Сталь 10880 кривая намагничивания

Обновлено: 17.05.2024

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.

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.

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.

Электротехнические стали. Марки, свойства и области применения

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.

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 (0.009)

Читайте также: