Температурный коэффициент удельных магнитных потерь. Магнитные потери
Потери в магнитопроводе существенно зависят от частоты воздействующего на него магнитного поля. Поэтому потери в магнитопроводе разделяют на:
- статические
- динамические
Статические потери — это потери на перемагничивание магнитопровода. Магнитный поток, проходя по сердечнику разворачивает все домены то по направлению магнитного поля, то в противоположном направлении, при этом поле совершает работу: раздвигается кристаллическая решётка, выделяется тепло и магнитный сердечник разогревается. Статические потери пропорциональны площади петли (S петли), частоте (f сети) и весу (G ) сердечника:
P г ≡ S петли × f сети × G .Это, так называемые, потери на гистерезис. Чем уже петля, тем меньше потери. При уменьшении толщины ленты возрастает Н с, увеличивается площадь петли и потери на гистерезис возрастают. При увеличении частоты поля уменьшается μ а и также возрастают потери.
Динамические потери — это потери на вихревые токи. Петля гистерезиса, снятая на постоянном токе (f c = 0) называется статической петлей. С увеличением частоты f c на этот график начинают оказывать действие вихревые токи.
Ферромагнетик (сталь) — хороший электропроводник, поэтому магнитный поток, проходя по сердечнику наводит в нём токи, которые охватывают каждую магнитную силовую линию. Эти токи создают свои магнитные потоки, направленные навстречу основному магнитному потоку. Результат сложения наведённых токов в толще магнитопровода такой, что суммарный ток как бы вытесняется к краям массивного магнитопровода, как это показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Вихревые токи в ферромагнетике
Между силовыми линиями токи компенсируются и, в результате, ток протекает только по периметру. Сталь имеет малое омическое сопротивление, поэтому ток достигает значений сотен и тысяч ампер, вызывая разогрев магнитопровода. Для уменьшения вихревых токов необходимо увеличить омическое сопротивление, что достигается набором сердечника из изолированных пластин. Чем тоньше пластина (лента), тем выше её сопротивление и меньше вихревые токи. В зависимости от рабочей частоты толщина (Δ) пластин (ленты) различна. В таблице 1 приведена зависимость толщины пластин от частоты сети
Таблица 1. Толщина пластин в зависимости от частоты сети
Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, квадрату толщины и весу сердечника P в ≡ f 2 × Δ 2 × G . Поэтому на высоких частотах используются очень тонкие материалы. Наименьшими потерями обладают ферриты — порошок ферромагнетика спекаемый при высокой температуре. Каждая крупинка изолирована окислом, поэтому вихревые токи очень малы. Последняя строка таблицы 1 соответствует именно такому варианту изготовления магнитного сердечника.
Общие потери в магнитопроводе (Р МАГ) равны сумме статических и динамических потерь:
Р МАГ = Р г + Р в.В справочниках на магнитные материалы потери Р г и Р в не разделяют, а приводят суммарные потери на 1 кг материала — Р уд . Итоговые потери находят простым умножением удельных потерь на вес сердечника
Р МАГ = Р уд × G (2)Поскольку потери являются многопараметрической величиной, то в справочниках приводятся таблицы или графические зависимости удельных потерь от того или иного параметра. Например, на рисунке 2 показаны зависимости потерь от индукции для стали толщиной Δ = 0,35 мм на частоте f = 50 Гц для разного типа проката.
Рисунок 2. Зависимость потерь в электротехнической стали от индукции
Для других частот такие зависимости будут иными. Если режим эксплуатации магнитопровода не соответствует режиму измерения потерь, то потери можно пересчитать на требуемый режим по эмпирической, но вполне пригодной формуле:
(3)
где α
, β = 1,3...2 — эмпирические коэффициенты, которые с достаточной
для практики точностью можно принять равными 2;
f
0 , B
0 — режим измерения, для которого приводятся графики
или табличные справочные данные;
f x , B x
— режим эксплуатации для которого требуется найти потери.
В таблице 2 приведены примерные удельные потери некоторых ферромагнитных материалов, применяемых в магнитопроводах трансформаторов и катушек индуктивности.
Таблица 2. Удельные потери некоторых ферромагнитных материалов
Видно, что потери в пермаллое зависят от толщины ленты. Потери в ферритах на высокой частоте меньше, чем на низкой частоте из-за снижения потерь на гистерезис. Обычно вопрос о выборе материала для сердечника решается с позиции наименьших потерь мощности.
Известно, что при воздействии на ферромагнетик магнитным полем фиксированной напряженности Н , значение намагниченности J , а значит, и индукция В , обусловленные этим полем, достигают своих расчетных значений с некоторым запаздыванием. Такое явление называется магнитной вязкостью . Магнитная вязкость является одним из факторов, вызывающим необратимые потери энергии (и, следовательно, разогрев, материала) в ферромагнитном теле; эти потери называются потерями на магнитную вязкость или остаточными потерями.
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле также связан с тепловыми потерями части энергии магнитного поля. Потери энергии в форме тепла характеризуются удельными магнитными потерями Р уд. По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические потери .
Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Эти потери пропорциональны площади петли гистерезиса и величине частоты переменного поля. Удельная мощность потерь Р г, расходуемая на гистерезис, определяется:
Р г = h f B мах n , (5.38)
где h - коэффициент, зависящий от свойств материала; B мах - максимальная индукция в течение цикла; n - показатель степени (n = 1,6 - 2,0); f - частота изменения магнитного поля.
Динамические потери вызываются вихревыми токами и потерями на магнитную вязкост ь.
Динамические потери, обусловленные потерями на магнитную вязкость, связаны с отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля.
Потери на вихревые токи вызываются токами, которые индуцируются в магнитном материале за счет изменяющегося магнитного потока: за счет явления электромагнитной индукции, возникает ЭДС. В материале возникают круговые (циркулярные) токи (токи Фуко ). Т.к. ферромагнетики типа стали или нихрома являются проводящими материалами, то значительные токи Фуко приводят к разогреву материала (иногда до сотен градусов Цельсия). Уменьшение электрического сопротивления материала магнетика приводит к возрастанию потерь, и, следовательно, к большему разогреву материала.
Удельная мощность потерь выражается следующим образом
P (f ) = bf B мах 2 , (5.39)
где b - коэффициент, зависящий от типа материала и его формы.
Очевидно, что первоочередной задачей для уменьшения потерь за счет токов Фуко является увеличение удельного сопротивления материала, но это не всегда возможно, например, все сорта стали обладают близкими значениями удельного электрического сопротивления.
Чтобы уменьшить действие вихревых токов и снизить потери на перемагничивание ферромагнетиков, магнитопровод делают не цельным, а собирают его (шихтуют ) из изолированных друг от друга тонких листов стали , плоскости которых располагают параллельно магнитным силовым линиям . В подобной конструкции, во-первых, каждый лист изолирован друг от друга, т.е. сопротивление между ними достаточно велико, и токи Фуко существенно уменьшаются. Во-вторых, за счет правильного выбора ориентации листа стали относительно линий магнитной индукции, в каждом листе сердечника изменяется небольшая часть потока, поэтому ЭДС, индуктируемая в контуре листа, и вихревые токи в нем становятся меньше.
Наконец, величина вихревых токов в листе снижается, потому что пути тока в листе удлиняется, а сечение листа – уменьшается.
Снижения величины вихревых токов добиваются увеличением удельного электрического сопротивления материала сердечника путем введения в электротехнические стали присадки кремния. В этих же целях используют магнитодиэлектрические и ферритовые сердечники.
К дополнительным потерямотносят все потери, отличные от потерь на вихревые токи и гистерезис; они могутбыть обусловлены такими явлениями как магнитная вязкость, резонанс смещения магнитных стенок, резонанс, вызванный анизотропностью и вращением вектора намагниченности и т. п.
Все эти потери представляют собой диссипацию энергии - необратимые потери энергии, рассеиваемой в виде тепла в ферромагнитных материалах. В переменном магнитном поле они определяют дополнительную нагрузку на источник питания электрической цепи. Например, введение магнитного материала (магнитопровода) в обмотку (катушку, соленоид, тороид и т.п.) эквивалентно увеличению электрического сопротивления цепи постоянного тока.
Мощность магнитных потерь (или, просто, магнитные потери ) в магнитопроводе P i (Вт) определяет эквивалентное сопротивление R i :
R i = P i /I 2 , Ом, (5.40)
где I - действующее значение силы тока в цепи, А.
На рис. 5.6 приведены условная электрическая (а) и эквивалентная схема замещения (б), а также векторная диаграмма (в) токов и напряжений.
Тангенс угла магнитных потерь в магнитном материале вычисляется следующим образом:
tgd м = U R /U L = R i /wL = (R г_ + R в + R д)/wL , (5.41)
где R г, R в, R д - эквивалентные сопротивления, обусловленные соответственно, гистерезисом, вихревыми и дополнительными потерями.
Рис. 5.6. Схема (а), эквивалентная схема замещения (б), векторная диаграмма цепи с магнетиком
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле сопровождается превращением определенной части энергии магнитного поля в теплоту, что внешне проявляется в нагреве магнитного материала. Эта энергия за единицу времени называется магнитными потерями . Она обычно характеризуется удельными магнитными потерями p уд, Вт/кг, или тангенсом угла магнитных потерь tgδ м.
С точки зрения механизма возникновения потерь различаются два основных вида магнитных потерь - потери на гистерезис и потери на вихревые токи.
Потери па гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимыми перемещениями доменных границ. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Так как гистерезисный цикл и связанные с ним потери повторяются в течение каждого периода, потери на гистерезис пропорциональны частоте переменного магнитного поля.
Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуктирует в магнитном материале. Они пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, а потому при высоких частотах являются ограничивающим фактором применения магнитных материалов.
В очень слабых магнитных полях и, как правило, в магнитомягких материалах различают еще одинмеханизммагнитных потерь - дополнительные потери на магнитное последействие (магнитную вязкость). Физическая сущность этого механизма пока еще недостаточно ясна.
Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса, т.е. очень малую коэрцитивную силу. Например, коэрцитивная сила такого материала, как супермаллой, равна 0,2 А/м. Кроме того, принимаются различные меры для уменьшения вихревых токов. Общей целью этих мер является повышение удельного электрического сопротивления магнитных материалов. Например, в электротехнических сталях повышение удельного электрического сопротивления достигается примесью кремния в концентрации до 5%. Эти материалы изготавливаются в виде тонких листов, поверхность которых электрически изолируется. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты соответствующим электроизоляционным материалом. С этой точки зрения наиболее выгодны ферримагнитные материалы (ферриты), которые по значению удельного сопротивления могут быть отнесены к полупроводникам и даже диэлектрикам.
Магнитомягкие материалы отличаются способностью легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют узкую петлю гистерезиса, малую коэрцитивную силу, высокие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости, большую магнитную индукцию насыщения и малые удельные магнитные потери.
Свойства и область применения технически чистого железа, а также листовых электротехнических сталей с разным содержанием кремния
Технически чистым железом считается железо, содержащееменее 0,1% углерода и очень малое количество других примесей.
В зависимости от способа изготовления чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.
Электролитическое железо применяется в постоянных полях, когда требуется большая индукция насыщения.
Карбонильное железо используется, главным образом, в виде порошка для изготовления сердечников в высокочастотной электротехнике.
Листовые электротехнические стали изготавливаются из кремнистых сталей с содержанием углерода менее 0,05% и кремния от 0,7 до 4,8%.
По способу прокатки электротехнические листовые стали делятся на обычные (горячекатаные), которые имеют изотропные свойства, и на текстурованные (холоднокатаные), которые имеют магнитную текстуру, вследствие чего они являются анизотропными.
Свойства и область применения сплавов с высокой начальной магнитной проницаемостью (пермаллои), с постоянной магнитной проницаемостью (перминвары) и с большой магнитной индукцией насыщения (пермендюры)
К материалам с высокой начальной проницаемостью относится группа сплавов железа и никеля с содержанием никеля от 35 до 80%, известных под названием пермаллои. Наряду с совершенно чистым железом это наиболее ярко выраженные магнитомягкие материалы вообще. Сплав супермаллой с приблизительным составом 79% Ni, 15% Fе, 5% Мо, 0,5% Мn имеет максимальную относительную проницаемость до 2 10 6 при незначительной коэрцитивной силе H с =0,2 А/м.
Недостатками сплавов типа пермаллоя являются их относительно высокая стоимость (содержат дефицитные металлы), необходимость сложной термообработки и сильная зависимость свойств от механических воздействий.
Материалы с постоянной магнитной проницаемостью отличаются узкой петлей гистерезиса. Самым известным материалом с постоянной магнитной проницаемостью является перминвар (состав: 45% Ni, 29,4% Fе, 25% Со и 0,6% Mn). Сплав подвергают отжигу при 1000 °С, после чего выдерживают при 400 - 500 °С и медленно охлаждают. Перминвар имеет небольшую коэрцитивную силу, начальная магнитная проницаемость перминвара равна 300 и сохраняет постоянное значение в интервале напряженности поля до 250 А/м при индукции 0,1 Тл. Перминвар недостаточно стабилен в магнитном отношении, чувствителен к влиянию температуры и механическим напряжениям. Более удовлетворительной стабильностью магнитной проницаемости отличается сплав, именуемый изопермом, в состав которого входят железо, никель и алюминий или медь. Изоперм имеет магнитную проницаемость 30-80, которая мало изменяется в поле напряженностью до нескольких сот ампер на метр.
Наибольшей магнитной индукцией насыщения наряду с кремнистыми электротехническими сталями с низким содержанием кремния отличаются материалы типа пермендюр на основе железокобальтовых сплавов, обладающие особо высокой индукцией насыщения, до 2,4 Тл, т.е. большей, чем у всех известных ферромагнетиков. Удельное электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Это сплавы железа с кобальтом при содержании кобальта от 49 до 70%, легированные ванадием (2%).
Пермендюры могут применяться вследствие их высокой стоимости только в специализированной аппаратуре, в частности в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах и т.д.
Свойства и область применения сплавов со специальными свойствами (термокомпенсационные сплавы, сплавы для изготовления постоянных магнитов на основе металлов)
Материалы с большой зависимостью магнитной проницаемости от температуры используются для температурной компенсации (термокомпенсации ) магнитных цепей. К ним относятся термомагнитные сплавы на основе Ni-Cu, Fe-Ni или Fe-Ni-Сr. Указанные сплавы применяются для компенсации в установках температурной погрешности, вызываемой изменением индукции постоянных магнитов или изменением сопротивления проводов в магнитоэлектрических приборах по сравнению с тем значением, при котором производилась градуировка. Для получения ярко выраженной температурной зависимости магнитной проницаемости используется свойство ферромагнетиков снижать индукцию с ростом температуры вблизи точки Кюри. Для этих ферромагнетиков точка Кюри лежит между 0 и 100 °С в зависимости от добавок легирующих элементов. Сплав Ni-Cu при содержании 30 % Cu может компенсировать температурные погрешности для пределов температуры от -20 до +80 0 С (рис. 48), а при 40 % Cu - от -50 до +10°С.
|
Рисунок 48 - Температурная зависимость индукции термомагнитного сплава в магнитном поле напряженностью 8 кА/м
Наибольшее техническое применение получили сплавы Fe-Ni-Со (компенсаторы). Достоинствамиих являются: полная обратимость свойств в диапазоне изменения температуры от -70 до +70 °С, высокая воспроизводимость характеристик образцов и хорошая механическая обрабатываемость.
Из них изготавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность магнитных свойств цепей с постоянным магнитом. С ростом температуры магнитный поток в рабочем зазоре постоянного магнита падает. Это изменение компенсируется увеличением магнитного сопротивления магнитного шунта.
Известными термокомпенсационными сплавами являются пермаллой с содержанием никеля 30%, в котором значение температуры точки Кюри регулируется небольшими изменениями содержания никеля, а также сплав железа с никелем (30%) и молибденом (2%).
Для изготовления постоянных магнитов используются магнитотвердые материалы, которые отличаются высокими значениями удельной магнитной энергии, а следовательно, и энергетического произведения (ВН) тах. Они, как правило, имеют высокие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции. С точки зрения структуры для них типичны внутренние напряжения и большое количество различных дефектов, которые затрудняют перемещение доменных границ. В ряде случаев в материалах преднамеренно создаются однодоменные области, которые можно перемагнитить только путем изменения направления намагничивания, что требует значительной энергии. Поэтому такие материалы имеют большую коэрцитивную силу.
Самыми старыми материалами для постоянных магнитов являются мартенситные стали. В настоящее время используются только легированные мартенситные стали, несущие названия в соответствии с названием легирующей присадки: хромовые (до 3% Сr), вольфрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). В настоящее время доля магнитов, изготавливаемых из мартенситных сталей, составляет менее 10%.
Самое большое количество постоянных магнитов изготавливается из сплавов типа Аl-Ni и Аl-Ni-Co.
Сплавы типа Аl-Ni (альни) являются сплавами железа с никелем (20-30%) и алюминием (11-13%). Они очень тверды и хрупки, поэтому постоянные магниты изготавливаются из них литьем или методами порошковой металлургии. Они обладают анизотропией свойств. Сплавы легируются медью, чем достигается лучшая повторяемость свойств и облегчается обработка. В качестве легирующего элемента используется и титан. Коэрцитивная сила Н c сплавов достигает 50 кА/м, а (ВН) max достигает 12 кДж/м 3 .
Сплавы типа Аl-Ni-Со (альнико) представляют собой сплавы железа с никелем (12-26%), кобальтом (2-40%) и алюминием (6-13%) с добавлением меди (2-8%), титана (0-9%) и ниобия (0-3%) для улучшения свойств. При содержании Со до 15% они изотропны, при большем содержании кобальта они подвергаются термомагнитной обработке и являются анизотропными. Изотропные сплавы имеют (ВН) тах до 16 кДж/м 3 , анизотропные сплавы - до 44 кДж/м 3 . Сплавы с ориентированной кристаллизацией в направлении предстоящего намагничивания имеют (ВН) тах до 83 кДж/м 3 . Сплавы типа альнико в несколько раз дороже сплавов типа альни.
Имеют большое значение и магнитотвердые сплавы типов Fе-Со-Мо, Fе-Со-V, Сu-Ni-Fе (анизотропный), Сu-Ni-Со, Аg-Мn-Аl и др.
Удельные потери энергии па гистерезис Р, -- это потери, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл. Удельные потери на гистерезис часто измеряют в ваттах на килограмм (Вт/кг) магнитного материала. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции B М. Удельные потери на гистерезис за один цикл определяются площадью петли гистерезиса, т. е. чем больше петля гистерезиса, тем больше потери в материале.
Динамическая петля гистерезиса образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь. чем статическая, так как при действии переменного магнитного поля в материале возникают кроме потерь на гистерезис потери на вихревые токи и магнитное последействие, которое определяется магнитной вязкостью материала.
Потери Энергии на вихревые токи Р в, зависят от удельного электрического сопротивления с магнитного материала. Чем больше с тем меньше потери на вихревые токи. Потери энергии на вихревые токи зависят также от плотности магнитного материала и его толщины. Они также пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции B М и частоты f переменною магнитного ноля.
Для листового образца магнитного материала потери в переменном поле Р в (Вт/кг) подсчитывают по формуле
где h -- толщина листа, м; В м -- максимальное значение (амплитуда) магнитной индукции, Тл; f-- частота, Гц; d -- плотность материала, кг/м3; с -- удельное электрическое сопротивление материала, Ом*м.
При действии на материал переменного магнитного поля снимают динамическую кривую намагничивания и соответственно динамическую петлю гистерезиса. Отношение амплитуды индукции к амплитуде напряженности магнитного поля на динамической кривой намагничивания представляет собой динамическую магнитную проницаемость м ~ = В м /Н м.
Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности гистерезисной петли К П - характеристикой, вычисляемой по предельной петле гистерезиса: К П = В н В м.
Чем больше величина К П, тем прямоугольнее гистерезисная петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и запоминающих устройствах ЭВМ, К П = 0,7-0,9.
Удельная объёмная энергия W M (Дж/м3) - характеристика, применяемая для оценки свойств магнитно-твёрдых материалов, - выражается формулой W M = (B d H d /2)M, где B d - индукция соответствующая максимальному значению удельной объёмной энергии, Тл; Н d - напряжённость магнитного поля, соответствующая максимальному значению удельной объёмной энергии, А/м.
Рис. 1.6.1
Кривые 1 размагничивания и 2 удельной магнитной энергии разомкнутого магнита изображены на рис. 1.6.1 Кривая 1 показывает, что при некотором значении индукции B d и соответствующей напряжённости магнитного поля Н d удельная объёмная энергия постоянного магнита достигает максимального значения W d . Это наибольшая энергия, создаваемая постоянным магнитом в воздушном зазоре между его полюсами, отнесённая к единице объёма магнита. Чем больше числовое значение W M , тем лучше магнитно-твёрдый материал и, следовательно, тем лучше изготовленный из него постоянный магнит.
В статье приводится информация о видах материалов применяемых при изготовлении электродвигателей, генераторов и трансформаторов. Даются краткие технические характеристики некоторых из них.
Классификация электротехнических материалов
Материалы, применяемые в электрических машинах, подразделяются на три категории: конструктивные, активные и изоляционные.
Конструктивные материалы
применяются для изготовления таких деталей и частей машины, главным назначением которых является восприятие и передача механических нагрузок (валы, станины, подшипниковые щиты и стояки, различные крепежные детали и так далее). В качестве конструктивных материалов в электрических машинах используется сталь, чугун, цветные металлы и их сплавы, пластмассы. К этим материалам предъявляются требования, общие в машиностроении.
Активные материалы
подразделяются на проводниковые и магнитные и предназначаются для изготовления активных частей машины (обмотки и сердечники магнитопроводов).
Изоляционные материалы применяются для электрической изоляции обмоток и других токоведущих частей, а также для изоляции листов электротехнической стали друг от друга в расслоенных магнитных сердечниках. Отдельную группу составляют материалы, из которых изготовляются электрические щетки, применяемые для отвода тока с подвижных частей электрических машин.
Ниже дается краткая характеристика активных и изоляционных материалов, используемых в электрических машинах.
Проводниковые материалы
Благодаря хорошей электропроводности и относительной дешевизне в качестве проводниковых материалов в электрических машинах широко применяется электротехническая медь, а в последнее время также рафинированный алюминий. Сравнительные свойства этих материалов приведены в таблице 1. В ряде случаев обмотки электрических машин изготовляются из медных и алюминиевых сплавов, свойства которых изменяются в широких пределах в зависимости от их состава. Медные сплавы используются также для изготовления вспомогательных токоведущих частей (коллекторные пластины, контактные кольца, болты и так далее). В целях экономии цветных металлов или увеличения механической прочности такие части иногда выполняются также из стали.
Таблица 1
Физические свойства меди и алюминия
| Материал | Сорт | Плотность, г/см 3 | Удельное сопротивление при 20°C, Ом×м | Температурный коэффициент сопротивления при ϑ °C, 1/°C | Коэффициент линейного расширения, 1/°C | Удельная теплоемкость, Дж/(кг×°C) | Удельная теплопроводность, Вт/(кг×°C) |
| Медь | Электротехническая отожженная | 8,9 | (17,24÷17,54)×10 -9 | 1,68×10 -5 | 390 | 390 | |
| Алюминий | Рафинированный | 2,6-2,7 | 28,2×10 -9 | 2,3×10 -5 | 940 | 210 |
Температурный коэффициент сопротивления меди при температуре ϑ °C
Зависимость сопротивления меди от температуры используется для определения повышения температуры обмотки электрической машины при ее работе в горячем состоянии ϑ г над температурой окружающей среды ϑ о. На основании соотношения (2) для вычисления превышения температуры
Δϑ = ϑ г - ϑ о
можно получить формулу
| (3) |
где r г - сопротивление обмотки в горячем состоянии; r x - сопротивление обмотки, измеренное в холодном состоянии, когда температуры обмотки и окружающей среды одинаковы; ϑ x - температура обмотки в холодном состоянии; ϑ о - температура окружающей среды при работе машины, когда измеряется сопротивление r г.
Соотношения (1), (2) и (3) применимы также для алюминиевых обмоток, если в них заменить 235 на 245.
Магнитные материалы
Для изготовления отдельных частей магнитопроводов электрических машин применяется листовая электротехническая сталь, листовая конструкционная сталь, листовая сталь и чугун. Чугун вследствие невысоких магнитных свойств используется относительно редко.
Наиболее важный класс магнитных материалов составляют различные сорта листовой электротехнической стали. Для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи в ее состав вводят кремний. Наличие примесей углерода, кислорода и азота снижает качество электротехнической стали. Большое влияние на качество электротехнической стали оказывает технология ее изготовления. Обычную листовую электротехническую сталь получают путем горячей прокатки. В последние годы быстро растет применение холоднокатанной текстурированной стали, магнитные свойства которой при перемагничивании вдоль направления прокатки значительно выше, чем у обычной стали.
Сортамент электротехнической стали и физические свойства отдельных марок этой стали определяются ГОСТ 21427.0-75.
В электрических машинах применяются главным образом электротехнические стали марок 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1411, 1412, 1511, 1512, 3411, 3412, 3413, которые соответствуют старым обозначениям марок сталей Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э42, Э310, Э320, Э330. Первая цифра обозначает класс стали по структурному состоянию и виду прокатки: 1 - горячекатаная изотропная, 2 - холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой. Вторая цифра показывает содержание кремния. Третья цифра указывает группу по основной нормируемой характеристике: 0 - удельные потери при магнитной индукции B = 1,7 T и частоте f = 50 Гц (p 1,7/50), 1 - удельные потери при B = 1,5 T и частоте f = 50 Гц (p 1,5/50), 2 - удельные потери при магнитной индукции B = 1,0 T и частоте f = 400 Гц (p 1,0/400), 6 - магнитная индукция в слабых полях при напряженности магнитного поля 0,4 А/м (B 0,4), и 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности магнитного поля 10А/м (B 10). Четвертая цифра - порядковый номер. Свойство электротехнической стали в зависимости от содержания кремния приведены в таблице 2
Таблица 2
Зависимость физических свойств электротехнической стали от содержания кремния
| Cвойства | Вторая цифра марки стали | |||
| 2 | 3 | 4 | 5 | |
Плотность, г/см 3 | ||||
Удельное сопротивление, Ом×м | ||||
Температурный коэффициент сопротивления, 1/°C | ||||
Удельная теплоемкость, Дж/(кг×°C) | ||||
С увеличением содержания кремния возрастает хрупкость стали. В связи с этим, чем меньше машина и, следовательно, чем меньше размеры зубцов и пазов, в которые укладываются обмотки, тем труднее использовать стали с повышенной и высокой степенью легирования. Поэтому, например, высоколегированная сталь применяется главным образом для изготовления трансформаторов и очень мощных генераторов переменного тока.
В машинах с частотой тока до 100 Гц обычно применяются листовая электротехническая сталь толщиной 0,5 мм, а иногда также, в особенности в трансформаторах, сталь толщиной 0,35 мм. При более высоких частотах используется более тонкая сталь. Размеры листов электротехнической стали стандартизированы, причем ширина листов составляет 240 - 1000 мм, а длина 1500 - 2000 мм. В последнее время расширяется выпуск электротехнической стали в виде ленты, наматываемой на рулоны.
Рис. 1. Кривые намагничивания ферромагнитных материалов
1 - электротехническая сталь 1121, 1311; 2 - электротехническая сталь 1411, 1511; 3 - малоуглеродистые литая сталь, стальной прокат и поковки для электрических машин; 4 - листовая сталь толщиной 1-2 мм для полюсов; 5 - сталь 10; 6 - сталь 30; 7 - холоднокатаная электротехническая сталь 3413; 8 - серый чугун с содержанием: С - 3,2%, Si 3,27%, Мп - 0,56%, Р - 1,05%; I × А - масштабы по осям I и А; II × Б - масштабы по осям II и Б
На рисунке 1 представлены кривые намагничивания различных марок стали и чугуна, а в таблице 3, согласно ГОСТ 21427.0-75, - значения удельных потерь p в наиболее распространенных марках электротехнической стали. Индекс у буквы p указывает на индукцию B в теслах (числитель) и на частоту f перемагничивания в герцах (знаменатель), при которых гарантируются приведенные в таблице 3 значения потерь. Для марок 3411, 3412 и 3413 потери даны для случая намагничивания вдоль направления прокатки.
Таблица 3
Удельные потери в электротехнической стали
| Марка стали | Толщина листа, мм | Удельные потери, Вт/кг | Марка стали | Толщина листа, мм | Удельные потери, Вт/кг | |||||
| p 1,0/50 | p 1,5/50 | p 1,7/50 | p 1,0/50 | p 1,5/50 | p 1,7/50 | |||||
| 1211 | 0,5 | 3,3 | 7,7 | - | 1512 | 0,5 | 1,4 | 3,1 | - | |
| 1212 | 0,5 | 3,1 | 7,2 | - | 0,35 | 1,2 | 2,8 | - | ||
| 1213 | 0,5 | 2,8 | 6,5 | - | 1513 | 0,5 | 1,25 | 2,9 | - | |
| 1311 | 0,5 | 2,5 | 6,1 | - | 0,35 | 1,05 | 2,5 | - | ||
| 1312 | 0,5 | 2,2 | 5,3 | - | 3411 | 0,5 | 1,1 | 2,45 | 3,2 | |
| 1411 | 0,5 | 2,0 | 4,4 | - | 0,35 | 0,8 | 1,75 | 2,5 | ||
| 1412 | 0,5 | 1,8 | 3,9 | - | 3412 | 0,5 | 0,95 | 2,1 | 2,8 | |
| 1511 | 0,5 | 1,55 | 3,5 | - | 0,35 | 0,7 | 1,5 | 2,2 | ||
| 0,35 | 1,35 | 3,0 | - | 3413 | 0,5 | 0,8 | 1,75 | 2,5 | ||
| 0,35 | 0,6 | 1,3 | 1,9 | |||||||
Потери на вихревые токи зависят от квадрата индукции, а потери на гистерезис - от индукции в степени, близкой к двум. Поэтому и общие потери в стали с достаточной для практических целей точностью можно считать зависящими от квадрата индукции. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, а на гистерезис - первой степени частоты. При частоте 50 Гц и толщине листов 0,35 - 0,5 мм потери на гистерезис превышают потери на вихревые токи в несколько раз. Зависимость общих потерь в стали от частоты вследствие этого ближе к первой степени частоты. Поэтому удельные потери для значений B и f , отличных от указанных в таблице 3, можно вычислять по формулам:
  |   | (4) |
где значение B подставляется в теслах (Т).
Приведенные в таблице 3 значения удельных потерь соответствуют случаю, когда листы изолированы друг от друга.
Для изоляции применяется специальный лак или, весьма редко, тонкая бумага, а также используется оксидирование.
При штамповке возникает наклеп листов электротехнической стали. Кроме того, при сборке пакетов сердечников происходит частичное замыкание листов по их кромкам вследствие появления при штамповке грата или заусенцев. Это увеличивает потери в стали в 1,5 - 4,0 раз.
Из-за наличия между листами стали изоляции, их волнистости и неоднородности по толщине не весь объем спрессованного сердечника заполнен сталью. Коэффициент заполнения пакета сталью при изоляции лаком в среднем составляет k c = 0,93 при толщине листов 0,5 мм и k c = 0,90 при 0,35 мм.
Изоляционные материалы
К электроизоляционным материалам, применяемым в электрических машинах, предъявляются следующие требования: по возможности высокие электрическая прочность, механическая прочность, нагревостойкость и теплопроводность, а также малая гигроскопичность. Важно, чтобы изоляция была по возможности тонкой, так как увеличение толщины изоляции ухудшает теплоотдачу и приводит к уменьшению коэффициента заполнения паза проводниковым материалом, что в свою очередь вызывает уменьшение номинальной мощности машины. В ряде случаев возникают также и другие требования, например устойчивость против различных микроорганизмов в условиях влажного тропического климата и так далее На практике все эти требования могут быть удовлетворены в разной степени.
Видео 1. Изоляционные материалы в электротехнике XVIII - XIX веков.
Изоляционные материалы могут быть твердые, жидкие и газообразные. Газообразными обычно являются воздух и водород, которые представляют собой по отношению к машине окружающую или охлаждающую среду и одновременно в ряде случаев играют роль электрической изоляции. Жидкие диэлектрики находят применение главным образом в трансформаторостроении в виде специального сорта минерального масла, называемого трансформаторным.
Наибольшее значение в электромашиностроении имеют твердые изоляционные материалы. Их можно разбить на следующие группы: 1) естественные органические волокнистые материалы - хлопчатая бумага, материалы на основе древесной целлюлозы и шелк; 2) неорганические материалы - слюда, стекловолокно, асбест; 3) различные синтетические материалы в виде смол, пленок, листового материала и так далее; 4) различные эмали, лаки и компаунды на основе природных и синтетических материалов.
В последние годы органические волокнистые изоляционные материалы все больше вытесняются синтетическими материалами.
Эмали применяются для изоляции проводов и в качестве покровной изоляции обмоток. Лаки используются для склейки слоистой изоляции и для пропитки обмоток, а также для нанесения покровного защитного слоя на изоляцию. Дву- или трехкратной пропиткой обмоток лаками, чередуемой с просушками, достигается заполнение пор в изоляции, что повышает теплопроводность и электрическую прочность изоляции, уменьшает ее гигроскопичность и скрепляет элементы изоляции в механическом отношении.
Пропитка компаундами служит такой же цели, как и пропитка лаками. Разница заключается только в том, что компаунды не имеют летучих растворителей, а представляют собой весьма консистентную массу, которая при нагревании размягчается, сжижается и способна под давлением проникать в поры изоляции. Ввиду отсутствия растворителей заполнение пор при компаундировании получается более плотным.
Важнейшей характеристикой изоляционных материалов является их нагревостойкость, которая решающим образом влияет на надежность работы и срок службы электрических машин. По нагревостойкости электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах и аппаратах, подразделяются, согласно ГОСТ 8865-70, на семь классов со следующими предельно допустимыми температурами ϑ макс:
В стандартах прежних лет содержатся старые обозначения некоторых классов изоляции: вместо Y, E, F, H соответственно О, АВ, ВС, СВ.
К классу Y относятся не пропитанные жидкими диэлектриками и не погруженные в них волокнистые материалы из хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка, а также ряд синтетических полимеров (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.). Этот класс изоляции в электрических машинах применяется редко.
Класс A включает в себя волокнистые материалы из хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка, пропитанные жидкими электроизоляционными материалами или погруженные в них, изоляцию эмаль-проводов на основе масляных и полиамиднорезольных лаков (капрон), полиамидные пленки, бутилкаучуковые и другие материалы, а также пропитанное дерево и древесные слоистые пластики. Пропитывающими веществами для этого класса изоляции являются трансформаторное масло, масляные и асфальтовые лаки и другие вещества с соответствующей нагревостойкостью. К данному классу относятся различные лакоткани, ленты, электротехнический картон, гетинакс, текстолит и другие изоляционные изделия. Изоляция класса A широко применяется для вращающихся электрических машин мощностью до 100 кВт и выше, а также в трансформаторостроении.
К классу E относится изоляция эмаль-проводов и электрическая изоляция на основе поливинилацеталевых (винифлекс, металвин), полиуретановых, эпоксидных, полиэфирных (лавсан) смол и других синтетических материалов с аналогичной нагревостойкостью. Класс изоляции E включает в себя новые синтетические материалы, применение которых быстро расширяется в машинах малой и средней мощности (до 10 кВт и выше).
Класс B объединяет изоляционные материалы на основе неорганических диэлектриков (слюда, асбест, стекловолокно) и клеящих, пропиточных и покровных лаков и смол повышенной нагревостойкости органического происхождения, причем содержание органических веществ по массе не должно превышать 50%. Сюда относятся прежде всего материалы на основе тонкой щипаной слюды (микалента, микафолий, миканит), широко применяемые в электромашиностроении.
В последнее время используются также слюдинитовые материалы, в основе которых лежит непрерывная слюдяная лента из пластинок слюды размерами до нескольких миллиметров и толщиной в несколько микрон.
К классу B принадлежат также различные синтетические материалы: полиэфирные смолы на основе фталевого ангидрида, полихлортрифторэтилен (фторопласт-3), некоторые полиуретановые смолы, пластмассы с неорганическим заполнителем и др.
Изоляция класса F включает в себя материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, но с применением органических лаков и смол, модифицированных кремнийорганическими (полиорганосилоксановыми) и другими смолами с высокой нагревостойкостью, или же с применением других синтетических смол соответствующей нагревостойкости (полиэфирные смолы на основе изо- и терефталевой кислот и др.). Изоляция этого класса не должна содержать хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка.
К классу H относится изоляция на основе слюды, стекловолокна и асбеста в сочетании с кремнийорганическими (полиорганосилоксановыми), полиорганометаллосилксановыми и другими нагревостойкими смолами. С применением таких смол изготовляются миканиты и слюдиниты, а также стекломиканиты, стекломикафолий, стекломикаленты, стеклослюдиниты, стеклолакоткани и стеклотекстолиты.
К классу H относится и изоляция на основе политетрафторэтилена (фторопласт-4). Материалы класса H применяются в электрических машинах, работающих в весьма тяжелых условиях (горная и металлургическая промышленность, транспортные установки и пр.).
К классу изоляции C принадлежат слюда, кварц, стекловолокно, стекло, фарфор и другие керамические материалы, применяемые без органических связующих или с неорганическими связующими.
Под воздействием тепла, вибраций и других физико-химических факторов происходит старение изоляции, т. е. постепенная потеря ею механической прочности и изолирующих свойств. Опытным путем установлено, что срок службы изоляции классов A и B снижается в два раза при повышении температуры на каждые 8-10° сверх 100°C. Аналогичным образом снижается при повышении температуры также срок службы изоляции других классов.
Электрические щетки
подразделяются на две группы: 1) угольно-графитные, графитные и электрографитированные; 2) металлографитные. Для изготовления щеток первой группы используется сажа, измельченные природный графит и антрацит с каменноугольной смолой в качестве связующего. Заготовки щеток подвергаются обжигу, режим которого определяет структурную форму графита в изделии. При высоких температурах обжига достигается перевод углерода, находящегося в саже и антраците, в форму графита, вследствие чего такой процесс обжига называется графитированием. Щетки второй группы содержат также металлы (медь, бронза, серебро). Наиболее распространены щетки первой группы.
В таблице 4 приводятся характеристики ряда марок щеток.
Таблица 4
Технические характеристики электрических щеток
| Класс щеток | Марка | Номинальная плотность тока, А/см 2 | Максимальная окружная скорость, м/с | Удельное нажатие, Н/см 2 | Переходное падение напряжения на пару щеток, В | Коэффициент трения | Характер коммутации при котором рекомендуется применение щеток |
Угольно-графитные | УГ4 | 7 | 12 | 2-2,5 | 1,6-2,6 | 0,25 | Несколько затрудненная |
Графитные | Г8 | 11 | 25 | 2-3 | 1,5-2,3 | 0,25 | Нормальная |
| Электрографитированные | ЭГ4 | 12 | 40 | 1,5-2 | 1,6-2,4 | 0,20 | Нормальная |
| ЭГ8 | 10 | 40 | 2-4 | 1,9-2,9 | 0,25 | Самая затрудненная | |
| ЭГ12 | 10-11 | 40 | 2-3 | 2,5-3,5 | 0,25 | Затрудненная | |
| ЭГ84 | 9 | 45 | 2-3 | 2,5-3,5 | 0,25 | Самая затрудненная | |
Медно-графитные | МГ2 | 20 | 20 | 1,8-2,3 | 0,3-0,7 | 0,20 | Самая легкая |