Напряженность магнитного поля сталей

Обновлено: 01.05.2024

Электротехнические стали (ЭТС) – класс ферромагнитных материалов, применяющихся для изготовления магнитно-активных частей электромашин и приборов, вырабатывающих и преобразующих электрическую энергию: генераторов, трансформаторов, электродвигателей, реле, электромагнитов. По способу изготовления ЭТС делятся на горячекатаные и холоднокатаные. Несмотря на то что химический состав ЭТС обычно не нормируется, они распределяются на группы в зависимости от массовой доли главного легирующего элемента (кремний или кремний совместно с алюминием), как это показано в табл. 1.

Стали могут изготовляться с незащищённой металлической поверхностью или иметь электроизоляционное покрытие. Термостойкость обозначается в марке буквой Т, улучшение штампуемости – буквой Ш, нетермостойкое покрытие – буквой Н. Если для листовой стали проводился контроль внутренних дефектов, то добавляется буква У.

Обозначение марки стали состоит из четырёх- пяти цифр с возможным добавлением одной-двух букв.

Первая цифра означает класс по структурному состоянию и виду прокатки:

1 – горячекатаная изотропная,
2 – холоднокатаная изотропная,
3 – холоднокатаная анизотропная.

Вторая цифра – группа стали по содержанию кремния (см. табл. 1).

Третья цифра – вид стали по основным нормируемым характеристикам магнитных свойств.

при цифре 0 – это величина удельных магнитных потерь при частоте тока в 50 Гц и индукции 1,7 Тл, а также индукция при напряжённости поля 100 А/м;
при цифре 1 – величина удельных магнитных потерь при частоте тока в 50 Гц и индукции 1 и 1,5 Тл, а также индукция при напряжённости поля 2500 А/м;
при цифре 2 – величина удельных магнитных потерь при частоте тока от 200 Гц и индукции 0,75, 1 и 1,5 Тл;
при цифре 6 – величина индукции в слабых полях при напряжённости поля 0,4 А/м;
при цифре 7 – величина индукции в сильных полях при напряжённости поля 10 А/м;
цифра 8 характеризует релейные стали.

Таким образом, первые три цифры определяют тип стали. Для всех сталей, кроме релейных, четвёртая (последняя) цифра означает уровень основных нормируемых характеристик: 1 – нормальный, 2 – повышенный, 3 – высокий, 4 и более – высшие уровни.

Для релейных сталей четвёртая и пятая цифры задают величину их характеристики (значение коэрцитивной силы в А/м).

По сортаменту и видам продукции ЭТС подразделяются следующим образом:

для электромашин промышленной частоты тока (трансформаторы, генераторы, электродвигатели) они выпускаются в виде рулонов, листов и резаных лент;
для аппаратов, работающих при повышенных частотах тока, – в виде лент;
для магнитопроводов машин и приборов, работающих в режиме включение – отключение (реле, пускатели, электромагниты), – в виде листов, рулонов, лент и профилей из релейных сталей.

Ниже (табл. 2–5) приводятся основные показатели магнитных свойств (удельные магнитные потери, индукция и её разброс) ЭТС различных типов. Здесь и далее частота задаётся в герцах, магнитная индукция – в теслах. Таким образом, например, Р_1,5/50 означает величину удельных магнитных потерь в Вт/кг при магнитной индукции, равной 1,5 Тл, и частоте тока 50 Гц.

Для релейных сталей содержание основных элементов обычно не должно превышать: 0,04% углерода; 0,3% кремния; 0,3% марганца.

В настоящий момент производятся 20 марок таких сталей, их магнитные свойства должны соответствовать нормам, приведённым в табл. 5.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает метод определения удельных магнитных потерь от 0,3 до 50,0 Вт/кг и действующего значения напряженности магнитного поля от 100 до 2500 А/м при частотах перемагничивания 50 - 400 Гц методом ваттметра и амперметра.

Допускается определение значений магнитных величин при частотах перемагничивания до 10 кГц на кольцевых образцах и на образцах из полос.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.377-80 ГСИ. Материалы магнитомягкие. Методики выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик

ГОСТ 8476-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 3. Особые требования к ваттметрам и варметрам

ГОСТ 8711-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам

ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Общие требования

ГОСТ 13109-87 Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения

ГОСТ 21427.1-83 Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия

ГОСТ 21427.2-83 Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая. Технические условия

3 Общие требования

Общие требования к методам испытания - по ГОСТ 12119.0.

Термины, применяемые в настоящем стандарте, - по ГОСТ 12119.0.

4 Подготовка образцов для испытаний

4.1 Образцы для испытаний должны иметь изоляцию.

4.2 Образцы кольцевой формы собирают из штампованных колец толщиной от 0,1 до 1,0 мм или навивают из ленты толщиной не более 0,35 мм и помещают в кассеты из изоляционного материала толщиной не более 3 мм или неферромагнитного металла толщиной не более 0,3 мм. Металлическая кассета должна иметь зазор.

Отношение наружного диаметра образца к внутреннему должно быть не более 1,3; площадь поперечного сечения образца - не менее 0,1 см 2 .

4.3 . Образцы для аппарата Эпштейна изготовляют из полос толщиной от 0,1 до 1,0 мм, длиной от 280 до 500 мм, шириной (30,0 ± 0,2) мм. Полосы образца не должны отличаться друг от друга по длине более чем на ±0,2 %. Площадь поперечного сечения образца должна быть от 0,5 до 1,5 см 2 . Число полос в образце должно быть кратным четырем, минимальное число полос - двенадцать.

Образцы анизотропной стали нарезают вдоль направления прокатки. Угол между направлениями прокатки и нарезки полос не должен превышает 1°.

Для образцов изотропной стали половину полос нарезают вдоль направления прокатки, другую - поперек. Угол между направлениями прокатки и нарезки не должен превышать 5°. Полосы группируют в четыре пакета: два - из полос, нарезанных вдоль направления прокатки, два - поперек. Пакеты с одинаково нарезанными полосами размещают в параллельно расположенных катушках аппарата.

Допускается полосы нарезать под одним и тем же углом к направлению прокатки. Направление прокатки для всех полос, уложенных в одну катушку, должно быть одинаковым.

4.4 Листовые образцы изготовляют длиной от 400 до 750 мм. Длина листа должна быть не менее наружной длины ярма: ширина листа - не менее 60 % ширины окна соленоида. Допуск по длине не должен выходить за пределы ±0,5 %, по ширине - ±2 мм.

Поверхность и форма листов должны соответствовать ГОСТ 21427.1 и ГОСТ 21427.2.

5 Применяемая аппаратура

5.1 Установка. Схема установки приведена на рисунке 1 .

Рисунок 1 - Схема для измерений ваттметровым методом

5 .1.1 Вольтметры PV1 - для измерения сред невыпрямленного значения напряжения и последующего определения амплитуды магнитной индукции и PV2 - для измерения действующего значения напряжения и последующего определения коэффициента формы его кривой должны иметь предел измерения от 30 мВ до 100 В, максимальный входной ток не более 5 мА, класс точности не ниже 0,5 по ГОСТ 8711 .

Допускается использовать делитель напряжения к вольтметру PV1 для получения отсчетов, численно равных амплитудам магнитной индукции.

5.1.2 Ваттметр PW для измерения активной мощности и последующего определения удельных магнитных потерь должен иметь предел измерения от 0,75 до 30 Вт, номинальный коэффициент мощности - не более 0,1 при частоте 50 Гц и 0,2 - при более высокой частоте; класс точности не ниже 0,5 при частоте перемагничивания от 50 до 400 Гц или не ниже 2,5 - при частоте более 400 Гц по ГОСТ 8476 .

Допускается использовать делитель напряжения к ваттметру для получения отсчетов, численно равных значениям удельных магнитных потерь. Выход делителя напряжения должен быть соединен с параллельной цепью ваттметра, вход - с обмоткой II образца Т2.

5 .1.3 Амперметр РА для измерения действующего значения намагничивающего тока и последующего определения действующего значения напряженности магнитного поля должен иметь предел измерения от 0,1 до 5,0 А, класс точности не ниже 0,5 по ГОСТ 8711 . Допускается увеличение наименьшего предела измерения до 1,0 А при контроле нагрузки токовой цепи ваттметра. Максимальная мощность, потребляемая амперметром при измерении с образцами из листов шириной более 250 мм, должна быть не более 1,0 В · А; для других образцов - не более 0,2 В · А.

5 .1.4 Частотомер PF для измерения частоты с погрешностью, не выходящей за пределы ±0,2 %.

5.1.5 Источник питания G для намагничивания образцов должен иметь низкочастотный генератор с усилителем мощности или регулятор напряжения со стабилизатором частотой 50 Гц. Коэффициент несинусоидальности напряжения нагруженного источника питания не должен превышать 5 % по ГОСТ 13109 . Номинальная мощность источника при частоте перемагничивания 50 Гц должна быть не менее 0,45 кВ · А на 1,0 кг массы образца и не менее 0,3 кВ · А для значений, указанных в таблице 1 .

Масса образца, кг

От 0,05 до 1,0 включ.

От 0,5 до 1,1 включ.

Допускается использовать усилитель с обратной связью для получения формы кривой магнитного потока образца, близкой к синусоидальной. Коэффициент несинусоидальности формы кривой ЭДС в обмотке не должен превышать 3 %; мощность, потребляемая цепью обратной связи по напряжению, не должна превышать 5 % измеряемых магнитных потерь.

5.1.6 Вольтметры PV 1 и PV2, цепь напряжения ваттметра PW и обратная связь усилителя должны потреблять мощность не более 25 % измеряемого значения.

5 .1.7 Катушка T 1 для компенсации магнитного потока вне образца должна иметь число витков обмотки I не более пятидесяти, сопротивление - не более 0,05 Ом, сопротивление обмотки II - не более 3 Ом. Обмотки укладывают на цилиндрический каркас из немагнитного изоляционного материала длиной от 25 до 35 мм, диаметром от 40 до 60 мм. Ось катушки должна быть перпендикулярна плоскости силовых линий образца при закреплении ее на аппарате Эпштейна. Относительная разность коэффициентов взаимной индуктивности катушки T1 и аппарата Эпштейна без образца не должна выходить за пределы ±5 %.

Допускается исключать из схемы (см. рисунок 1) катушку T1 при магнитном потоке вне образца, не превышающем 0,2 % измеряемого.

5.1.8 Намагничивающие I и измерительные II обмотки кольцевого образца T2 должны соответствовать требованиям ГОСТ 8.377 .

5 .1.9 Аппарат Эпштейна, применяемый для испытания образцов, составленных из полос, T 2 должен иметь четыре катушки на каркасах из немагнитного изоляционного материала со следующими размерами:

Напряженность магнитного поля сталей

4.1 Образцы для испытаний должны иметь изоляцию.

Отношение наружного диаметра образца к внутреннему должно быть не более 1,3; площадь поперечного сечения образца - не менее 0,1 см.

4.3 Образцы для аппарата Эпштейна изготовляют из полос толщиной от 0,1 до 1,0 мм, длиной от 280 до 500 мм, шириной - (30,0±0,2) мм. Полосы образца не должны отличаться друг от друга по длине более чем на ±0,2%. Площадь поперечного сечения образца должна быть от 0,5 до 1,5 см. Число полос в образце должно быть кратным четырем, минимальное число полос - двенадцать.

Образцы анизотропной стали нарезают вдоль направления прокатки. Угол между направлениями прокатки и нарезки полос не должен превышать 1°.

4.4 Листовые образцы изготовляют длиной от 400 до 750 мм. Длина листа должна быть не менее наружной длины ярма; ширина листа - не менее 60% ширины окна соленоида. Допуск по длине не должен выходить за пределы ±0,5%, по ширине - ±2 мм.

5.1 Установка. Схема установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема для измерений в динамическом режиме перемагничивания

5.1.1 Вольтметр РV для измерения средневыпрямленного напряжения должен иметь пределы от 10 мВ до 100 В; отношение амплитудного значения к измеряемому - не менее трех; класс точности не ниже 0,5 по ГОСТ 8711. Допускается применение вольтметра класса точности не ниже 1,0 при измерении в полях, равных или более 1000 А/м.

5.1.2 Частотомер РF для измерения частоты с погрешностью, не выходящей за пределы ±0,2%.

5.1.3 Катушка Т1 для измерения магнитных величин должна иметь сопротивление обмотки I не более 5 Ом, обмотки II - не более 10 Ом, взаимную индуктивность не менее 1 мГн, погрешность - в пределах ±0,2%. Обмотка I должна быть рассчитана на длительное протекание тока, максимально действующее значение которого равно 5 А - для аппарата Эпштейна, 1-5 А - для кольцевого образца и 10 А - для листового аппарата.

5.1.4 Катушка Т2 для компенсации магнитного потока вне образца должна иметь число витков обмотки I не более пятидесяти, сопротивление - не более 0,05 Ом, сопротивление обмотки II - не более 3 Ом. Обмотки укладывают на цилиндрический каркас из немагнитного изоляционного материала длиной от 25 до 35 мм, диаметр от 40 до 60 мм. Ось катушки должна быть перпендикулярна плоскости силовых линий образца при закреплении ее на аппарате Эпштейна. Относительная разность коэффициентов взаимной индуктивности катушки Т2 и аппарата Эпштейна без образца не должна выходить за пределы ±5%.

Допускается исключать из схемы (см. рисунок 1) катушку Т2 при магнитном потоке вне образца, не превышающем 0,2% измеряемого, или при введении поправки , В, на этот магнитный поток.

Допускается использовать катушку Т2 взамен катушки Т1.

5.1.5 Намагничивающие I и измерительные II обмотки кольцевого образца Т3 должны соответствовать требованиям ГОСТ 8.377.

5.1.6 Аппарат Эпштейна для испытания образцов Т3, составленных из полос, должен иметь четыре катушки на каркасах из немагнитного изоляционного материала со следующими размерами, мм:

4.3 Образцы для аппарата Эпштейна изготовляют из полос толщиной от 0,1 до 1,0 мм, длиной от 280 до 500 мм, шириной (30,0±0,2) мм. Полосы образца не должны отличаться друг от друга по длине более чем на ±0,2%. Площадь поперечного сечения образца должна быть от 0,5 до 1,5 см. Число полос в образце должно быть кратным четырем, минимальное число полос - двенадцать.

4.4 Листовые образцы изготовляют длиной от 400 до 750 мм. Длина листа должна быть не менее наружной длины ярма: ширина листа - не менее 60% ширины окна соленоида. Допуск по длине не должен выходить за пределы ±0,5%, по ширине - ±2 мм.

5.1 Установка. Схема установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема для измерений ваттметровым методом

5.1.1 Вольтметры PV1 - для измерения средневыпрямленного значения напряжения и последующего определения амплитуды магнитной индукции и РV2 - для измерения действующего значения напряжения и последующего определения коэффициента формы его кривой должны иметь предел измерения от 30 мВ до 100 В, максимальный входной ток не более 5 мА, класс точности не ниже 0,5 по ГОСТ 8711.

5.1.3 Амперметр РА для измерения действующего значения намагничивающего тока и последующего определения действующего значения напряженности магнитного поля должен иметь предел измерения от 0,1 до 5,0 А, класс точности не ниже 0,5 по ГОСТ 8711. Допускается увеличение наименьшего предела измерения до 1,0 А при контроле нагрузки токовой цепи ваттметра. Максимальная мощность, потребляемая амперметром при измерении с образцами из листов шириной более 250 мм, должна быть не более 1,0 В·А; для других образцов - не более 0,2 В·А.

5.1.4 Частотомер РF для измерения частоты с погрешностью, не выходящей за пределы ±0,2%.

5.1.5 Источник питания для намагничивания образцов должен иметь низкочастотный генератор с усилителем мощности или регулятор напряжения со стабилизатором частотой 50 Гц. Коэффициент несинусоидальности напряжения нагруженного источника питания не должен превышать 5% по ГОСТ 13109. Номинальная мощность источника при частоте перемагничивания 50 Гц должна быть не менее 0,45 кВ·А на 1,0 кг массы образца и не менее 0,3 кВ·А для значений, указанных в таблице 1.

Особенности намагничения конструкционных сталей

Широкое распространение конструкционных сталей и других ферромагнитных материалов во всех областях человеческой деятельности определяет и наибольший практический интерес к закономерностям их намагничения, тем более что эти закономерности связаны с проявлением и других физических свойств этого материала, прежде всего, тепловых и механических.

Изучение закономерностей намагничения железа и стали, начатое с работ В. Гильберта, Ш. Кулона и С. Пуассона в настоящее время продолжает интенсивно развиваться в рамках специального раздела физики — теории ферромагнетизма. Число научных публикаций по этой проблеме к настоящему времени насчитывает десятки тысяч. Однако, несмотря на это, до сих пор отсутствует аналитическое и даже, в определенной мере, качественное представление о характере зависимости между намагниченностью суммарного магнитного поля в веществе стали в общем трехмерном случае, которую можно условно представить в виде:

где параметры: Т — абсолютная температура и .

Условность представления зависимости между в виде (1) связана с тем, что эта зависимость имеет неоднозначный, гистерезисный характер: эта зависимость видоизменяется при смене характера изменения с нарастания на убывание и наоборот. Это происходит, когда Т меньше температуры Кюри : при уменьшается более чем на десять порядков.

Анализ экспериментальных данных о намагничении стального шара в однородном внешнем магнитном поле

В обширной литературе по намагничению ферромагнетиков подробно разработан лишь одномерный вариант зависимости (1), в котором все время направлены вдоль одной и той же оси. Учитывая данное обстоятельство, ниже будут рассмотрены характерные черты именно этого частного случая зависимости (1) при постоянной температуре ~ 300 0 К, полагая вначале, что внешние механические воздействия на вещество отсутствуют. В этом случае будем условно представлять зависимость (1) в виде:

Рассмотрение характерных свойств зависимости (2) начнем с описания метода ее экспериментального определения.

Рис. 1 Экспериментальная установка для измерения эффективной намагниченности

Образец материала рассматриваемой стали в виде длинного цилиндрического или сфероидального стержня помещается на оси подключенного к регулируемому источнику постоянного тока (РТ) соленоида, который обеспечивает однородное продольное магнитное поле H₀ 0e₀ в объёме стержня. Величина напряженности магнитного поля в центральном сечении стержня, которая, являясь касательной составляющей напряженности суммарного магнитного поля на поверхности образца, равна напряженности суммарного магнитного поля внутри образца в этом же сечении и поэтому связана с полем соленоида соотношением:

где от напряженности магнитного поля Далее рассмотрена электромагнитная обработка. Пусть рассматриваемый элемент объёма конструкционной стали находится в размагниченном состоянии при . Если дать малое приращение поля и снова увеличить до , -2 и т. д., и так увеличивать приращение до тех пор, пока n , то в результате получим семейство симметричных петель гистерезиса, вершины которых будут лежать на кривой, изображенной на рис. 2 пунктиром. Эта кривая весьма близка к кривой первоначального намагничения и сливается с ней, если

Размагничиванием элемента объема ферромагнитного материала называется процесс воздействия на него (и образец в целом) внешним магнитным полем, в результате которого этот элемент объема переходит в размагниченное состояние.

Размагничивание может быть осуществлено одним, двумя и сколь угодно большим числом импульсов напряженности внешнего магнитного поля.

Размагничивать образец можно воздействием на него знакопеременным магнитным полем, изменяющимся во времени по гармоническому (например, синусоидальному) закону с медленно уменьшающейся амплитудой и малой (порядка 1 Гц) частотой

где . Для характеристики убывания величины амплитуд d или величины убывания амплитуды q:

Для экспоненциального убывания амплитуд постоянен декремент затухания, для линейно убывающих амплитуд — величина убывания [2].

Следует отметить, что при воздействии знакопеременного убывающего магнитного поля на образец с большим значением декремента затухания или величины убывания, размагниченное состояние может быть и не достигнуто: элемент объема образца может получить значительную остаточную намагниченность в направлении первого импульса. Анализ результатов экспериментов показывает, что в пределах погрешности измерений, остаточная намагниченность не возникает, если , при гармоническом. Полученное при этом размагниченное состояние характеризуется повышенной стабильностью по отношению к действию упругих напряжений, о чем далее еще пойдет речь.

Если, кроме затухающего знакопеременного магнитного поля , то в результате рассматриваемый элемент объёма образца приобретёт намагниченность , при этом окончанию процесса, т. е. после завершения воздействия знакопеременного магнитного поля будет соответствовать точка G на рис. 2. Если затем уменьшить поле . Намагниченность восстановленной намагниченностью (в магнитном поле — предельной остаточной намагниченностью, полученной при восстановлении (в поле для различных значений поля до откладываются на оси абсцисс), называемая кривой безгистерезисного намагничения или кривой идеального намагничения [3–4].

При

где безгистерезисной магнитной восприимчивостью, которая для сталей имеет порядок 10 4 ÷ 10 9 . В случае когда может быть определена по величине :

В случае если начальная амплитуда напряженности знакопеременного поля , кривая намагничения в постоянном поле ), называемая промежуточной безгистерезисной кривой, пойдет ниже кривой безгистерезисного намагничения; однако до уровня

Процесс воздействия знакопеременного затухающего по амплитуде магнитного поля называется электромагнитной обработкой (ЭМО) этого образца или тела.

Эксперименты показывают, что результаты электромагнитной обработки тел или конструкций при , а определяются направлением и величиной магнитного поля

При намагничении ферромагнитного тела или конструкции в процессе ЭМО, зависимость определяет уравнение Пуассона — Томсона:

,(6)

где .

Величина остаточной намагниченности, полученной при восстановлении может быть определена из выражения:

при этом величина индуцированной намагниченности удовлетворяет уравнению (12) с заменой в нем 0

Таким образом, восстановленная намагниченность могут быть определены для произвольного изотропного ферромагнитного тела [4].

Процесс изменения намагниченности цилиндрического образца под действием упругих напряжений позволяет качественно характеризовать изменение намагниченности корабля при его эксплуатации, например, килевая качка корабля на сильном морском волнении приводит к периодическим сжатиям — растяжениям верхней палубы и днища корабля; действие значительной слабозатухающей упругой нагрузки по всему кораблю возникает при слеминге — мощном ударе волны по корпусу корабля. Эти процессы практически не контролируются корабельными средствами и обуславливают нестабильность остаточной намагниченности корабля и создаваемого ею магнитного поля; на практике, однако, эта нестабильность, как правило, имеет порядок величины индуцированной намагниченности в максимальной широтной зоне.

Гропянов А. В., Теплухин Г. Н. «Металловедение и термическая обработка» Учебное пособие, 2011.
Дема Р. Р., Молочкова О. С., Нефедьев С. П. «Материаловедение», 2014.
Краснов И. П. «Основы классической теории намагничения тел» намагничения тел» Центральный НИИ им. академика А. Н. Крылова. — СПб., 2008.
Сандомирский С. Г. «Магнитный контроль структуры стальных и чугунных изделий. Современное состояние». Литье и металлургия, 2008.

Основные термины (генерируются автоматически): магнитное поле, остаточная намагниченность, размагниченное состояние, безгистерезисное намагничение, зависимость, кривой, суммарное магнитное поле, внешнее магнитное поле, знакопеременное магнитное поле, цилиндрический образец.

Читайте также: