Определение ваттметровым методом магнитных свойств электротехнической стали

Работа добавлена на сайт samzan.net:

22

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра « Электропривод и АПУ»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВАТТМЕТРОВЫМ МЕТОДОМ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ  РАБОТАМ

ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»

ДЛЯ СТУДЕНТОВ 2 КУРСА СПЕЦИАЛЬНОСТИ 1-53.01.05

«АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»

МОГИЛЕВ   2005

УДК.6.                                                                                                           СОСТАВИТЕЛИ     ЛЕНЕВСКИЙ Г.С.

                                                                                                                                                           ЛАБКОВИЧ Г.В.

Методические указания к лабораторной работе №7 по курсу «Электротехнические материалы» для студентов специальности 1-53.01.05 «Автоматизированные электропривода» - Могилев, Белорусско-Российский Университет, 2005

Методические указания предназначены для студентов 2 курса специальности 1-53.01.05 «Автоматизированные электропривода».

Методические указания содержат основные сведения о магнитных свойствах электротехнической стали.

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры "Электропривод и АПУ"

                                                        Составление           Г.В.Лабкович, 5

Лабораторная работа №7 “Определение ваттметровым методом магнитных свойств электротехнической стали”

Цель работы:

-определение ваттметровым методом опытных значений удельных магнитных потерь на перемагничивание при заданной амплитуде магнитной индукции;

-определение ваттметровым методом действующего значения напряженности магнитного поля при заданной амплитуде магнитной индукции;

-определение полных магнитных потерь.

1.  Основные  представления о теории ферромагнетизма

К классическим ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, некоторые редкоземельные металлы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий), их соединения и сплавы. К ферромагнетикам относятся также некоторые сплавы и соединения марганца, серебра и алюминия.

Основная особенность ферромагнитных веществ заключается в том, что они состоят из области 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 микрометра. Размеры доменов возрастают с увеличением образца (или кристаллитов в поликристаллическом материале), и их ширина составляет применительно к железокремнистому сплаву сотые и десятые 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 векторов намагниченности.

Процесс намагничивания и перемагничивания ферромагнитных материалов, исходя из их доменной структуры, можно представить следующим образом. В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнитный образец не обнаруживает намагниченность. При наличии внешнего магнитного поля происходит переориентировка доменов, в результате чего ферромагнитный материал намагничивается. Намагничивание ферромагнетика происходит процессом смещения границ доменов и процессом вращения вектора намагниченности доменов. В сравнительно слабых полях намагничивание кристалла ферромагнетика 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. Для реальных ферромагнетиков не существует строгой границы между завершением процессов смещения  и началом процессов.

Различают процесс обратимого и необратимого смещения границ между доменами. Обратимое смещение границ происходит в очень слабых магнитных полях (для электротехнической стали – Н10-1 А/м) и характеризуются тем, что при снятии внешнего магнитного поля границы возвращаются в прежнее положение. В достаточно сильных магнитных полях (для электротехнической стали - Н5104 А/м) намагниченность образцов достигает почти предельного значения, что соответствует так называемому техническому насыщению. При дальнейшем увеличении магнитного поля происходит лишь незначительный рост намагниченности до истинного насыщения.

При циклическом намагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса. Площадь, заключенная внутри цикла гистерезиса пропорциональна энергии, затрачиваемой внешним источником на перемагничивание 1м3 образца.

Рисунок 1 – Гистерезисный цикл магнитомягкого (1) и магнитотвердого (2) материалов

В процессе намагничивания и перемагничивания ферромагнитных тел происходит изменение их размеров, называемое магнитострикцией. Явление магнитострикции вызывается изменением силы магнитного взаимодействия между атомами в процессе намагничивания, в результате чего изменяется параметр решетки. Различают несколько видов магнитострикции:

1.  продольную – относительное изменение длины образцов происходит вдоль направления намагничивания;
2.  поперечную – относительное изменение линейных размеров образцов в направлении, перпендикулярном приложенному полю;
3.  объемную – относительное изменение объемов образца в процессе намагничивания.

Магнитострикция различных ферромагнетиков может быть положительной и отрицательной.

1.  Основные характеристики и параметры ферромагнетиков

Ферромагнитные материалы на основе железа, никеля, кобальта и их сплавов находят широкое применение для создания электрических машин, трансформаторов, электромагнитных аппаратов и приборов. Практическое применение магнитных материалов требует знания их магнитных свойств. Для определения свойств и получения магнитных характеристик проводят испытания  магнитных материалов.

К основным магнитным свойствам относятся магнитный поток, магнитная индукция, напряженность магнитного поля, магнитная проницаемость, магнитодвижущая сила, потери на гистерезис и вихревые токи (потери в стали).

Основными характеристиками магнитного материала являются начальная кривая намагничивания, основная кривая намагничивания и предельная петля магнитного гистерезиса.

В зависимости от условий проведения испытаний различают статические и динамические характеристики.

Статическими называют характеристики магнитных материалов, полученные в постоянных или слабо изменяющихся полях.

Динамическими называют характеристики магнитных материалов, полученные в переменных полях. Эти характеристики зависят не только от свойств материалов, но и от целого ряда факторов, таких как форма и размеры образца, толщина листа, форма кривой и частота поля, способ получения характеристик и др. Ввиду этого, они лишь условно могут быть названы характеристиками материала.

Испытания магнитных материалов в переменных полях производят либо при синусоидальной форме кривой индукции (напряженность несинусоидальная), либо при синусоидальной форме кривой напряженности (индукция несинусоидальная).

Основными динамическими характеристиками магнитных материалов являются различные виды магнитной проницаемости, а также магнитные потери.

При перемагничивании ферромагнитных материалов  переменным полем существенное влияние на характер петли гистерезиса оказывают вихревые токи, создающие свои магнитные потоки, что приводит к неравномерности распределения индуктивности и напряженности по сечению образца. Наибольшие значения индукция и напряженность принимают у поверхности образца. Это явление называется поверхностным эффектом.

При намагничивании образцов в переменном магнитном поле мгновенные значения индукции и поля следуют по динамическому циклу гистерезиса. При слаборазвитом поверхностном эффекте максимальные значения индукции и поля совпадают по времени и соответствуют вершине динамического гистерезиса (рисунок 2а), тогда как при сильно развитом поверхностном эффекте этого совпадения нет (рисунок 2б). Сильно развитый поверхностный эффект наблюдается в образцах холоднокатаной текстурованной стали, имеющих высокую магнитную проницаемость в средних полях и очень большие потери от вихревых токов при частоте 50 Гц. В этом случае вершины динамических циклов гистерезиса сильно закруглены и отличаются от статических циклов.

Форма петли гистерезиса в слабых переменных полях, а также на повышенных частотах приближается к эллиптической.

При динамических испытаниях магнитных материалов, как и при статических, определяют основную кривую намагничивания, а также петлю гистерезиса при неизменных для данной петли Bm и Нm в зависимости от режима испытания. Площадь динамической петли характеризует полные потери на гистерезис, вихревые токи и дополнительные потери

                      а)                                                                              б)

Рисунок 2 – Статический (1) и динамический (2) цикл гистерезиса стали при слаборазвитом (а) и сильно развитом (б) поверхностном эффекте.

Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов и возникают при перемагничивании магнитопроводов за каждый период переменного тока. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного поля.

Мощность потерь, расходуемая на гистерезис, определяется следующей формулой:

                                                   Pг=dгf(Bm )nV                                                (1)

где Рг – потери на гистерезис, Вт;

     dг – коэффициент потерь на гистерезис;

     f – частота, Гц;

     Bm – максимальная индукция в течении цикла, Тл;

     n – показатель степени, принимающий значения в зависимости от магнитной индукции (n=1,2 - 2)

    V – объем образца, м3.

Потери на вихревые токи зависят от сопротивления магнитного материала. Увеличение сопротивления приводит к уменьшению потерь. Мощность потерь на вихревые токи определяется следующим выражением:

                                         PВ=dв(Bm)2 f2 V                                                  (2)

где PВ – потери на вихревые токи, Вт;

     dв - коэффициент потерь на вихревые токи, зависящий от типа  магнитного материала и его формы;

     V – обьем образца, м3;

     f – частота, Гц;

    Bm – максимальная индукция, Тл.

Удельные потери магнитной энергии определяются как мощность Руд=f(Bm), поглощаемая в единице массы образца и рассеиваемая в виде теплоты в зависимости от максимального значения индукции на разных частотах.

Для магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и аппаратов, работающих в условиях циклического перемагничивания, для уменьшения потерь на гистерезис применяют ферромагнитные материалы с относительно узкой петлей гистерезиса, т.е. с очень малой коэрцитивной силой. На рисунке 1 показан гистерезисный цикл магнитомягких и магнитотвердых материалов.

1.  Применяемость основных групп магнитных материалов по кривой намагничивания

Магнитные свойства ферро- или ферримагнитных материалов характеризуют зависимостями магнитной индукции В и намагниченности М от напряженности магнитного поля, а также зависимостями удельных потерь на перемагничивание р от магнитной индукции В и частоты f. График зависимости В от Н называют кривой намагничивания. При циклическом намагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса. Кривая намагничивания является важнейшей характеристикой магнитных материалов и может использоваться как классифицирующий критерий применяемости материалов для тех или иных целей.

По рабочему участку кривой намагничивания на петле гистерезиса выделяется несколько основных групп магнитных материалов от условий их использования:

1 Магнитные материалы для работы в широком диапазоне изменения магнитных индукций на низких и повышенных частотах;

2 Магнитные материалы для работы в слабых магнитных полях;

3 Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ);

4 Магнитомягкие материалы специального назначения;

5 Магнитные материалы для постоянных магнитов.

К первой группе относятся материалы, от которых требуется высокое значение индукции насыщения и малые потери на перемагничивание в области низких частот, а в качестве рабочего участка используется вся петля магнитного гистерезиса. Такие материалы используются во многих электротехнических устройствах, включая машины постоянного и переменного тока, силовые трансформаторы, силовую коммутирующую аппаратуру. Основными требованиями здесь является обеспечение хорошей магнитной связи между элементами устройств, обеспечение значительного магнитного потока при минимальном расходе магнитного материала и обеспечение  возможно меньших потерь на перемагничивание. К этой группе материалов в основном  относятся, электротехнические стали.

Ко второй группе относятся магнитные материалы, применяемые для элементов аппаратуры приема и передачи информации, магнитопроводов малогабаритных трансформаторов, дросселей, дефектоскопов, магнитных экранов и других элементов высокочувствительной аппаратуры, работающей в переменных полях высокой частоты. Основные требования, предъявляемые  к этой группе материалов – высокая магнитная проницаемость и малые магнитные потери на гистерезис и вихревые токи на начальном участке кривой намагничивания. Материалами с гарантированной проницаемостью являются низкоуглеродистые стали с присадкой 3 – 4,5% кремния и сплавы на основе никеля. Кроме листовой элетротехнической стали, для этих целей применяются магнитодиэлектрики, ферриты и высоконикелевые пермаллои марок 79НМ, 80НХС, 76НХД, 77НДМ.

Магнитные материалы 3 группы применяются для запоминающих устройств и магнитных усилителей. Требования, предъявляемые к материалам этой группы, определяются надежностью срабатывания, отпускания и быстродействия. Для обеспечения надежности срабатывания материалы должны иметь высокое значение намагниченности при малых полях. Надежность отпускания определяется коэрцитивной силой материала. Быстродействие зависит от удельного сопротивления. В магнитных усилителях, бесконтактных реле, коммутационных дросселях, элементах вычислительной техники требуются материалы с очень узким гистерезисным циклом, большим коэффициентом прямоугольности, высокой проницаемостью, низкой электрической проводимостью и большим коэффициентом квадратности. Магнитные материалы, используемые для коммутационной аппаратуры, должны иметь большое значение Вr, резкий спад по петле магнитного гистерезиса, малую коэрцитивную силу Hc, большую скорость изменения индукции. Указанным требованиям удовлетворяют сплавы типа пермаллоя с прямоугольной петлей гистерзиса (ППГ), имеющие кубическую текстуру, ферриты с ППГ, аморфные высокопроницаемые магнитомягкие сплавы.

Магнитомягкие материалы специального назначения применяются для сердечников катушек постоянной индуктивности, дросселей фильтров, широкополосных и импульсных трансформаторов, аппаратуры связи звуковых и высоких частот, магнитопроводов трансформаторов питания, магнитных усилителей, сердечников и полюсных наконечников электромагнитов. К материалам специального назначения предъявляется ряд требований. Они должны иметь постоянную проницаемость при малых намагничивающих полях, высокое приращение магнитной индукции при малых намагничивающих полях, повышенное значение проницаемости и удельного сопротивления, высокую индукцию насыщения. Для выполнения указанных требований используются специальные железоникелевые сплавы (содержание никеля 60-65 %) с Вr/ Вmax=0,2, марганца - цинковые ферриты и низконикелевые пермаллои, легированные хромом и кремнием.

Магнитотвердые материалы служат первичным сырьем для изготовления постоянных магнитов. Магнитотвердые материалы после намагничивания должны создавать внешние постоянные поля, по возможности нечувствительные к различным возмущающим факторам. Рабочий участок магнитотвердых материалов находится во втором квадрате петли магнитного гистерезиса. Основной характеристикой магнитотвердых материалов является магнитная энергия, которую можно развить в заданной магнитной системе. Максимальная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция Вr, коэрцитивная сила Нс и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала. Форма кривой размагничивания характеризуется коэффициентом выпуклости .

                                      =   ()maxrc                                                      (3)

Для изготовления постоянных магнитов используются литые сплавы на основе системы Fe-Al-Ni-Co (типа ЮНДК), порошковые магнитные материалы, магнитотвердые ферриты, сплавы на основе редкоземельных металлов.

1.  Электротехнические стали с нормированными свойствами в постоянных и переменных полях.

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь, возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Для уменьшение потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них. Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств, как во времени, так и по отношению к внешним воздействием, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменением в процессе эксплуатации подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабых полях) и коэрцитивная сила.

Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. В элементарном виде железо представляет собой типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения (около2,2 Тл). В зависимости от способа получения технически чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное. Особо чистое железо (электролитическое, карбонильное), содержит малое количество примесей (менее 0,05%).

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом – пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах; подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме. Электролитическое железо применяется в постоянных полях.

Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа. Пентакарбонил железа представляет собой продукт воздействия окиси углерода на железо при температуре около 200 С и давления примерно 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его удобным  для изготовления прессованных магнитных сердечников и применения при повышенных частотах. В карбонильном железе отсутствует кремний, фосфор и сера, но содержится углерод. Магнитные свойства различных видов чистого железа приведены в таблице 1.

Примеси относительно слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация ниже предела растворимости. Низким пределом растворимости в железе обладает углерод, кислород, азот и сера. Соответственно, эти примеси оказываются и наиболее вредными. При охлаждении металла после термообработки такие примеси из-за ограниченной растворимости выделяются в виде микровключений побочных фаз, которые затрудняют смещение доменных границ в слабых магнитных полях. Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зерен, наличия механических напряжений.

Таблица 1 Магнитные свойства магнитомягких ферромагнитных материалов

Материал	Магнитная проницаемость	Коэрцитивная сила, А/м	Индукция насыщения, Тл	Удельное сопротивле-ние, мкОмм
	Начальная	максимальная
Технически чистое железо	250-400	3500-4500	50-100	2,18	0,1
Электролитичес-кое железо	600	15000	30	2,18	0,1
Карбонильное железо	2000-3000	20000-21500	6,4	2,18	0,1
Монокристалл чистейшего железа	20000	1430000	0,8	-	0,097
Электротехничес-кая сталь	200-600	3000-8000	10-65	1,95-2,02	0,25-0,6
Низконикелевый пермаллой	1500-4000	15000-60000	5-32	1,0-1,6	0,45-0,9
Высоконикелевый пермаллой	7000-100000	50000-300000	0,65-5	0,65-1,05	0,16-0,85

Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства (суммарное содержание примесей 0,08-0,1%, из них 0,05% углерода). Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Иногда вместо технически чистого железа в промышленности применяют углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,1-0,4%. Магнитные свойства таких сталей ниже, чем железа, но их можно улучшить отжигом изготовленных деталей. Из низкоуглеродистой электротехнической стали изготавливают магнитопроводы всех видов и самых сложных форм: детали реле, сердечники, полюсные наконечники электромагнитов, элементы магнитоэлектрических, индукционных и электромагнитных приборов, экраны, телефонные мембраны, магнитопроводы двигателей  постоянного тока малой и средней мощности и т.д. Применение низкоуглеродистой стали для работы в переменных полях ограничено из-за низкого удельного сопротивления.

Магнитные свойства низкоуглеродистой стали зависят от следующих факторов:

-искажений кристаллической решетки, вследствие деформации, особенно пластической;

-наличия примесей;

-ориентации направления намагничивания относительно кристаллографических осей и степени текстуры материала;

-величины зерна и термической обработки.

Степень ухудшения магнитных свойств в результате механической обработки тем выше, чем больше отношение обрабатываемой поверхности изделия к объему этого изделия. Например, при вырубке пластин магнитные свойства тем хуже, чем больше отношение периметра вырубаемых пластин к их площади; поэтому при вырубке пластин сложной формы с большим числом зубцов и пазов и малого диаметра более целесообразно использовать не отожженную сталь. Штамповка такой стали позволяет уменьшить размер заусениц, значительно повысить стойкость штампов и после отжига получить магнитные свойства значительно выше чем при штамповке отожженной стали.

Сталь сортовая электротехническая нелегированная поставляется по ГОСТ 11036-75. Сталь электротехническая нелегированная тонколистовая поставляется по ГОСТ 3836-83 и выпускается горячекатаной и холоднокатаной Магнитные свойства стали указаны в таблице 2.

Таблица 2 Магнитные свойства электротехнической нелегированной стали

Марка стали	Тол-щи-на, мм	Коэрцитивная сила А/м не более	Максимальная магнитная проницаемость	Магнитная индукция Тл при напряженности магнитного поля, А/м, не менее
			МГн/м	Гс/Э	500	1000	2500	5000	10000	30000
10895 20895 11895 21895	0.1-3,9 вкл.	95.0	3.8	3000	1.38	1,50	1,62	1,71	1.81	2,05
10880 20880 11880 21880	0.1-3,9 вкл.	80,0	5,0	4000
10864 20864 11864 21864	0.1-3,9 вкл.	64,0	5,6	4500
10848 20848 11848 21848	0.7-3,9 вкл.	48,0	6,0	4800
10832 20832 11832 21832	0.7-3,9 вкл.	32.0	6.3	5000

Контролируемой характеристикой является коэрцитивная сила. Индукция и максимальная магнитная проницаемость обеспечиваются химическим составом стали и технологией ее изготовления,

Содержание основных элементов в стали не должно превышать:

-по углероду – 0,04%;

-по кремнию – 0,3%;

-по марганцу - 0,3%.

Листовую горячекатаную сталь изготавливают толщиной 2,0-3.9 мм включительно, холоднокатаную сталь – толщиной 0,5-3.9 мм включительно и шириной 500-1250 мм. Горячекатаную сталь изготовляют в листах, холоднокатаную – в листах и рулонах.

Холоднокатаные ленты и листовую сталь изготовляют без термической обработки (нагартованными). Горячекатаную сталь изготовляют с травленой поверхностью

Маркировка электротехнических нелегированных сталей устанавливается ГОСТ 3836-83. В обозначениях марок сталей цифры означают

первая – класс по структурному состоянию виду прокатки:

1 – горячекатаная изотропная

2 – холоднокатаная изотропная,

вторая – тип по содержанию кремния:

0 – сталь нелегированная, без нормирования коэффициентов старения

1 – сталь нелегированная с нормированным коэффициентом старения ,

третья – группу по основной нормируемой характеристике:

8 – коэрцитивная сила,

четвертая и пятая – количественное значение основной нормируемой характеристики (для 8-й группы – значение коэрцитивной силы в целых единицах, А/м).

Магнитные свойства технически чистого железа значительно улучшаются при легировании кремнием и (или) алюминием. Электротехнические кремнистые стали представляют собой твердый раствор кремния в железе, в котором содержится менее 0,05 % углерода и от 0,7 до 4,8 % кремния, и относятся к магнитомягким материалам широкого потребления.

Введение в состав стали кремния повышает удельное сопротивление, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химическому связыванию кислорода в SiO2. Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к увеличению магнитной проницаемости, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис. Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной анизотропии и магнитострикции. У стали с содержанием кремния 6,8% константа магнитной анизотропии в три раза меньше, чем у чистого железа, а значение магнитострикции почти равно нулю. При таком содержании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проницаемостью. Однако промышленные марки стали содержат не более 5% кремния. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойства стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения (примерно 0,05 Тл на 1% Si), так как кремний является немагнитным компонентом. Вместе с тем легирование кремнием повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Классификация и маркировка легированных электротехнических сталей  устанавливается ГОСТ 21427.0-83. Сталь электротехническая горячекатаная тонколистовая марок 1561, 1562, 1571, 1572 с содержанием кремния около 4% поставляется по ГОСТ 21427.3-83. Сталь электротехническая холоднокатаная тонколистовая марок 3471 и 3472 с содержанием кремния около 3% поставляется по ГОСТ 21427.1-83.

В обозначении марок цифры означают:

первая – класс по структурному состоянию и виду прокатки (1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой, 5 – холоднокатаная изотропная с плоскостной кубической текстурой);

вторая – содержание кремния (0 – с содержанием кремния до 0.4% - нелегированная, 1 – 0,4-0,8%, 2 – 0,8-1,85, 3 – 1,8-2,8%, 4 – 2.8-3,8%, 5 – 3,8-4,8%);

третья – группу по основной нормируемой характеристике (0 – удельные потери при магнитной индукции В=1,7 Тл и частоте f=50 Гц, 1 – удельные потери при В=1,5Тл, f=50 Гц, 2 – удельные потери при В=1,0Тл, f=400 Гц, 4 – удельные потери при В=0,5Тл, f=3000 Гц, 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля Н=0,4 А/м, 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при Н=10 А/м);

четвертая – порядковый номер типа стали.

Вместе три цифры марки означают тип стали. Горячекатаная изотропная сталь поставляется в виде листов толщиной 0,1 – 1,0 мм, холоднокатаная изотропная – толщиной 0,28 – 0,65 мм, холоднокатаная анизотропная – толщиной 0,27 – 0.65 мм.

Свойства стали улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде. При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала; возникающие деформации вызывают преимущественную переориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре плюс  900-1000 С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается так называемая ребровая текстура.

Текстурованная сталь анизотропная по свойствам: вдоль направления прокатки наблюдается существенно более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Это объясняется следующим: элементарная ячейка железокремнистого сплава представляет собой объемно-центрированный куб, для которого направлением легкого намагничивания являются его ребра, а направлению самого трудного намагничивания соответствуют пространственные диагонали. При отсутствии текстуры кристаллы в сплаве располагаются хаотически. Вследствие этого материал приобретает изотропные свойства с постоянной средней намагниченностью по любому направлению. Для улучшения магнитных свойств листы электротехнической стали прокатывают в одном и том же направлении, вызывая этим преимущественную ориентацию кристаллов, которую называют текстурой прокатки

Высокие магнитные свойства вдоль и поперек направления прокатки получают, создавая кубическую текстуру. Получение плоскостной кубической текстуры обеспечивает улучшенные свойства в любом направлении в плоскости ленты.

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20-25 %, а в радиотрансформаторах – на 40 %. Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). По условиям нагрева и теплоотвода предельно допустимымые удельные потери - 20 кВт/кг.

Горячекатаные стали существенно уступают холоднокатаным, особенно текстурированным: по магнитным свойствам, по точности размеров листов, качеству отделки, коэффициенту заполнения.

1.  Описание лабораторной установки, оборудования и приборов

Испытание электротехнической (кремнистой) стали, выпускаемой по ГОСТ 21427.0-83 проводят в основном в полях промышленной частоты. Определение магнитных свойств образцов электротехнической стали, проводят согласно ГОСТ 12119-80 «Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических величин». Стандарт содержит описание образцов, применяемых при испытаниях; сведение об аппаратуре и схемах, используемых при измерениях; методику проведения испытания; метод определения магнитных и электрических величин, характеризующих свойства образцов электротехнической стали: напряженности магнитного поля, магнитной индукции, удельных магнитных потерь, удельного электрического сопротивления.

Наиболее простым и надежным способом определения удельных потерь от гистерезиса и вихревых токов при частоте переменного тока менее 1000 Гц является ваттметровый метод.

На рисунке 4 приведена схема лабораторной установки для измерения амплитуды магнитной индукции, удельных магнитных потерь и эффективного значения напряженности магнитного поля.

Рисунок 4 – Принципиальная схема лабораторной установки

В состав лабораторной установки входят следующие средства измерения и вспомогательные устройства:

1 Генератор G (источник питания). При испытаниях от 50 до 60 Гц минимальная мощность источника питания должна быть не менее 0,5 кВА (для образца массой 1 кг); при частоте от 50 до 1000 Гц минимальная мощность источника питания должна быть не менее 0,3 кВА (для образца массой 0,5 – 1,1 кг). В качестве генератора может использоваться сеть переменного тока 50 Гц с устройством, регулирующим напряжение. Напряжение регулятора должно регулироваться в пределах 120 – 220 В.

2 Вольтметр PV1 применяется, для измерения среднего значения напряжения и, выбирается по максимальной индукции стали, при индукции 1,0 – 1,8 Тл класс точности 0,1; при других значениях индукции класс точности 0,5.

3 Вольтметр PV2, применяется для измерения эффективного (действующего) значения напряжения, класс точности данного прибора 0,5.

4 Ваттметр PW с номинальным коэффициентом мощности 0,1 при измерениях на переменном токе частотой 50 – 400 Гц с классом точности 0,5 (или более точный), для частот более 400 Гц – класс точности 2,5 и номинальный коэффициент  мощности не более 0,2.

5 Частотомер PF ;погрешность измерений не более 0,2%.

6. Амперметр PА применяется для измерения эффективного значения намагничивающего тока; класс точности 0,5 (или более точный).

7 Компенсационная катушка Т1 должна обеспечивать компенсацию напряжения на измерительной обмотке W2, обусловленного магнитным потоком вне образца. Если магнитный поток вне образца не превышает 0,2% от измерительного потока, то измерение можно проводить без катушки Т1.

В данной лабораторной работе испытания проводятся на образцах кольцевой формы, так как они отвечают требованиям обеспечения однородного намагничивания и минимальных потерь рассеяния, а также позволяют с относительно высокой точностью рассчитывать напряженность.

Согласно стандарту, кольцеобразные образцы изготавливаются из штампованных колец или навивкой и должны удовлетворять следующим требованиям:

-отношение наружного диаметра к внутреннему - не более 1,3;

-площадь поперечного сечения образца не менее 0,2 см2;

-толщина штампованных колец от 0,1до 1,0 мм;

-поверхность колец или ленты покрывается изоляцией.

Намагничивающая обмотка W1 образца соединяется последовательно с токовой обмоткой ваттметра, амперметром и источником переменного напряжения. Для контроля частоты переменного тока к источнику напряжения подключен частотомер. К измерительной обмотке W2 образца параллельно присоединяются обмотка напряжения ваттметра, вольтметры среднего и действующего значений.

1.  Определение ваттметровым методом удельных магнитных потерь при заданной амплитудной магнитной индукции.

До начала измерений необходимо рассчитать площадь поперечного сечения образца S, м2.

Для кольцевых образцов, не имеющих межслойной изоляции, площадь поперечного сечения S, м2, вычисляется по формуле:

S=2m/Dd        (4)

где  m – масса образца, кг,

    D,d – наружный и внутренний диаметры кольца, м,

         - плотность материала, кг/м3.

Плотность электротехнической стали, выпускаемой по ГОСТ 3836-73 и ГОСТ 11036-75 принимается равной 7850 кг/м3.

Площадь поперечного сечения кольцевых образцов S, м2, изготовленных навивкой ленты толщиной менее 0,2 мм с изоляционным покрытием, вычисляют по формуле:

S=2m/DdС1-зз     (5)

С=и/, з=S/S0,        (6)

где и – плотность изоляции, (1,6103 кг/м3),

       - плотность материала, кг/м3,

      з – коэффициент заполнения,

      S – площадь сечения, определяемая по формуле 6,

      S0 - площадь сечения образца, определяемая по формуле:

S0=hD-d/2        (7)

где h – ширина ленты, м

Методика проведения опыта состоит в следующем.

6.1 Задается максимальное (амплитудное) значение магнитной индукции Вmax. При испытаниях образцов электротехнической стали, максимальная магнитная индукция задается в пределах от 1,3 до 2,1 Тл. Соответственно заданной максимальной амплитуде индукции Вmax и частоте f рассчитывают среднее значение переменного напряжения Uср, индуктированного в измерительной обмотке W2 образца и регистрируемого вольтметром PV1:

UсрEср=4ВmaxSfW2(1+R2/Rэ)     (8)

где Вmax – амплитуда магнитной индукции, Тл;

      W2 – число витков в измерительной обмотке;

         f – частота переменного тока, Гц;

         S – площадь поперечного сечения образца, м2;

         R2 – активное сопротивление измерительных обмоток аппарата и компенсационной катушки, Ом;

         Rэ – эквивалентное сопротивление приборов, соединенных с измерительными обмотками, Ом, вычисляемое по формуле:

1/Rэ=1/RV1+1/RV2+1/RW+1/RA      (9)

где RV1, RV2, RW, RA – активные сопротивления вольтметров PV1, PV2, цепи напряжения ваттметра PW и цепи обратной связи усилителя соответственно.

Если в формуле 8 величина слагаемого R2/Rэ0.002, то им можно пренебречь.

Определение среднего значения переменного напряжения Uср можно проводить без компенсационной катушки Т1. В этом случае необходимо вычислить поправку, обусловленную магнитным потоком, протекающим вне образца по формуле:

∆U=4W1·W2·f(S0-S)0 maxl1      (10)

где W1·W2 – число витков в намагничивающей и измерительной обмотках аппарата, соответственно,

     S0 – площадь поперечного сечения витков измерительной обмотки, м2,

     S – площадь поперечного сечения образца, м2,

     max – амплитуда намагничивающего тока, А,

     l1 – длина силовой линии, м, (для образцов кольцеобразной формы l1=0,064 м)

6.2 Установив по вольтметру PV1 среднее значение переменного напряжения Uср, определяют по показаниям ваттметра PW среднюю мощность PW и по показаниям вольтметра PV2 - действующее значение напряжения Uэф.

При равенстве витков в намагничивающей и измерительной обмотках (W1=W2) показания ваттметра будут складываться из потерь энергии в образце и в измерительной обмотке. Если число витков намагничивающей  и измерительной  обмоток не одинаково, то показания ваттметра будут иными, и магнитные потери рассчитывают по формуле:

Р=(W1PW/W2–Uэф2/Rэ)(1+R2/Rэ)     (11)

где W1, W2 - число витков в намагничивающей и измерительной обмотках, соответственно,

       PW – средняя мощность, измеряемая ваттметром, Вт,

      Uэф – среднее действующее значение напряжения на зажимах измерительной обмотки, В.

Если R2/Rэ 0,002, то второй множитель в формуле равен единице.

6.3 При определении удельных потерь Руд, Вт/кг, на тороидальных образцах и в аппарате Эпштейна при сборке полос встык необходимо учитывать анизотропию удельных потерь и зависимость этих потерь от индукции. В этом случае, удельные магнитные потери Руд, Вт/кг, определяются по формуле:

Руд= Р/m1         (12)

где Руд – удельные магнитные потери, Вт/кг,

      m1 – эффективная масса образца, кг,

       Р – магнитные потери, Вт.

Эффективная масса образца определяется выражением:

m1=ml1/ln         (13)

где m - масса образца, кг;

      l1 – длина магнитного пути, м;

      ln – длина полосы, м.

Для тороидальных образцов величина m1 принимается равной массе образца.

Допускается при вычислении потерь по формуле 11 вместо Uэф подставлять величину, равную 1,11 UСР. При этом коэффициент формы кривой напряжения Кф на зажимах измерительной обмотки должен быть от 1,09 до 1,13. Коэффициент формы Кф вычисляют по формуле:

Кф=Uэф/UСР         (14)

где Uэф – напряжение, измеряемое вольтметром PV2 ,В.

7. Определение ваттметровым методом эффективного значения напряженности магнитного поля от амплитуды индукции (кривая намагничивания)

7.1 При определении кривой намагничивания в намагничивающую цепь установки включается амперметр действующего значения РА. В соответствии с формулой 4 и пунктом 6.1 устанавливается по вольтметру PV1 требуемое значение напряжения UСР, а по частотомеру PF - требуемое значение частоты. По показаниям амперметра РА находят действующее значение тока Iэф и определяют действующее значение напряженности магнитного поля:

 Hд=IэфW1/lср       (15)

где Hд – эффективное значение напряженности магнитного поля, А/м.

      Iср – эффективное значение силы намагничивающего тока, А.

      lср – средняя длина магнитной силовой линии, м.

     W1 – число витков намагничивающей обмотки.

Для кольцевых образцов lср, м определяется по формуле:

lср=Dd        (16)

где D, d – наружный и внутренний диаметр кольца, соответственно, м

1.   Определение полной удельной мощности

Полная удельная мощность на перемагничивание Рsin, Вт/кг, при синусоидальной форме магнитного потока определяется по формуле:

Рsin=д max       (17)

где   - частота переменного тока, Гц.

      д – действующее значение напряженности магнитного поля, А/м,

     max – амплитуда магнитной индукции, Тл.

      - плотность материала, кг/м3.

1.  Порядок выполнения работы

1. Собрать схему лабораторной установки согласно рисунку 4

2. Рассчитать по формуле 4 площадь поперечного сечения исследуемого образца. Результат вычисления занести в таблицу 3

Таблица 3 Результаты вычислений физических и электрических величин

Исследуемый материал	Масса образца m, кг	Сечение образца, S, м2	Эффективная масса образца, m1, кг	Средняя длина lср, м	Сопротивление RЭ, Ом	Намагн обмот-ка W1	Измер.обмотка W2

3. Включить установку в сеть.

4. Замкнуть ключ S2, S3 и S4, разомкнуть S1.

5. Рассчитать по формуле 8 напряжение Uср (Eср), соответствующее заданной наименьшей амплитуде магнитной индукции Bmax и частоте 50 Гц. Результаты вычислений занести в таблицу 4.

6. Установить по вольтметру PV1 напряжение Uср, по частотомеру PF требуемую частоту; замкнуть ключ S1 и разомкнуть S2.

7. Измерить эффективное значение напряжения Uср  по показаниям вольтметра PV2 и мощность Pw по показаниям ваттметра PW. Занести показания приборов PW, PV2 в таблицу 4. По формулам 13 и 14 определить потери на перемагничивание.

8. Вычислить напряжение Uср (Eср), соответствующее следующему большему значению амплитуды магнитной индукции и повторить операции, указанные в п. 6, 7. Результаты показаний занести в таблицу 4.

9. Для определения эффективного значения напряженности магнитного поля  и амплитуды магнитной индукции необходимо выполнить следующие операции:

-замкнуть ключ S2 и разомкнуть ключи S1, S3, S4;

-выполнить операцию, указанную в п.5.

10. Установить по вольтметру PV1 напряжение Uср, а по частотомеру PF - требуемую частоту.

11. По амперметру РА определить силу намагничивающего тока Iэф. Показания амперметра РА занести в таблицу 4.

12. Вычислить следующие значения напряжения Uср и повторить операции, указанные в п. 10 – 12.

Таблица 4 Результаты вычислений и наблюдений магнитных величин

№ опыта	Частота f, Гц	Напряжение Uср, В	Напряжение Uэф, В	Потери на приборе Pw, Вт	Удельные потери Руд, Вт/кг	Действ.значен. тока Iэф,А	Напря-жен-ность Hд,А/м	Полная уд.мощность Рsin,Вт/кг

1.  Обработка результатов

1. По формуле 9 рассчитать эквивалентное сопротивление  приборов, результат вычислений занести в таблицу 3.

2. Используя показания вольтметра PV2 и ваттметра PW по формулам 11, 12, 17 найти потери на перемагничивание Р, Вт, удельные магнитные потери в образце Руд, Вт/кг и полную магнитную мощность Рsin,Вт/кг. Полученные результаты записать в таблицу 4.

3. Вычислить по формуле 15 эффективное значение напряженности магнитного поля Hд, А/м. Полученный результат занести в таблицу 4.

1.  Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:

1.  Цель работы;
2.  Схему лабораторной установки;
3.  Результаты вычислений и наблюдений в виде таблиц, а также формулы, по которым проводились расчеты;
4.  Выводы.

Контрольные вопросы

1 Назовите основные механизмы намагничивания ферромагнетика, приводящие к нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля.

1.  Какими технологическими приемами достигается текстурование электротехнических сталей? Назовите основное требование, которому должны удовлетворять конструкции магнитопровода, чтобы эффективно проявлялись свойства текстурированных сталей.
2.  Что понимают под константой магнитострикции? Чем отличается магнитострикция в монокристаллических и поликристаллических ферромагнетиках?
3.  Как влияет температура на энергию магнитной кристаллографической анизотропии? Почему ферромагнетик разбивается на домены? Чем определяются размеры доменов и толщина доменных спинок?
4.  Что представляют собой электротехнические стали? Укажите маркировку и область применения нелегированной электротехнической стали.
5.  Какими магнитными характеристиками оцениваются магнитные свойства материалов?
6.  Что представляют собой текстурованные электротехнические стали с ребровой структурой и каковы их свойства?
7.  Какие материалы применяются для работы в слабых магнитных полях? Какие требования к ним предъявляются?
8.  Как классифицируются и маркируются по ГОСТ21427.0-83 электротехнические легированные стали?
9.  Какими характеристиками характеризуются магнитные материалы? Укажите различие между динамическими и статическими характеристиками?
10.  Назовите основные магнитные свойства и магнитные характеристики магнитных материалов.
11.  Какое явление называют поверхностным эффектом? Какое влияние он оказывает на динамические и статические циклы гистерезиса?
12.  Как получают динамические и статические характеристики магнитных материалов? От каких факторов они зависят?
13.  Назовите основные группы магнитных материалов, определяемые по рабочему участку кривой намагничивания, и укажите область их применения.
14.  Какие требования  предъявляются к магнитным материалам с прямоугольной петлей гистерезиса? Какие сплавы удовлетворяют  этим требованиям?
15.  Назовите основные характеристики магнитотвердых материалов.  Как определяется максимальная магнитная энергия постоянных магнитов?
16.  Какие сплавы используются для изготовления постоянных магнитов?
17.  Что характеризует площадь динамической петли гистерезиса? Какими путями достигается уменьшение потерь на вихревые токи?
18.  Как определяются удельные магнитные потери электротехнической стали ваттметровым методом?
19.   В каких пределах задается значение максимальной магнитной  индукции для образцов электротехнической стали?
20.  Назначение вольтметров PV1, PV2 

Список литература

1 Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы/ Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев – Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.

2 Электрорадиоматериалы/ Б.М.Тареев, Н.В.Короткова, В.М. Петров и др.; Под ред. Б.М.Тареева. – М.: Выш. шк., 1978.- 336 с.: ил.

3 Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. – М.: Энергия, 1982. – 320 с

4 Справочник по электротехническим материалам: Справ./ Под ред. Ю.В.Корицкого и др. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – Т.1-3.

5 Конструкционные и электротехнические материалы/ В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А Филикова. – М.: Выш. шк., 1990. – 226 с. ил.

6 Производство кабелей и проводов: Справ./ Под ред. Н.И. Белоруссова, И.Б. Пешкова. – М.: Энергоатомиздат, 1981.- 500 с.

7 Электротехнический справочник: Справ. Т.1/ Под общ. ред. профессоров МЭИ. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 448 с.:ил.

1. анализ соотношения прав человека и социума личности и государства выяснение политической роли и влияни
2. Дай Чжэнь
3. Соблюдение принципов экологии в лакокрасочной промышленности
4. Topicphpp93799379 В свет вышло шесть 6 книг Саврасова Александра- 1 Знания хранимые дольменами 2 Се
5. Административный арест и дисквалификация
6. А 81 призёр Вагунина Сабина Бахрамовна 2
7. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук Київ ~ Дисе
8. ориентированное ~ это педагогически управляемый процесс культурной идентификации социальной адаптации и
9. Средняя общеобразовательная школа 1 Классный час 12 апреля ~ День космонавтики
10. 05 06.05 07.06 1 день 12
11. искусствоведа Ивана Владимировича Цветаева 18471913 основателя Московского музея изобразительных искусств и
12. Кіріспе 2 Газ турбиналы ~ондыр~ыларыны~ ГТ~ м~най ж~не газ ~нерк~сібінде ~олданылатын орында
13. Сто лет одиночества- Локид; Москва; 1997 ISBN 5230002254 Аннотация Габриель Гарсия Маркес не нуждается в рек
14. ВОСПРОИЗВОДСТВО ЭКОНОМИКИ
15. тематическое получение прибыли от пользования имуществом продажи товаров выполнения работ и оказания услу
16. Водій механічного транспортного засобу повинен мати при собі- а посвідчення водія на право керування тра
17. Контрольные вопросы по дисциплине «Психофизиология»
18. Мережева топологія зірка
19. ТЕГІ филология ~ылымыны~ кандидаты доцент ~АЗА~ ЖІПСІЗ БАЙЛАУЛЫ ldquo;ЖАТЫРrdquo;
20. Культурно-досуговая деятельность на Руси

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе