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

7 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

1358. Актерский грим 335 KB
  Грим - искусство изменения внешности актёра, преимущественно его лица, с помощью гримировальных красок, пластических и волосяных наклеек, парика, причёски и др. Характер грима в театре зависит от художественных особенностей пьесы, замысла актёра, режиссёрской концепции и стиля оформления спектакля.
1359. Стилистические приемы композиции отрезков высказывания 232.5 KB
  В составе высказывания имеются иногда значительно более сложные отрезки, чем предложение или два предложения, соединенные между собой. Обратный параллелизм (хиазм). Присоединение (Cumulation). Повторы, основанные на многозначности.
1360. Розробка проекту кінотеатру та підвищення можоливостей доступу до нього місцевого населення 261 KB
  Норми первинних засобів гасіння пожежі для приміщень кінотеатрів і кіноустановок. Вимоги пожежної безпеки до приміщень кіноапаратного комплексу. Меблі та обладнання кінотеатру. Стильове та кольорове рішення кінотеатру. Акустичні вимоги до залів і сертифікація кінозалів.
1361. Насыщенный пар 258.5 KB
  Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Это определение подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.
1362. Начало философии в Древней Греции 250.5 KB
  Истоки древнегреческой философии. Греческие мыслители в поисках первоначала всего сущего: милетская школа, пифагорейский союз, элейская школа. Гераклит как родоначальник диалектики. Атомизм Демокрита. Гуманистическая направленность философии софистов. Антропоцентризм и этический рационализм Сократа.
1363. Температура и тепловое равновесие 154.5 KB
  Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
1364. Анализ автоматизированных систем муниципального общеобразовательного учреждения Сигаевская средняя общеобразовательная школа № 58 142 KB
  Описание автоматизированных систем, используемых в управлении предприятием. Подбор материалов по всем пунктам дипломного задания с указанием первоисточников. Изучение прав и обязанностей, системного администратора, программиста.
1365. Строительство гостиницы на территории жилого района Западная поляна в городе Пенза. 123 KB
  Описание территории жилого района Западная поляна в городе Пенза. Основные принципы проектирования. Инженерное оборудование здания. Расчет количества мест в образовательных учреждениях района Западная поляна. Предварительный баланс территории функциональной зоны жилого района.
1366. Деятельность мирового суда. Судебный участок № 1 144 KB
  Мировой суд – это первичное (низшее звено) судебной системы (судов общей юрисдикции), рассматривающее в упрощенной процедуре незначительные гражданские, административные и уголовные дела.