Сталь 10 кривая намагничивания

Обновлено: 19.04.2024

ся самой большой по количеству марок и объему применения. Ее используют главным образом для производства энергетического оборудования - генераторов, двигателей, силовых трансформаторов. Их часто называют динамными трансформаторными сталями. Стали данной группы выпускают 33 марок, из них 9 марок анизотропных (текстурованных), 11 изотропных (малотекстурованных) и 13 горячекатаных. Все марки сталей этой группы произво-

1.0 t8 В,Б D.4 £,2 С

Рис. 2.6. Кривые намагничивания стали 3413 (в постоянном поле - сплошные линии; в переменном поле при. частоте f=50 Гц -пунктирная линия)

Б i 100 200 300

Рис. 2.7. Кривые намагничивания сталей 1211, 1513, 3413

дят в виде рулонов, листов и резаной ленты, кроме горячекатаной стали (производят в листах толщиной от 0,1 до 1 мм). Толщина рулонной стали от 0,28 до 0,65 мм. Сталь в листах и рулонах должна поставляться заказчику отожженной (термически обработанной). По требованию заказчика допускается поставка листов и рулонов в нагартованном виде (без отжига).

Основными электромагнитными характеристиками этой группы сталей являются кривая намагничивания в области средних и сильных полей, удельные потери при частоте 50 Гц и различных амплитудах магнитной индукции. Эти данные для некоторых масок стали Приведены в табл. 2.3.

Согласно ГОСТ 12119-80, регламентирующего методы определения магнитных и электрических свойств электротехнической стали, кривую намагничивания определяют индукционно-импульсным Методом, т. е. в постоянных полях. При частоте 50 Гц и выше значения индукции будут меньше указанных в табл. 2.3, что иллюстрирует рис. 2.6. В сильных полях кривые практически совпадают, а в слабых и средних существенно отличаются.

Таблица 2.3. Электромагнитные свойства электротехнической стали, применяемой в энергетическом машиностроении (ГОСТ 21427.0-ГОСТ 21427.3-75)

Магнитная индукция в, Тл. при Напряженности магнитного поля Я, кА/м

Удельные потери, Вт/кг (не более)

Холоднокатаная изотропная сталь

Холоднокатаная анизотропная сталь

1.70 1,71 1,71 1,70

1,75 1,85 1.88 1,90 1,90 1,90 1.90

1,10 0,95 0,80 0,70 0,46

нягт Р и м е ч а н и я; 1 - Числа после буквы Р означают: первое - индукцию, Тл, второе - частоту, 1ц, при которой заданы потерн. 2. Для холоднокатаной изотропной стали максимальная разница в значениях магнитной индукции вдоль и поперек листа не должна превышать 0.16 Тл при Я=2,5 кА/м.

На рис. 2.7 показаны кривые намагничивания, «змеренные в широком диапазоне напряженности поля для трех наиболее характерных марок стали рассматриваемой группы. Рисунок характеризует зависимость магнитных свойств-от степени легирования и наличия текстуры.

Представляет интерес зависимость свойств текстурованных сталей от угла между направлением магнитного потока и направлением прокатки (рисГ~2.8). Свойства малотекстурованных сталей при различных направлениях магнитного потока отличаются всего на 3-5%.

Рис. 2.8. Кривые намагничивания стали 3412, снятые на образцах, вырезанных под разными углами к направлению прокатки

Рис. 2.9. Зависимость коэрцитивной силы от толщины для трансформаторной стали при 20°С

Как отмечалось, магнитные свойства зависят от толщины листа. Из рис. 2.9, например, видно, что уменьшение толщины проката сверх определенного значения приводит к резкому возрастанию коэрцитивной силы, а следовательно, и потерь на гистерезис.

Для рассматриваемой группы сталей, применяемых в энергетическом машиностроении, большое значение имеют удельные потери, которые зависят от химического состава, толщины листа, амплитуды индукции, частоты перемагничивания и .микроструктуры стали, обусловленной режимом термической обработки.

Чем выше магнитные свойства стали, тем меньше доля потерь на гистерезис от общих потерь. Для горячекатаных слаболегированных сталей (1.2П) потери на гистерезис составляют 70-75% от общих потерь (при /=50 Гц), для анизотропных (3412, 3413) - 25-35%. Соотношение этих потерь мало зависит от изменения амплитуды в пределах рабочего диапазона.

Зависимость удельных потерь от магнитной индукции для различных марок сталей имеет приблизительно одинаковый характер. На рис. 2.10 показана такая зависимость для анизотропных сталей.

Сталь 10 кривая намагничивания

Исследование основных магнитных свойств магнитомягких материалов

Цель работы – получение навыков исследования свойств магнитных материалов и обработки результатов измерения тока, напряжения, мощности и магнитных полей.

Теоретическая часть

Общие сведения о ферромагнетизме . К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др.

Все ферромагнетики характеризуются:

1) кристаллическим строением;

2) большим значением магнитной проницаемости, а также существенной и нелинейной ее зависимостью от напряженности поля и температуры;

3) способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях;

4) гистерезисом – зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния («магнитной предыстории»);

5) точкой Кюри, т.е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства.

Кривые намагничивания. Магнитные свойства ферромагнетиков характеризуются зависимостями магнитной индукции B от напряженности поля H и потерь на перемагничивание P от индукции и частоты.

Зависимости вида B = f(H) называют кривыми намагничивания. Магнитные свойства материала зависят не только от напряженности поля, температуры, наличия или отсутствия механических напряжений и т.д., но и от предшествующего магнитного состояния.

Основная кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании (рис. 1).

Петля гистерезиса. При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса (рис. 2).

Форма петли для данного материала зависит от значения поля H _max . Для слабых полей она имеет вид эллипсов, с увеличением поля у нее начинают вытягиваться «носики», соответствующие точкам A ₁ и А ₂ (рис. 2).

Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения, называют предельной. В справочниках обычно приводятся симметричные предельные петли гистерезиса.

Основными характеристиками петли гистерезиса являются остаточная индукция B _r , коэрцитивная сила H _c и площадь петли, характеризующая потери на гистерезис w _г за один цикл перемагничивания.

Остаточной индукцией B _r называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля.

Коэрцитивная сила H _c – это размагничивающее поле, которое должно быть приложено к предварительно намагниченному образцу, для того чтобы индукция в нем стала равной нулю.

Энергия потерь на гистерезис, отнесенная к единице объема вещества за один цикл перемагничивания

При перемагничивании материала с частотой f (Гц) удельные потери на гистерезис

где \(\rho\) – плотность материала, кг/м 3 .

Магнитные материалы . Магнитным называют материал, применяемый в технике с учетом его магнитных свойств.

Общепринято выделение двух основных групп магнитных материалов – магнитомягкие и магнитотвердые .

Характерными свойствами магнитомягких материалов являются их способность намагничиваться до насыщения даже в слабых полях (высокая магнитная проницаемость) и малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) обладают большой удельной энергией. Эта энергия тем больше, чем больше остаточная индукция B _r и коэрцитивная сила H _c материала.

Сравнивая петли гистерезиса, характерные для обеих групп материалов, можно отметить, что форма петли, индукция насыщения и остаточная индукция примерно одинаковы, а разница в коэрцитивной силе достигает очень большого значения Для промышленных магнитомягких материалов наименьшая H _c ~ 0,4 А/м, а для магнитотвердых наибольшая H _c ~ 800 000 А/м, т.е. она отличается в 2·10 6 раз. Следовательно, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса с небольшой коэрцитивной силой, а магнитотвердые – широкую петлю с большой коэрцитивной силой.

Магнитомягкие материалы. Магнитомягкие материалы принято классифицировать по их основному химическому составу, который в значительной степени определяет технологию производства, свойства и области применения материала. В соответствии с этим магнитомягкие материалы подразделяют на различные группы.

Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) – это железо, содержащее ограниченное количество примесей, прежде всего углерода, получаемое методами прямого восстановления чистых руд.

Технически чистое железо является дешевым и технологичным материалом , хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках, обладает высокими магнитными свойствами в постоянных полях . Основной недостаток железа состоит в малом значении удельного электрического сопротивления , что ограничивает область его применения как магнитного материала постоянными магнитными полями. В переменных полях железо применять нецелесообразно ввиду больших потерь на вихревые токи.

Электротехнические (кремнистые) стали представляют собой твердый раствор кремния в железе.

К преимуществам электротехнических сталей относятся большие значения удельного электрического сопротивления и высокие магнитные свойства . Основными недостатками этих сталей являются повышенная твердость и хрупкость , а также пониженные значения индукции насыщения (по сравнению с железом). Электротехнические стали изготавливают горячекатаными с изотропными магнитными свойствами и холоднокатаными – малотекстурованными и текстурованными с анизотропией магнитных свойств.

Электротехнические стали по сравнению с другими магнитными материалами наиболее широко применяются для изготовления магнитопроводов электрических машин, трансформаторов, дросселей и других устройств, рассчитанных на работу при частоте до 400–500 Гц в области малых, средних и сильных полей, иногда в постоянных полях и при повышенных частотах (до 10 кГц).

Свойства сталей, предназначенных для работы в средних и сильных магнитных полях при частоте 50 Гц . Эта группа сталей является самой большой по количеству марок и объему применения. Ее используют главным образом для производства энергетического оборудования – генераторов, двигателей, силовых трансформаторов. Все марки сталей этой группы производят в виде рулонов, листов и резаной ленты. Толщина рулонной стали от 0,28 до 0,65 мм.

На рис. 3 показаны кривые намагничивания, измеренные в широком диапазоне напряженности поля для трех наиболее характерных марок стали рассматриваемой группы. Рисунок характеризует зависимость магнитных свойств от степени легирования и наличия текстуры.

Зависимость удельных потерь от магнитной индукции для различных марок сталей имеет приблизительно одинаковый характер.

Свойства сталей, предназначенных для работы в средних полях при повышенной частоте. Эта группа сталей появилась в связи с широким использованием в технике повышенной частоты (400–20 000 Гц). С ростом частоты увеличивается влияние вихревых токов на процессы перемагничивания. Чтобы вихревые токи были меньше, применяют специальные высоколегированные электротехнические стали (Si = 3–3,5%) в виде тонких листов и лент, обладающие большим удельным сопротивлением. Толщину проката выбирают в зависимости от значения рабочей частоты. Для частоты 400 Гц рекомендуется применять ленты толщиной около 0,15 мм. При частотах 400–1000 Гц выбирают более тонкие ленты (0,08 мм), при 1000–3000 Гц применяют ленты толщиной 0,05 мм. Очень тонкие ленты 0,03; 0,02 и 0,01 мм целесообразно использовать при частотах свыше 3000 Гц.

Основные методы измерения потерь на перемагничнвание.

Осциллографический метод . Идея осциллографического метода состоит в следующем. На магнитный образец (рис. 3.3) накладывают намагничивающую обмотку w _н и обмотку для измерения индукции w _B . На вертикальные пластины электронного осциллографа (с электростатическим управлением) подают напряжение, пропорциональное намагничивающему току, например с резистора R _ш , включенного в цепь последовательно. При этом мгновенное значение напряжения на вертикальных пластинах пропорционально мгновенному значению намагничивающего поля.

На горизонтальные пластины подают напряжение с конденсатора С, включенного последовательно с обмоткой w _B и активным сопротивлением r. При соблюдении условий r >> x _C напряжение на горизонтальных пластинах

т.е. его мгновенное значение пропорционально мгновенному значению индукции в образце.

В результате сложения отклонений по горизонтали и вертикали электронный луч описывает кривую , изображающую в некоторых масштабах (они могут быть подсчитаны) динамическую петлю гистерезиса.

Осциллографический метод обладает исключительной наглядностью и может быть использован в широком частотном диапазоне. Однако большим недостатком метода является его малая точность. Погрешности измерений Н и В для этого метода порядка 7–10%.

Ваттметровый метод основан на измерении ваттметром полной мощности, затрачиваемой в цепи катушки с магнитным образцом. Схема измерения показана на рис. 4. Потери на перемагничивание в образце подсчитывают как разность между показаниями ваттметра и потерями в измерительных приборах и намагничивающей обмотке.

Ваттметровый метод во многих странах стандартизован для испытания электротехнических сталей.

О значении индукции судят косвенно, по показаниям вольтметра, с помощью которого измеряют действующее значение напряжения на обмотке Wв :

U  E = 4 K _ф f w S B _max , (4)

где Е – э.д.с., уравновешивающая приложенное напряжение; К _ф – коэффициент формы кривой, равный для синусоиды 1,11; f – частота; w – число витков обмотки Wв ; S – площадь сечения образца; B _max – максимальное значение магнитной индукции.

Ваттметровый метод позволяет измерять потери только на низких частотах, что объясняется в основном трудностью создания точных высокочастотных ваттметров.

Калориметрический метод основан на измерении теплоты, выделяемой перемагничиваемым образцом. Основное преимущество метода перед ваттметровым состоит в возможности измерений в сложных режимах намагничивания и в широком частотном диапазоне – от инфранизких частот до СВЧ.

Теплоту, выделяемую образцом, можно измерить абсолютным или дифференциальным методом.

Абсолютным методом измеряют температуру жидкости, заполняющей калориметр с образцом. Для этой цели применяют термометры с пределами измерения порядка 18–20°С с ценой деления 0,01°С.

Пределы измеряемых таким методом мощностей составляют от нескольких единиц до нескольких десятков ватт. Относительная погрешность измерения потерь в образце равна приблизительно 1%.

Дифференциальный метод, обладающий большей чувствительностью, чем абсолютный, реализуют с помощью установки, которая состоит из двух идентичных калориметров: в один помещают испытуемый магнитный образец, а в другой – заменитель образца из диэлектрика с малыми потерями. На образце имеется намагничивающая обмотка, а на заменителе образца – обмотка из провода с большим удельным сопротивлением, по которой пропускают плавно регулируемый постоянный ток известного значения. В каждый калориметр помещают батарею термопар, которые включают навстречу друг другу. Отсутствие тока в этой цепи означает равенство мощностей тепловыделений магнитного образца и его заменителя. В этом случае потери в образце можно вычислить по формуле

P = I 2 r , (5)

где Р – мощность постоянного тока, выделяемая в калориметре с заменителем образца.

Дифференциальный метод позволяет снизить предел измерения потерь до единиц милливатт с погрешностью порядка 2,5% в широком диапазоне частот (до 1 МГц). Для измерения индукции на кольцевой образец кроме намагничивающей наматывают измерительную обмотку, подключаемую к вольтметру.

При испытаниях наиболее удобны образцы кольцевой формы . Для кольцевого образца со средним диаметром D _ср , числом витков намагничивающей обмотки Wн и током в ней I напряженность поля подсчитывают по формуле

Преимуществом кольцевых образцов, кроме простоты определения напряженности поля, является высокая степень однородности намагничивания. Однако кольцевые образцы не всегда можно изготовить, на них трудно наматывать обмотки и они не позволяют создавать сильные намагничивающие поля.

Методика измерения магнитных свойств электротехнической стали.

В данной лабораторной работе использовалась методика измерения магнитных свойств электротехнической стали, основанная на комбинации осциллографического и ваттметрового методов. Испытания проводились путем измерения мгновенных значений напряжения и тока катушки за один период частоты сети и дальнейшей обработки полученных данных с использованием ЭВМ.

Исследование магнитных свойств электротехнической стали на переменном токе частотой 50 Гц в проводится на двух образцах, фотографии которых показаны на рис. 5 и 6. Первый образец имеет кольцевой магнитопровод из стали марки 2412, вторым образцом является магнитопровод статора асинхронного двигателя из стали марки 1521. На обоих образцах намотаны две тороидальные обмотки – намагничивающая Wн и измерительная Wв . Параметры образцов приведены в таблице 1.

Электротехническая сталь 1211, 1212, 1311; 2 – электротехническая сталь 3411 (для полюсов); 3 – литая сталь (ст.3.). I x A – масштабы по осям I и А;

Магнитные напряжения сердечника якоря, полюсов и ярма относительно малы и могут рассчитываться более приближенно.

Поток Ф_d разветвляется в спинке сердечника якоря на две части (рис.2.3), и средняя индукция в спинке

Высоту спинки якоря h _a выбирают так, чтобы значение индукции в спинке якоря для номинального режима было в диапазоне, указанном в табл.1.

Индукция по сечению спинки якоря, а также вдоль магнитной линии на рис.2.3 несколько изменяется. Однако магнитное напряжение сердечника якоря относительно мало. Поэтому Н_а = f(В_а), определяется по кривой намагничивания для электротехнической стали рис.1.10 (кривая 1) или по таблице 5. Магнитное напряжения спинки якоря

где L_a – длина средней силовой линии спинки якоря, которую можно вычислить приближенно по следующей формуле:

При расчете магнитных напряжений полюсов и ярма необходимо учесть, что обмотка возбуждения создает, кроме потока Ф_d, также поток рассеяния Ф _G , который охватывает обмотку возбуждения и проходит минуя воздушный зазор, между полюсными наконечниками и якорем, через сердечники полюсов и ярмо (рис.2.11).

Величина называется коэффициентом рассеяния полюсов и может быть рассчитана по приближенным формулам

Рис.2.11. Поток рассеяния обмотки возбуждения между полюсами (а)

И торцевой области (б)

В МПТ обычно G = 1,10 – 1,25, причем большие значения относятся к многополюсным машинам с дополнительными полюсами, а меньшие – к машинам без дополнительных полюсов.

При известном значении G определяется индукция в сердечниках главных полюсов

Ширину полюса b_m выбирают так, чтобы значение индукции полюса для номинального режима было в диапазоне, указанном в табл.1. Н _m = f(B_m), определяется по кривой намагничивания листовой электротехнической стали марки 3411 рис.2.10 (кривая 2) или по таблице 6.

Магнитное напряжение полюса

Индукция в ярме

где h _я – высота (толщина) ярма;

l _я = l_m +0,4Д_а – длина ярма в осевом направлении.

Высоту ярма h _я выбирают так, чтобы индукция в ярме была в диапазоне, указанном в табл.1. Н_я = f(B _я), определяется по кривой намагничивания для литой стали марки Ст.3 (кривая 3) рис.2.10 или по таблице 7.

Магнитное напряжение ярма

где L _я – длина средней силовой линии в ярме.

Выше предполагалось, что пазы в полюсных наконечниках отсутствуют. При наличии таких пазов рассчитывается также магнитное напряжение для зубцового слоя полюсных наконечников, а h_m при нахождении F_m соответственно уменьшается. Сложив вычисленные магнитные напряжения участков магнитной цепи, получим сумму магнитных напряжений машины на один полюс.

и на пару полюсов

Для построения магнитной характеристики МПТ следует повторить расчет F_B для ряда значений основного потока Ф (0,5 Ф ;0,75 Ф ;0,9 Ф ;1,1 Ф ; 1,25 Ф ). Результаты вычислений оформляются в виде таблицы 3 и по ним строиться зависимость Ф_d = f(2 i_B)или Ф_d = f(2 F_B)(рис.2.12, кривая 1), которые отличаются только масштабом по оси абсцисс. Такие зависимости называются кривыми намагничивания или магнитными характеристиками машины.

Рис.2.12. Магнитная характеристика машины

Начальная прямолинейная часть магнитной характеристики соответствует насыщению магнитной цепи, когда магнитные напряжения ферромагнитных участков этой цепи весьма малы по сравнению с F_d. Поэтому, если провести касательную 2 к начальной части кривой 1 (рис.2.12), то она представит собой зависимость Ф_d = f(2 F ). Разность абсцисс кривой 1 и кривой 2 равна магнитным напряжениям ферромагнитных участков магнитной цепи.

Степень насыщения магнитной цепи характеризуется коэффициентом насыщения.

Этот же коэффициент можно определить графически, с помощью магнитной характеристики машины (рис.1.12)

По результатам сравнения, ошибка при нахождении k разными методами не должна превышать 5%

Строить машину с ненасыщенной магнитной цепью невыгодно, т.к. при этом материалы будут недоиспользованы, и машина получится тяжелой.

Нецелесообразно также строить машину с чрезвычайно насыщенной магнитной цепью, т.к. в этом случае F_B велико и необходимо выполнить мощную обмотку возбуждения с большим расходом меди или алюминия и с большими потерями мощности на возбуждения. По этим причинам электрические машины изготавливаются с умеренным насыщением при номинальном режиме. Рабочая точка МПТ располагается на перегибе характеристики, соответствующему режиму насыщения магнитной цепи. В этом случае магнитная система машины используется оптимально.

В рассматриваемом случае рабочая точка лежит несколько выше колена магнитной характеристики (около точки С на рис.2.12). Обычно при номинальном магнитном потоке k =1,20 – 1,35, в некоторых случаях допускается увеличение до 1,70 – 2.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.012)

Читайте также: