р1,5/50, Вт/кг, не более

Магнитная индукция при напряженности магнитного поля 2500 А/м, В, Тл, не менее

Анизотропия магнитной индукции, ΔВ, Тл, не более.

Коэффициент

анизотропии удельных магнитных потерь, %,   не более

Коэф-фици-ент старе-ния,%,       не более

2211

0,5

5,5

1.56

0,13

12

6

2212

5,0

1.60

2213

5,0

1,65

2214

4,8

1,62

2215

4,5

1,64

2216

4,0

1,60

Магнитная индукция измеряется как среднее значение вдоль и поперек направления прокатки. Разница в значениях магнитной индукции при напряженности магнитного поля 2500 А/м вдоль и поперек направления прокатки  не должна  превышать  для  стали  с  содержанием  Si   до 1,8 % -  0,13 Тл.

При использовании любых марок электротехнической стали должна быть уверенность в неизменности её магнитных свойств в процессе эксплуатации.

Вследствие потерь энергии при перемагничивании магнитопроводов и тепловыделений, связанных с намагничивающими обмотками, имеет место нагрев стали, в процессе  которого могут происходить фазовые превращения, приводящие к необратимому ухудшению магнитных свойств (старение стали).3 Коэффициент старения Кс определяют на образцах после нагрева их в течении 120 ч при 120˚С по формуле:

 Кс= {(Р1 Р0) / Р0} 100%, (3.4)

где  Р0 и Р1 – значение удельных потерь, измеренных до и после старения соответственно, Вт/кг.

Предельные отклонения по ширине рулонов и по ширине и длине листов не должны превышать 0,5%. Предельные отклонения по ширине ленты должны соответствовать ГОСТ 21427-83.

Разнотолщинность листа и поперечная разнотолщинность рулона и ленты не должны превышать 1/2 суммы предельных отклонений по толщине.

На кромках стали не должно быть расслоений. Допускаются дефекты на кромках, не выводящие продукцию за пределы номинальных размеров.

Волнистость и коробоватость листов, существенно отклоняющие лист от плоскости, не допустимы, так как из недостаточно плоских листов не может быть собран плотный магнитопровод.

Коэффициент заполнения Кз определяют на образце, спрессованном по всей поверхности под давлением 490 кПа и составленном не менее чем из 100 пластин, взятых для определения магнитных свойств:

Кз=М / V · , (3.5)

где  М – масса образца, кг;

V – объем образца после пресования,м3;

  плотность стали, кг/м3.

Коэффициент заполнения горячекатаной стали составляет 0,90,93; холоднокатаной 0,950,97. Чтобы оценить это различие, необходимо иметь в виду, что снижение Кз на 1% равномерно повышению удельных потерь на 23% и снижению магнитной индукции на 12 %.

Общим для всех марок стали является наличие на поверхности листов изоляционных слоев, снижающих потери на вихревые токи при эксплуатации магнитопроводов. Покрытия на листах электротехнической стали в зависимости от её назначения должны удовлетворять различным требованиям, касающимся электрического сопротивления, пробивного напряжения, термо- и химической стойкости. Существенной является толщина покрытия, влияющая на Кз магнитопровода сталью. Этот коэффициент является важной характеристикой, определяющей наряду с магнитными свойствами стали уровень технико-экономических показателей магнитопроводов машин и трансформаторов.4 Физические и эксплуатационные свойства электроизоляционного покрытия должны соответствовать нормам, указанным в табл.3.3.

Прочность сцепления покрытия с металлом определяют путем изгиба образца на 90 вокруг стержня диаметром 20 мм. Электрическое сопротивление покрытия измеряется при давлении в контактах 450 МПа.

Таблица 3.3

Требования к электроизоляционному покрытию

Марка покрытия

Коэффициент  сопротивления, Омсм2, не менее

Термостойкость

Влияние на штампуемость

Основа покрытия

Т1

Т5

1,0

5,0

760С, 1,5 ч в защитной атмосфере или 700С,

2 мин на воздухе

Не ухудшает

Неоргани-ческие

ТШ1

ТШ10

ТШ20

ТШ40

1,0

10,0

20,0

40,0

760С, 1,5 ч в защитной атмосфере

Улучшает

Полуорга-ническое

НШ1

НШ10

НШ20

НШ40

1,0

10,0

20,0

40,0

200С, 24 ч на воздухе

Органичес-кое или полуорга-ническое


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17679. Поляризація світлових хвиль (еліпс поляризації) 26.44 KB
  Поляризація світлових хвиль еліпс поляризації. Поляризація світла − це фізична характеристика оптичного випромінювання яка описує поперечну анізотропію хвиль тобто нееквівалентність різних напрямків у площині що перпендикулярна світловому променю. Оскільки век
17680. Порівняльна характеристика спектральних приладів 33.13 KB
  Порівняльна характеристика спектральних приладів. Порівняльні характеристики різних спектральних приладів наведені в таблиці. m порядок інтеріеренції; N Повне число штрихів ґратки; G=; Дисперсійна ділянка; R Роздільна здатність спектрального приладу; с
17681. Принцип голографічного запису оптичного поля 61.73 KB
  Принцип голографічного запису оптичного поля. Голографія – метод безлінзового отримання оптичних зображень шляхом фіксування та відтворення хвильового фронту. Зареєстрована інтерференційна картина називається голограмою. Для голографії необхідні джерела світла як
17682. Принцип Гюйгенса-Френеля. Побудова Гюйгенса 449.41 KB
  Принцип ГюйгенсаФренеля. Побудова Гюйгенса. За Гюйгенсом кожна точка хвильового фронту наприклад сферичної хвилі яка виходить з точкового джерела є джерелом вторинних хвиль. Базуючись на цьому Гюйгенс запропоновав метод геометричної побудови фронтів вторинних хв
17683. Принцип дії лазера інверсія населеностей 49.35 KB
  Принцип дії лазера: інверсія населеностей. Дія лазера базується на підсиленні світлового потоку середовищем через яке він проходить. Якщо привести систему атомів у нерівноважний стан достатньо сильно порушивши розподіл Больцмана то можна досягти зміни концентрації...
17684. Принцип Ферма. Закон заломлення 49.85 KB
  Принцип Ферма. Закон заломлення. Світло при поширенні з однієї точки в іншу вибирає шлях якому відповідає найменший час поширення. Припустимо що показник заломлення середи змінюється у просторі неперервно і достатньо повільно так що умови використання геометричної о
17685. Принципи дії поляризаторів двопроменезаломлюючі, відбиваючі, інтерференційні дихроїчні 323.4 KB
  Принципи дії поляризаторів: двопроменезаломлюючі відбиваючі інтерференційні дихроїчні. Поляризатори виділяють лінійну складову ел. маг. хвилі. Якість поляризатора визначається за степеню поляризації p=ImaxImin/ImaxImin. Двопроменезаломлюючі. Двоякопреломля...
17686. Роздільна здатність телескопу та мікроскопу 523.26 KB
  Роздільна здатність телескопу та мікроскопу. Границі роздільної здатності оптичних приладів. Роздільна здатність оптичних приладів обмежується дифракцією Фраунгофера на їх вхідній апертурі оскільки при цьому кожна точка об’єкта зображується дифракційною карти
17687. Розсіювання світла в мутних середовищах (αλ, α ~λ, αλ,) 88.38 KB
  Розсіювання світла в мутних середовищах. Мутне середовище – середовище в якому містяться завислі частинки. Розсіювання світла у мутному середовищі можна описати на основі теорії дифракції світла на діелектричних частинках. Розглянемо три випадки відн