ГОСТ 12119.4-98

МІЖДЕРЖАВНИЙНИЙ СТАНДАРТ

Сталь електротехнічна

МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ МАГНІТНИХ І ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

Метод вимірювання питомих магнітних втрат та діючого значення напруженості
магнітного поля

Electrical steel.

Терміни, що застосовуються у цьому стандарті, - за ГОСТ 12119.0.

4 Підготовка зразків для випробувань

5 Застосовувана апаратура

Соленоїд повинен мати каркас з немагнітного ізоляційного матеріалу, на якому спочатку мають вимірювальну обмотку. II , потім одним або декількома проводами - обмотку, що намагнічує I. Кожен дріт рівномірно укладають в один шар.

Відносна максимальна різниця амплітуд магнітної індукції на ділянці зразка всередині соленоїда не повинна виходити за межі ±5 %.

6 Підготовка до проведення вимірювань

де m- Маса зразка, кг;

D, d - зовнішній та внутрішній діаметри кільця, м;

γ - Щільність матеріалу, кг/м 3 .

Щільність матеріалу γ, кг/м3 , вибирають за додатком 1 ГОСТ 21427.2 або розраховують за формулою

де K Si та K Ai - масові часткикремнію та алюмінію, %.

де - відношення густини ізоляційного покриття до густини матеріалу зразка,

де γ п - щільність ізоляції, прийнята рівною 1,6 ·10 3 кг/м 3 для неорганічного покриття та 1,1 · 10 3 кг/м 3 - для органічного;

Kз - Коефіцієнт заповнення, що визначається, як зазначено в ГОСТ 21427.1.

де lп - Довжина смуги, м.м.

де lл – довжина листа, м.

де S- Площа поперечного перерізу зразка, м2;

W 2 - Число витків обмотки II зразка;

r 2 - сумарний опір обмоткиII зразка Т2та котушки Т1, Ом;

rе - еквівалентний опір приладів та пристроїв, з'єднаних з обмоткою II зразка Т2, Ом, що розраховується за формулою

де r V 1 , r V 2 , r W , r A - Активні опори вольтметрівPV1, PV2,ланцюги напруги ватметраPWта ланцюги зворотного зв'язку по напрузі підсилювача потужності відповідно, Ом.

Величиною у формулі () нехтують, якщо її значення не перевищує 0,002.

де W 1 W 2 - число витків обмоток зразка Т2;

μ 0 - 4 π · 10 - 7 - магнітна постійна, Гн/м;

S 0 - площа поперечного перерізу вимірювальної обмотки зразка, м 2 ;

S- площа поперечного перерізу зразка, що визначається, як зазначено в , м 2 ;

lср - Середня довжина магнітної силової лінії, м.м.

Для зразків кільцевої форми середню довжину магнітної силової лінії.lср , м, розраховують за формулою

У стандартних випробуваннях для зразка зі смуг середню довжинуlпорівн. м, приймають рівною 0,94 м. При необхідності підвищення точності визначення магнітних величин допускається значенняlср вибирати з таблиці.

або за середньовипрямленим значенням ЕРСUср.м , в наведеній в обмотці IIкотушки T 1при включеній обмотці Iв ланцюг, що намагнічує, за формулою

де M - взаємна індуктивність котушки, Гн; не більше 1 · 10-2 Гн;

f- Частота перемагнічування, Гц.

де m - маса зразка, кг;

lп - Довжина смуги, м.м.

Для кільцевих зразків ефективну масу приймають рівної масізразка. Ефективну масу листового зразка визначають за наслідками метрологічної атестації установки.

7 Порядок проведення вимірювання

7.1 Визначення питомих магнітних втрат засноване на вимірі активної потужності, що витрачається на перемагнічування зразка та споживаної приладамиPV 1, PV 2, PWта ланцюгом зворотного зв'язку підсилювача. При випробуванні листового зразка враховують втрати у ярмах. Активну потужність визначають непрямим методом напруги на обмотціІІ зразка 72.

7.1 .1 На установці (див. малюнок) замикають ключі S 2, S3, S 4і розмикають ключS1.

7.1.2 Встановлюють напругуUпорівн. Uабо ( Uср + Δ U), В, по вольтметруPV 1; частоту перемагнічуванняf, Гц; перевіряють за амперметром РА, що ватметрP Wне перевантажений; замикають ключS 1і розмикають ключS2.

7.1.3 При необхідності регулюють джерелом живлення показання вольтметраPV1для установки заданого значення напруги та вимірюють чинне значення напругиU 1 , В, вольтметром PV 2та потужність Р м, Вт, ватметром PW.

7.1.4 Встановлюють напругу, що відповідає більшому значенню амплітуди магнітної індукції, і повторюють операції, зазначені в , .

7.2 Визначення діючого значення напруженості магнітного поля засноване на вимірюванні струму, що намагнічує.

7.2 .1 На установці (див. малюнок) замикають ключі S2, S 4і розмикають ключіS1, S3.

7.2.2 Встановлюють напругуU cp або U, В, частоту перемагнічуванняf, Гц, і визначають за амперметром РАзначення струму, що намагнічуєI, А.

7.2.3 Встановлюють більше значення напруги і повторюють операції, зазначені вта .

У змінних полях площа петлі гістерезису збільшується за рахунок втрат на гістерезис Рг, втрат на вихрові струми Р вта додаткових втрат Р-д.Така петля називається динамічною, а сумарні втрати повними чи сумарними. Втрати на гістерезис, що віднесені до одиниці обсягу матеріалу (питомі втрати) (Вт/м 3)

(8.10)

Ці ж втрати можна зарахувати до одиниці маси (Вт/кг)

(8.11)

де g - Щільність матеріалу, кг/м 3

Щоб зменшити втрати на гістерезис, використовують магнітні матеріали з малою коерцитивною силою. Для цього шляхом відпалу знімають внутрішню напругу в матеріалі, зменшують кількість дислокацій та інших дефектів і укрупнюють зерна.

Втрати на вихрові струми для листового зразка

(8.12)

де

B max - амплітуда магнітної індукції, ТЛ ;

f- частота змінного струму, Гц;

d- товщина листа, м;

g - густина, кг/м 3 ;

r - питомий електроопір, Ом. м.

Додаткові втрати або втрати на магнітну в'язкість (магнітна післядія) зазвичай знаходять як різницю між повними втратами та сумою втрат на гістерезис та вихрові струми

де J no- Намагніченість при t ® ¥; t - Час релаксації. На малюнку 8.14 показано залежність напруженості магнітного поля та намагніченості від часу дії магнітного поля. У магнітотвердих магнітних матеріалах час t магнітна релаксація може досягати декількох хвилин. Таке явище називають надв'язкістю.

8.14. Залежність намагніченості J та напруженості Н магнітного матеріалу від часу дії магнітного поля t

Ці втрати обумовлені насамперед інерційністю процесів перемагнічування доменів (витрата теплової енергії на пересування меж слабозакріплених доменів при зміні поля).

При перемагнічуванні у змінному полі відбувається відставання по фазі Ввід Нмагнітного поля. Відбувається це внаслідок дії вихрових струмів, що перешкоджають, відповідно до закону Ленца, зміни магнітної індукції, а також через гістерезисні явища та магнітну післядію.

δ м - кут відставання - кут магнітних втрат.

tg δ м – характеристика динамічних властивостей магнітних матеріалів.

Тангенс кута магнітних втрат використовують у змінних полях. Його можна виразити через параметри еквівалентної схеми, показаної на малюнку 8.15. Індуктивну котушку із сердечником із магнітного матеріалу представляють у вигляді послідовної схеми з індуктивності Lта активного опоруr.

Мал. 8.15. Еквівалентна схема (а) та векторна діаграма (б) індуктивної котушки з магнітним сердечником

Нехтуючи власною ємністю та опором обмотки котушки, отримуємо

tg d м = r/(w L)

(8.15)

Активна потужність Р а:

Р а=J 2. w L. tg d м .

(8.16)

Величина, зворотна tg d м називається добротністю

1

Тимофєєв І.А.

На залізокремних сплавах досліджено питомий опір залежно від щільності дислокацій та концентрації доменів. Вивчено застосування питомих втрат при індукції намагнічування в 1,0 та 1,5 Тл для залізокремних сплавів Fe-4% Si та Fe-6,5% Si. Наведено необхідні практичні відомості, порівняльні дані та результати випробувань, які можна використовувати для вибору необхідної технології виготовлення. Розроблена інноваційна технологіяМагнітопроводи можуть бути застосовані в технічному рішенні при виготовленні магнітних систем різних електротехнічних виробів.

У електротехнічних агрегатах, таких як генератори, двигуни, система генератор-двигун, трансформатори, магнітні підсилювачі, електромагніти контакторів та магнітних пускачів головним завданням є розподіл, посилення та перетворення електромагнітної енергії. Для цього потрібне застосування в магнітних системах для них матеріалів з малими втратами та високою індукцією насичення. Цим вимогам найкраще задовольняють залізокремні сплави.

Легуванням кремнієм, який утворює із залізом твердий розчин заміщення, зумовлює збільшення питомого електричного опору. Вплив кремнію на питомий електричний опір визначається наступною наближеною емпіричною формулою:

Залізокремні сплави з низькими значеннями питомого електричного опору не знаходять широкого застосування навіть у техніці низьких частот через підвищені величини вихрових струмів. На величину та напрямок вихрових струмів, крім розмірів магнітного сердечника, впливають його питомий електричний опір, частота електричного струму та магнітна проникність. Відповідно, вихрові струми, що викликаються перемагнічуванням магнітних матеріалів, впливають на питомі електричні втрати.

Уточнення розрахункової формули

Сучасні формули для підрахунку питомих втрат дають певні похибки. Розглянемо це з прикладів.

Спроба зробити розрахунок питомих втрат на вихрові струми у феромагнетиці було в 1926 р. Б.А. Введенським. Він запропонував таку формулу:

, (2)

де d - Товщина пластинки;

Про - магнітна індукція, Про =m×Н про;

ω-циклічна частота;

q – магнітна провідність.

Однак формула (2) дуже приблизно визначає питомі втрати на вихрові струми. Помилки Введенського полягали в тому, що значення магнітної провідності q необхідно було ввести в чисельник, а не в знаменник. З іншого боку, в чисельник необхідно було запровадити значення циклічної частоти над першої ступеня, тоді як у другий, тобто. w 2 , а знаменнику необхідно було врахувати значення щільності матеріалу.

Інтерес до визначення питомих втрат у магнітних матеріалах виник у зв'язку з можливістю широкого їх застосування при створенні гарячекатаної електротехнічної сталі для електричних машин. Після того, як у 1935 р. Гос виявив високі магнітні властивості у холоднокатаної електротехнічної сталі вздовж напрямку прокатки, інтерес до вивчення питомих втрат підвищився. У наступні роки активізуються дослідження щодо покращення електричних характеристик сталі.

Перше наближене напівфеноменологічне рівняння для розрахунку повних втрат у феромагнетиці, що проводить, в 1937 р. дали Елвуд і Легг:

Р повн. = , (3)

де - постійна для даного сплаву величина;

μ - магнітна проникність;

З - не залежить від В і w величина.

Експериментальна перевірка показала, що помилки Елвуда та Легга полягали в тому, що крім тих помилок, які були зроблені Введенським у наближене напівфеноменологічне рівняння (3), необхідно було ввести значення щільності матеріалу та коерцитивної сили. Введені параметри B 0 3і μ 3 рівняння (3) додатково спотворюють результати розрахунку.

Наведена формула (3) не враховує дислокаційну теорію магнітних властивостей матеріалів. Більш точну залежність визначення втрат енергії від фізичних величинпри перемагнічуванні феромагнетика дав Мішин:

, (4)

де – магнітострикційна константа;

l – середня товщина дислокаційного сегмента;

δ - товщина доменної структури;

вектор Бюргерса;

N – щільність дислокацій;

S - площа зміщених меж доменів;

n – число доменів у одиничному обсязі феромагнетика.

У цій залежності враховано поглинання енергії доменними кордонами з дислокаційними сегментами, що згинаються під дією пружного поля, але не враховано гістерезисну складову втрат і не прийнято до уваги питомий електричний опір матеріалу. Однак ця залежність дозволяє визначати втрати енергії від фізичних величин і не дозволяє практично визначати питомі втрати промислових магнітних матеріалах залежно від технічних величин.

Практичну формулу для інженерних розрахунків питомих електричних втрат на вихрові струми запропонував Круг. Він, підсумовуючи безліч замкнутих електричних контурів, врахував втрати по всіх контурах і навів такий вираз:

Р в = , (5)

де В м - амплітуда магнітної індукції, Тл;

f-частота змінного струму, Гц;

d – товщина пластин, мм;

k f – коефіцієнт форми кривої магнітної індукції;

γ - щільність матеріалу пластини, кг/м 3;

ρ - питомий електричний опір матеріалу пластини, Омм.

Застосовуючи формулу (5), результати практичних обчислень стають заниженими загалом чотирма порядку, тобто. у 10 4 разів.

Однак, щоб формула (5) була повністю представлена ​​в системі СІ та відповідала приблизно реальними показникамиза втратами на вихрові струми, необхідно підставити у формулу товщину пластин у метрах і скасувати коефіцієнт 10 -10 , тобто:

Р в = . (6)

З роботи Дружинина відомо, що втрати на гістерезис пропорційні площі статистичного циклу гістерезису, частоті перемагнічування і обернено пропорційні щільності матеріалу пластини, і визначаються з наступного виразу:

де S - площа статичного циклу гістерезису, Тл а/м.

Перетворивши петлю гістерези у вигляді прямокутника, можна площа статичного циклу гістерези приблизно визначити за такою простою формулою:

S = 4В м × Н с, (8)

де Н с – коерцитивна сила.

Отже, питомі втрати на гістерезис з урахуванням формули (8) можна визначити за такою формулою:

Визначивши складові втрат за формулами (6) та (9), можна знайти загальні питомі втрати на перемагнічування магнітно-м'яких матеріалів:

Р=Р +Р р = , (10)

де Н с - значення коерцитивної сили наведено без урахування щільності дислокацій та концентрації доменів.

На коерцитивну силу на основі сучасної дислокаційної теорії магнітних властивостей матеріалів впливає взаємодія доменної та дислокаційної структур. Для цього випадку коерцитивна сила може бути подана у вигляді:

Н з = 1,5 , (11)

Тут К – константа магнітної анізотропії; δ-товщина доменної стінки; μ 0 - магнітна стала, μ 0 = 4p×1 0 -7 Гн/м; I S – мимовільна намагніченість; D – діаметр кристалліту; N – поточна щільність дислокацій; N про - максимальна щільність дислокацій; з 1 - постійна для відношення густини дислокацій; n – поточна концентрація доменів; n про - максимальна концентрація доменів; з 2 – постійна для відношення концентрації доменів.

Отже, остаточно загальні питомі втрати з урахуванням формули (11) можна подати таке формулою.

Р= . (12)

Питомий електричний опір магнітного матеріалу є структурно чутливою величиною, запишемо рівняння для залежності питомого електричного опору від щільності дислокацій та концентрації доменів у наступному вигляді з урахуванням рівняння (1):

. (13)

де - коефіцієнт, в = 0,1 ... 0,9;

q - постійна для відношення густини дислокацій;

ε - постійна для відношення концентрації доменів.

На питомий електричний опір магнітного матеріалу впливає взаємодія доменної та дислокаційної структур.

Об'єкти та методи дослідження

Випробування визначення питомого електричного опору були піддані циліндричні зразки сплавів Fe-4% Si і Fe-6,5% Si довжиною 65×10 -3 м, діаметром 6 + 0,2×10 -3 м, технологія виготовлення яких проводилася за способом. Відбір зразків виконували згідно з ГОСТ 20559.

Вимірювання питомого електричного опору проводилося за методом, викладеним у ГОСТ 25947. Як прилад використаний потенціометр постійного струму типу Р-4833 з межею вимірювання від 1×10 -2 до 1×10 4 Ом. Клас точності приладу складав 0,05.

Метод вимірювання полягає у пропусканні через сплав постійного електричного струму та у визначенні падіння напруги на відомому ділянці його довжини. Питомий електричний опір обчислювали за такою формулою:

де U - падіння напруги між контактами,;

S-площа поперечного перерізу зразка, мм 2;

I – сила струму, що протікає через зразок.

L – відстань між контактами.

Вивчення та зміна структурних дефектів проводили за допомогою опромінення зразків гамма-променями радіоактивних елементів, що мають довжину хвилі в межах 1×10 -1 3×10 -3 нм. З цією метою використовували стаціонарний рентгенівський апарат типу ТУР-Д-1500 з енергією випромінювання 150 кЕв.

Металографічні дослідження, а також реєстрацію дислокаційної структури здійснювали на металографічних мікроскопах МІМ-8 та "Неофот-32", а для контролю дислокацій використовували електронний мікроскоп ВS-613 з прискорювальною напругою 100 кВ.

Об'єктами вивчення питомих електричних втрат були зразки довжиною 0,28 м, шириною 0,03 м, товщиною 0,5×10 -3 м. Характеристики знімали при заданій амплітуді індукції 1,0 і 1,5 Тл. Похибка становила 3%.

Визначення питомих електричних втрат проводилося відповідно до ГОСТ 12119 на малому апараті Епштейна (зразки масою 1 кг) на низькій промисловій частоті 50 Гц. Апарат застосовувався в комплекті з такими вимірювальними приладами: електронний ватметр Ф-585, звуковий генератор ГЗ-34, електронний мілівольтметр Ф-564 і ламповий мілівольтметр ВЗ-38.

Експериментальні результати

Для фізики магнітних матеріалів представляє теоретичний інтерес вивчення впливу щільності дислокацій на питомий електричний опір.

Експериментальні випробування показали, що питомий електричний опір зразків з високим заходом точності структурно чутливий до виникнення в них дефектів. Зі збільшенням щільності дислокацій адекватно збільшується питомий електричний опір. Зі збільшенням щільності дислокацій однією порядок з 6×10 11 до 6×10 12 м -2 питомий електричний опір зростає зразка зі сплаву Fe-4%Si з 0,9 до 2,2 Ом×м, тобто. в 2,4 рази, а для зразка зі сплаву Fe-6,5% Si з 1,2 до 2,6 Омм, тобто. у 2,3 рази.

Практичний інтерес представляє визначення залежності питомих втрат від щільності дислокацій та кількісного вмісту кремнію при різних індукціях намагнічування. Вплив дислокаційної структури на питомі втрати вивчався змінних магнітних полях промислової частоти 50 Гц. На малюнку в логарифмічних координатах представлені результати виміру питомих втрат залежно від густини дислокації. Зі збільшенням щільності дислокацій на один порядок з 2×10 11 до 2×10 12 м -2 питомі втрати збільшуються у таких межах: для зразка зі сплаву Fe-4%Si при магнітній індукції 1,5 Тл з 3,3 до 9, 0 Вт/кг, тобто. в 2,7 рази, для зразка зі сплаву Fe-6,5% Si при магнітній індукції 1,5 Тл з 1,8 до 5,8 Вт/кг, тобто. у 3,2 рази; для зразка зі сплаву Fe-4%Si за магнітної індукції 1,0 Тл з 1,2 до 3,6 Вт/кг, тобто. у 3,0 рази, для зразка зі сплаву Fe-6,5%Si при магнітній індукції 1,0 Тл з 0,7 до 2,4 Вт/кг, тобто. у 3,4 рази.

Вивчення впливу концентрації доменів на питомий електричний опір становить не менший практичний інтерес. Зі збільшенням концентрації доменів з 6×10 4 до 6×10 5 м -2 питомий електричний опір зменшується для зразка зі сплаву Fe-4%Si з 2,3×10 -6 до 0,37×10 -6 Ом×м, тобто. у 6,1 рази, а для зразка зі сплаву Fe-6,5%Si з 3,45×10 -6 до 0,65×10 -6 Ом×м, тобто. у 5,3 рази.

Мал. 1.Залежність питомих електричних втрат залізокремних сплавів від щільності дислокацій при різних індукціях намагнічування

1 - Fe-4,0% Si (1,5 Тл); 2 - Fe-6,5% Si (1,5 Тл);

3 - Fe-4,0% Si (1,0 Тл); 4 - Fe-6,5% Si (1,0 Тл);

Обговорення результатів експерименту

Про зміну концентрації дефектів у матеріалі можна побічно судити зі зміни питомого електричного опору.

Фізична сутність аналізованого явища полягає у наступному. Під дією електромагнітного полявідбуваються релаксації дислокацій, які різко відрізняються формою від гармонійних синусоїдальних коливань. Інтенсивний рух у металі вільних електронів призводить до розсіювання енергії від пружних зіткнень з дислокаціями та до порушення останніх. Останні гальмують проходження через метал електричного струму, збільшуючи цим питомий електричний опір. Тому виникнення у сплаві будь-яких типів дислокацій веде до зростання питомого електричного опору, їх зменшення – знижує питомий електричний опір. Таким чином, при збільшенні щільності дислокацій на один порядок питомий електричний опір збільшується для зразка зі сплаву Fe-4%Si у 2,4 рази, а для зразка Fe-6,5%Si у 2,3 рази.

Підвищення питомих втрат відбувається за рахунок підвищення густини дислокацій. Однак при підвищенні щільності дислокацій, що призводить до погіршення структури, утрудняються процеси усунення доменних стінок, які відбуваються при менших індукціях намагнічування. На процеси обертання доменних стінок, що відбуваються при великих індукціях намагнічування, таке підвищення щільності дислокацій відбивається з меншою кратністю. Тому при погіршенні структури сплаву за рахунок підвищеної щільності дислокацій збільшення втрат Р 10/50 відбувається з більшою кратністю, ніж для втрат Р 1,5/50.

Розглянемо вплив концентрації доменів на питомі втрати. Наведені уривчасті дані є суперечливими. За даними в стрижні квадратного перерізу було лише два домени. Втрати на вихрові струми становили у кілька разів більше, ніж розраховані без доменної структури зразка. Відповідно до товщини листа знаходилося чотири домени. Втрати енергії від вихрових струмів становили у 1,5 рази більше, ніж розраховані за загальновідомою формулою (5).

Систематичні дослідження показали, що при збільшенні концентрації доменів на один порядок питомий електричний опір зменшується для зразка зі сплаву Fe-4%Si у 6,1 рази, а для зразка Fe-6,5%Si у 5,3 рази, що у сукупності призводить при індукції намагнічування в 1,0 Тл до збільшення питомих електричних втрат для зразка зі сплаву Fe-4%Si у 3,0 рази, а для зразка зі сплаву Fe-6,5%Si у 3,4 рази, а при індукції намагнічування в 1,5 Тл до збільшення питомих втрат для зразка зі сплаву Fe-4%Si у 2,7 рази, а для зразка зі сплаву Fe-6,5%Si у 3,2 рази.

Висновки

1. Виведено розрахункову формулу питомих втрат для магнітних матеріалів залежно від щільності дислокацій та концентрації доменів.

2. Встановлено, що при збільшенні щільності дислокацій на один порядок питомий електричний опір збільшується для зразка зі сплаву Fe-4%Si у 2,4 рази, для зразка Fe-6,5%Si у 2,3 рази, а при збільшенні концентрації доменів на один порядок питомий електричний опір зменшується для зразка зі сплаву Fe-4%Si у 6,1 рази, для зразка Fe-6,5%Si у 5,3 рази, що у сукупності призводить при індукції намагнічування у 1,0 Тл до збільшення питомих втрат для зразка зі сплаву Fe-4%Si у 3,0 рази, для зразка зі сплаву Fe-6,5%Si у 3,4 рази, а при індукції намагнічування у 1,5 Тл до збільшення питомих втрат для зразка із сплаву Fe-4%Si у 2,7 рази, для зразка зі сплаву Fe-6,5%Si у 3,2 рази.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:

• 1. Дружинін В.В. Магнітні властивості електротехнічної сталі. М: Енергія, 1974. - 239 с.
• 2. Введенський Б.А., ЖРФГО, частина фіз. 58,241 (1926).
• 3. Coss NP. Новий розвиток в електричному стилі стовбурів характеризується міцним рівнем структури, що відповідають властивостям одного krystal. - TASM, 1935, VI, v. 23 № 2, p. 511-544
• 4. Elwood W.B., Legg V.E., J. Appl. Phys. 8, 351 (1937).
• 5. Мішин Д.Д. Магнітні матеріали. М.: вища школа, 1991. – 384 с.
• 6. Коло К.А. Основи електротехніки. - М.-Л.: ОНТІ, 1936.
• 7. Тимофєєв І.А. Сучасні наукомісткі технології. – 2005. – № 11. – С. 84-86.
• 8. Мішин Д.Д., Тимофєєв І.А. Технологія електротехнічного виробництва. – 1978. – № 1(104). – С. 1-3.
• 9. Williams H., Shockly W., Kittel C. Studies of propagation velocity of ferromagnetic domain boundary. - Phys. Rev., 1950, v. 80 № 6.
• 10. Поліванов К.М. Теоретичні основиелектротехніки. 4. ІІІ. М: Енергія, 1969.
• 11. Тимофєєв І.А., Кустов Є.Ф. Вісті вузів. фізика. – 2006. – № 3. – С. 26. –32.

Бібліографічне посилання

Тимофєєв І.А. ПИТАНІ ВТРАТИ У ФЕРРОМАГНЕТИЦІ // Сучасні проблеминауки та освіти. - 2007. - № 6-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=753 (дата звернення: 01.02.2020). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

ГОСТ 12119.4-98

Група В39

МІЖДЕРЖАВНИЙ СТАНДАРТ

Сталь електротехнічна

МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ МАГНІТНИХ І ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

Метод вимірювання питомих магнітних втрат та діючого значення
напруженості магнітного поля

Electrical steel.
Методи test для magnetic and electrical properties.
Method for measurement of specific magnetic losses
and actual value of magnetic field intensity

МКС 77.040.20
ОКСТУ 0909

Дата введення 1999-07-01

Передмова

1 РОЗРОБЛЕН Російською Федерацією, Міждержавним технічним комітетом зі стандартизації МТК 120 "Металопродукція з чорних металів та сплавів"

ВНЕСЕН Держстандартом Росії

2 ПРИЙНЯТЬ Міждержавною Радою зі стандартизації, метрології та сертифікації (протокол N 13 від 28 травня 1998 р.)

За ухвалення проголосували:

Назва держави	Найменування національного органу зі стандартизації
Азербайджанська республіка	Азгосстандарт
республіка Арменія	Армдержстандарт
Республіка Білорусь	Держстандарт Білорусі
Киргизька Республіка	Киргизстандарт
російська Федерація	Держстандарт Росії
Республіка Таджикистан	Таджикдержстандарт
Туркменістан	Головна державна інспекція Туркменістану
Республіка Узбекистан	Узгосстандарт
Україна	Держстандарт України

3 Постановою Державного комітету Російської Федераціїпо стандартизації та метрології від 8 грудня 1998 р. N 437 міждержавний стандарт ГОСТ 12119.4-98 введений у дію безпосередньо як державного стандартуРосійської Федерації з липня 1999 р.

4 ВЗАМЕН ГОСТ 12119-80 у частині розділу 4

5 ПЕРЕВИДАННЯ

1 Область застосування

1 Область застосування

Цей стандарт встановлює метод визначення питомих магнітних втрат від 0,3 до 50,0 Вт/кг та діючого значення напруженості магнітного поля від 100 до 2500 А/м при частотах перемагнічування 50-400 Гц методом ватметра та амперметра.

Допускається визначення значень магнітних величин при частотах перемагнічування до 10 кГц на кільцевих зразках та на зразках зі смуг.

2 Нормативні посилання

У цьому стандарті використані посилання на такі стандарти:

ГОСТ 8.377-80 Державна система забезпечення єдності вимірів. Матеріали магнітом'які. Методики виконання вимірювань щодо статичних магнітних характеристик

ГОСТ 8476-93 Прилади аналогові що показують електровимірювальні прямої дії та допоміжні частини до них. Частина 3. Особливі вимоги до ватметрів та варметрів

ГОСТ 8711-93 Прилади аналогові що показують електровимірювальні прямої дії та допоміжні частини до них. Частина 2. Особливі вимоги до амперметрів та вольтметрів

ГОСТ 12119.0-98 Сталь електротехнічна. Методи визначення магнітних та електричних властивостей. Загальні вимоги

ГОСТ 13109-97 Електрична енергія. Сумісність технічних засобів електромагнітна. Норми якості електричної енергії у системах електропостачання загального призначення

ГОСТ 21427.1-83 Сталь електротехнічна холоднокатана анізотропна тонколистова. Технічні умови

ГОСТ 21427.2-83 Сталь електротехнічна холоднокатана ізотропна тонколистова. Технічні умови

3 Загальні вимоги

Загальні вимогидо методів випробування - за ГОСТ 12119.0.

Терміни, що застосовуються у цьому стандарті, - за ГОСТ 12119.0.

4 Підготовка зразків для випробувань

4.1 Зразки для випробувань повинні мати ізоляцію.

4.2 Зразки кільцевої форми збирають зі штампованих кілець товщиною від 0,1 до 1,0 мм або навивають зі стрічки товщиною не більше 0,35 мм і поміщають у касети з ізоляційного матеріалу товщиною не більше 3 мм або неферомагнітного металу товщиною не більше 0,3 мм. Металева касета повинна мати проміжок.

Ставлення зовнішнього діаметра зразка до внутрішнього має бути трохи більше 1,3; площа поперечного перерізу зразка – не менше 0,1 см.

4.3 Зразки для апарату Епштейна виготовляють зі смуг завтовшки від 0,1 до 1,0 мм, довжиною від 280 до 500 мм, шириною (30,0±0,2) мм. Смуги зразка не повинні відрізнятися одна від одної за довжиною більш ніж ±0,2%. Площа поперечного перерізу зразка має бути від 0,5 до 1,5 см. Число смуг у зразку має бути кратним чотирма, мінімальна кількість смуг - дванадцять.

Зразки анізотропної сталі нарізають уздовж напряму прокатки. Кут між напрямками прокатки та нарізування смуг не повинен перевищувати 1° .

Для зразків ізотропної сталі половину смуг нарізають уздовж напрямку прокатки, іншу – упоперек. Кут між напрямками прокатки та нарізки не повинен перевищувати 5°. Смуги групують у чотири пакети: два - зі смуг, нарізаних уздовж напрямку прокатки, два - упоперек. Пакети з однаково нарізаними смугами розміщують паралельно розташованих котушках апарату.

Допускається смуги нарізати під тим самим кутом до напрямку прокатки. Напрямок прокатки для всіх смуг, покладених в одну котушку, має бути однаковим.

4.4 Листові зразки виготовляють завдовжки від 400 до 750 мм. Довжина листа має бути не менше зовнішньої довжини ярма: ширина листа – не менше 60% ширини вікна соленоїда. Допуск по довжині повинен виходити межі ±0,5%, по ширині - ±2 мм.

Поверхня та форма листів повинні відповідати ГОСТ 21427.1 та ГОСТ 21427.2.

5 Застосовувана апаратура

5.1 Встановлення. Схема установки наведено малюнку 1.

Рисунок 1 - Схема для вимірювань ватметровим методом

5.1.1 Вольтметри PV1 -для вимірювання середньовипрямленого значення напруги та подальшого визначення амплітуди магнітної індукції та РV2- для вимірювання діючого значення напруги та подальшого визначення коефіцієнта форми його кривої повинні мати межу вимірювання від 30 мВ до 100 В, максимальний вхідний струм не більше 5 мА, клас точності не нижче 0,5 ГОСТ 8711 .

Допускається використовувати дільник напруги до вольтметра PV1для отримання відліків, чисельно рівних амплітудів магнітної індукції.

5.1.2 Ваттметр PWдля вимірювання активної потужності та подальшого визначення питомих магнітних втрат повинен мати межу вимірювання від 0,75 до 30 Вт, номінальний коефіцієнт потужності – не більше 0,1 при частоті 50 Гц та 0,2 – при вищій частоті; клас точності не нижче 0,5 при частоті перемагнічування від 50 до 400 Гц або не нижче 2,5 при частоті більше 400 Гц за ГОСТ 8476 .

Допускається використовувати дільник напруги до ватметра для отримання відліків, чисельно рівних значенням питомих магнітних втрат. Вихід дільника напруги повинен бути з'єднаний з паралельним ланцюгом ватметра, вхід - з обмоткою II зразка Т2.

5.1.3 Амперметр РАдля вимірювання діючого значення струму, що намагнічує, і наступного визначення діючого значення напруженості магнітного поля повинен мати межу вимірювання від 0,1 до 5,0 А, клас точності не нижче 0,5 за ГОСТ 8711 . Допускається збільшення найменшої межі виміру до 1,0 А при контролі навантаження струмового ланцюга ватметра. Максимальна потужність, споживана амперметром при вимірі із зразками з листів шириною більше 250 мм, повинна бути не більше 1,0 В; для інших зразків - не більше 0,2 В·А.

5.1.4 Частотомір РFдля вимірювання частоти з похибкою, яка не виходить за межі ±0,2%.

5.1.5 Джерело живлення для намагнічування зразків повинен мати низькочастотний генератор із підсилювачем потужності або регулятор напруги зі стабілізатором частотою 50 Гц. Коефіцієнт несинусоїдності напруги навантаженого джерела живлення не повинен перевищувати 5% за ГОСТ 13109. Номінальна потужність джерела при частоті перемагнічування 50 Гц повинна бути не менше 0,45 кВ·А на 1,0 кг маси зразка та не менше 0,3 кВ·А для значень, зазначених у таблиці 1.

Таблиця 1

Частота перемагнічування, кГц	Маса зразка, кг
Від 0,05 до 1,0 вмикання.	Від 0,5 до 1,1 вмикання.
Св. 1,0 "10,0"	Від 0,03" 0,30"

Допускається використовувати підсилювач із зворотним зв'язком для отримання форми кривої магнітного потоку зразка, близької до синусоїдальної. Коефіцієнт несинусоїдності форми кривої ЕРС в обмотці не повинен перевищувати 3%; потужність, споживана ланцюгом зворотний зв'язок за напругою, має перевищувати 5% вимірюваних магнітних втрат.

5.1.6 Вольтметри PV1і PV2,ланцюг напруги ватметра PWі зворотний зв'язок підсилювача повинні споживати потужність трохи більше 25% вимірюваного значення.

5.1.7 Котушка Т1для компенсації магнітного потоку поза зразком повинен мати число витків обмотки I не більше п'ятдесяти, опір - не більше 0,05 Ом, опір обмотки II - не більше 3 Ом. Обмотки укладають на циліндричний каркас із немагнітного ізоляційного матеріалу довжиною від 25 до 35 мм, діаметром від 40 до 60 мм. Вісь котушки має бути перпендикулярна площині силових ліній зразка при закріпленні її на апараті Епштейна. Відносна різниця коефіцієнтів взаємної індуктивності котушки Т1та апарату Епштейна без зразка не повинна виходити за межі ±5%.

Допускається виключати зі схеми котушку (див. малюнок 1) Т1при магнітному потоці поза зразком, що не перевищує 0,2% вимірюваного.

5.1.8 Намагнічуючі I та вимірювальні II обмотки кільцевого зразка Т2повинні відповідати вимогам ГОСТ 8.377.

5.1.9 Апарат Епштейна, що застосовується для випробування зразків, складених зі смуг, Т2повинен мати чотири котушки на каркасах з немагнітного ізоляційного матеріалу з такими розмірами:

ширина внутрішнього вікна – (32,0±0,5) мм;

висота – від 10 до 15 мм;

товщина стінок каркасу – від 1,5 до 2,0 мм;

довжина ділянки котушки з обмоткою – не менше 190 мм;

довжина котушки – (220±1) мм.

Число витків в обмотках апарата вибирають відповідно до таблиці 2.

Таблиця 2

Частота перемагнічування, Гц	Число витків в обмотці
	I - намагнічує	II - вимірювальною
Від 50 до 60 увімкн. Св. 60 "400" " 400 " 2000 "
Примітка Обмотки намотують рівномірно по довжині каркасів котушки. Число шарів кожної обмотки на каркасах має бути непарним.

5.1.10 Листовий апарат, що застосовується для випробування зразків Т2, повинен мати соленоїд та два ярми. Конструкція ярм повинна забезпечувати паралельність поверхонь, що стикаються, і механічну жорсткість, що виключає вплив на магнітні властивості зразка. Ширина полюсів ярм із електротехнічної сталі має бути не менше 25 мм, із прецизійних сплавів - 20 мм. Магнітні втрати у ярмах не повинні перевищувати 5% вимірюваних; відносна різниця амплітуд магнітного потоку в ярмах має виходити межі ±15%.

Допускається застосовувати апарати з розімкненими ярмами для вимірювання відносної зміни питомих магнітних втрат, наприклад, при оцінці залишкової напруги згідно з ГОСТ 21427.1.

Соленоїд повинен мати каркас з немагнітного ізоляційного матеріалу, на якому спочатку розташовують вимірювальну обмотку II, потім одним або декількома проводами - обмотку, що намагнічує I. Кожен провід рівномірно укладають в один шар.

Відносна максимальна різниця амплітуд магнітної індукції на ділянці зразка всередині соленоїда не повинна виходити за межі ±5%.

6 Підготовка до проведення вимірювань

6.1 Зразки зі смуг, листів або кільцевої форми підключають, як зазначено на рисунку 1.

6.2 Зразки зі смуг або листів укладають у апарати. Зразки зі смуг укладають в апарат Епштейна, як зазначено на рисунку 2.

Рисунок 2 - Схема укладання смуг зразка

Допускається фіксувати положення смуг і листів в апаратах, створюючи тиск не більше 1 кПа перпендикулярно поверхні зразка поза котушками, що намагнічують.

6.3 Обчислюють площі поперечного перерізу, м, зразків:

6.3.1 Площа поперечного перерізу , м для зразків кільцевої форми з матеріалу товщиною не менше 0,2 мм розраховують за формулою

де - маса зразка, кг;

- зовнішній та внутрішній діаметри кільця, м;

- Щільність матеріалу, кг/м.

Щільність матеріалу кг/м, вибирають за додатком 1 ГОСТ 21427.2 або розраховують за формулою

де і - масові частки кремнію та алюмінію, %.

6.3.2 Площа поперечного перерізу , м для зразків кільцевої форми з матеріалу товщиною менше 0,2 мм розраховують за формулою

де - відношення густини ізоляційного покриття до густини матеріалу зразка,

де - щільність ізоляції, прийнята рівною 1,6 10 кг/м для неорганічного покриття і 1,1 10 кг/м - для органічного;

- коефіцієнт заповнення, який визначається, як зазначено в ГОСТ 21427.1

6.3.3 Площа поперечного перерізу S,м, зразків, складених зі смуг для апарату Епштейна, розраховують за формулою

де - Довжина смуги, м.м.

6.3.4 Площа поперечного перерізу листового зразка , м розраховують за формулою

де - Довжина листа, м.

6.4 Похибка визначення маси зразків не повинна виходити за межі ±0,2%, зовнішнього та внутрішнього діаметрів кільця – ±0,5%, довжини смуг – ±0,2%.

6.5 Вимірювання при значенні амплітуди магнітної індукції менше 1,0 Тл проводять після розмагнічування зразків у полі частотою 50 Гц.

Встановлюють напругу, що відповідає амплітуді магнітної індукції не менше 1,6 Тл для анізотропної сталі та 1,3 Тл – для ізотропної сталі, потім плавно зменшують його.

Час розмагнічування має бути не менше ніж 40 с.

При вимірюванні магнітної індукції у полі напруженістю менше 1,0 А/м зразки витримують після розмагнічування 24 год; при вимірюванні індукції у полі напруженістю більше 1,0 А/м час витримки може бути скорочено до 10 хв.

Допускається зменшувати час витримки за відносної різниці значень індукції, отриманих після нормальної та скороченої витримок, у межах ±2% .

6.6 Верхні межі значень вимірюваних магнітних величин для зразків кільцевої форми і складених зі смуг повинні відповідати амплітуді напруженості магнітного поля не більше 510 А/м при частоті перемагнічування від 50 до 60 Гц і не більше 110 А/м - при більш високих частоти; нижні межі - найменшим значеннямамплітуд магнітної індукції, наведений у таблиці 3.

Таблиця 3

Частота перемагнічування, кГц	Найменше значення амплітуди магнітної індукції Тл при вимірюванні
	питомих магнітних втрат, Вт/кг	напруженості магнітного поля, А/м
Від 0,05 до 0,06 включно.
Св. 0,06" 1,0"
" 1,00 " 10,0 "

Найменше значення амплітуди магнітної індукції для листових зразків має дорівнювати 1,0 Тл.

6.7 Для вольтметра PV1,відградуйованого в середньовипрямлених значеннях, напруга , В, що відповідає заданій амплітуді магнітної індукції , Тл, та частоті перемагнічування , Гц, розраховують за формулою

де - площа поперечного перерізу зразка, м;

- Число витків обмотки II зразка;

- сумарний опір обмотки ІІ зразка Т2та котушки Т1, Ом;

- еквівалентний опір приладів та пристроїв, з'єднаних з обмоткою II зразка Т2, Ом, що розраховується за формулою

де - активні опори вольтметрів PV1, PV2,ланцюги напруги ватметра PWта ланцюги зворотного зв'язку по напрузі підсилювача потужності відповідно, Ом.

Величиною у формулі (6) нехтують, якщо її значення не перевищує 0,002.

6.8 Для вольтметра PV1,відградуйованого в діючих значеннях напруги синусоїдальної форми, значення величини U, В,розраховують за формулою

6.9 За відсутності котушки Т1розраховують поправку , обумовлену магнітним потоком поза зразком, за формулою

де - число витків обмоток зразка Т2;

- магнітна постійна, Гн/м;

- Площа поперечного перерізу вимірювальної обмотки зразка, м;

- площа поперечного перерізу зразка, що визначається, як зазначено в 6.3 м;

- Середня довжина магнітної силової лінії, м.м.

Для зразків кільцевої форми середню довжину магнітної силової лінії , м розраховують за формулою

У стандартних випробуваннях для зразка зі смуг середню довжину м приймають рівною 0,94 м. При необхідності підвищення точності визначення магнітних величин допускається значення вибирати з таблиці 4.

Таблиця 4

Напруженість магнітного поля, А/м	Середня довжина магнітної силової лінії, м
	для ізотропної сталі	для анізотропної сталі
Від 0 до 10 увімкн. Св. 10 "70"

Для листового зразка середню довжину магнітної силової лінії м визначають за результатами метрологічної атестації установки;

- амплітуда струму, А; розраховують залежно від амплітуди падіння напруги , на резисторі опором , Ом, включеному в ланцюг, що намагнічує, за формулою

або за середньовипрямленим значенням ЕРС , наведеної в обмотці II котушки Т1при включеній обмотці I в ланцюг, що намагнічує, за формулою

де - взаємна індуктивність котушки, Гн; трохи більше 1·10 Гн;

- Частота перемагнічування, Гц.

6.10 При визначенні питомих магнітних втрат в апараті Епштейна слід враховувати неоднорідність намагнічування кутових частин магнітного ланцюга запровадженням ефективної маси зразка , кг, яку для зразків зі смуг розраховують за формулою

де - маса зразка, кг;

- Довжина смуги, м.м.

Для кільцевих зразків ефективну масу приймають рівною масою зразка.

Ефективну масу листового зразка визначають за наслідками метрологічної атестації установки.

7 Порядок проведення вимірювання

7.1 Визначення питомих магнітних втрат засноване на вимірюванні активної потужності, що витрачається на перемагнічування зразка та споживаної приладами PV1, PV2, PWта ланцюгом зворотного зв'язку підсилювача. При випробуванні листового зразка враховують втрати у ярмах. Активну потужність визначають непрямим методом напруги на обмотці II зразка Т2.

7.1.1 На установці (див. малюнок 1) замикають ключі S2, S3, S4і розмикають ключ S1.

7.1.2 Встановлюють напругу , або (), по вольтметру PV1;частоту перемагнічування, Гц; перевіряють за амперметром РА,що ватметр PWне перевантажений; замикають ключ S1і розмикають ключ S2.

7.1.3 При необхідності регулюють джерелом живлення показання вольтметра PV1для установки заданого значення напруги та вимірюють чинне значення напруги , В, вольтметром PV2і потужність , Вт, ватметром PW.

7.1.4 Встановлюють напругу, що відповідає більшому значенню амплітуди магнітної індукції, та повторюють операції, зазначені в 7.1.2, 7.1.3.

7.2 Визначення діючого значення напруженості магнітного поля засноване на вимірюванні струму, що намагнічує.

7.2.1 На установці (див. малюнок 1) замикають ключі S2, S4і розмикають ключі S1, S3.

7.2.2 Встановлюють напругу або U,В, частоту перемагнічування Гц, і визначають за амперметром РАзначення намагнічуючого струму, А.

7.2.3 Встановлюють більше значення напруги та повторюють операції, зазначені в 7.2.1 та 7.2.2.

8 Правила обробки результатів вимірювань

8.1 Коефіцієнт форми кривої напруги на обмотці ІІ зразка розраховують за формулою

де - чинне значення напруги, В;

- напруга, обчислена за формулою (6), Ст.

8.2 Питомі магнітні втрати , Вт/кг, зразки зі смуг або кільцевої форми розраховують за формулою

де – ефективна маса зразка, кг;

- Середнє значення потужності, Вт;

- Чинне значення напруги, В;

- число витків обмоток зразка Т2;

- Див. 6.7.

Величинами і нехтують, якщо відношення не перевищує 0,2%, а відношення не перевищує 0,002.

Похибка визначення опору має виходити межі ±1%.

Допускається замість напруги підставляти величину, рівну 1,11 при = 1,

У статті наводиться інформація про види матеріалів, що застосовуються при виготовленні електродвигунів, генераторів і трансформаторів. Даються короткі технічні характеристикидеяких із них.

Класифікація електротехнічних матеріалів

Матеріали, що застосовуються в електричних машинах, поділяються на три категорії: конструктивні, активні та ізоляційні.

Конструктивні матеріали

застосовуються для виготовлення таких деталей та частин машини, головним призначенням яких є сприйняття та передача механічних навантажень (вали, станини, підшипникові щити та стояки, різні кріпильні деталі тощо). Як конструктивні матеріали в електричних машинах використовується сталь, чавун, кольорові метали та їх сплави, пластмаси. До цих матеріалів пред'являються вимоги, загальні у машинобудуванні.

Активні матеріали

поділяються на провідникові та магнітні та призначаються для виготовлення активних частин машини (обмотки та сердечники магнітопроводів).
Ізоляційні матеріали застосовуються для електричної ізоляції обмоток та інших струмопровідних частин, а також для ізоляції листів електротехнічної сталі один від одного в розшарованих магнітних сердечниках. Окрему групу складають матеріали, у тому числі виготовляються електричні щітки, застосовувані відведення струму з рухомих частин електричних машин.

Нижче дається коротка характеристикаактивних та ізоляційних матеріалів, що використовуються в електричних машинах.

Провідникові матеріали

Завдяки хорошій електропровідності та відносної дешевизні як провідникові матеріали в електричних машинах широко застосовується електротехнічна мідь, а в Останнім часомтакож рафінований алюміній. Порівняльні властивості цих матеріалів наведені в таблиці 1. У ряді випадків обмотки електричних машин виготовляються з мідних та алюмінієвих сплавів, властивості яких змінюються в широких межах залежно від їхнього складу. Мідні сплави використовуються також для виготовлення допоміжних струмовідних частин (колекторні пластини, контактні кільця, болти тощо). З метою економії кольорових металів або збільшення механічної міцності такі частини іноді виконуються також із сталі.

Таблиця 1

Фізичні властивості міді та алюмінію

Матеріал	Сорт	Щільність, г/см 3	Питомий опірпри 20°C, Ом×м	Температурний коефіцієнт опору при ? °C, 1/°C	Коефіцієнт лінійного розширення, 1/°C	Питома теплоємність, Дж/(кг×°C)	Питома теплопровідність, Вт/(кг×°C)
Мідь	Електротехнічне відпалення	8,9	(17,24÷17,54)×10 -9		1,68×10 -5	390	390
Алюміній	Рафінований	2,6-2,7	28,2×10 -9		2,3×10 -5	940	210

Температурний коефіцієнт опору міді за температури ϑ °C

Залежність опору міді від температури використовується визначення підвищення температури обмотки електричної машини під час її роботи у гарячому стані ϑ г над температурою довкілля ϑ о. На підставі співвідношення (2) для обчислення перевищення температури

Δϑ = ϑ г - ϑ о

можна отримати формулу

(3)

де rг - опір обмотки у гарячому стані; r x- опір обмотки, виміряний у холодному стані, коли температури обмотки та навколишнього середовища однакові; ϑ x- температура обмотки у холодному стані; ϑ о - температура навколишнього середовища під час роботи машини, коли вимірюється опір rр.

Співвідношення (1), (2) і (3) застосовні також для алюмінієвих обмоток, якщо замінити 235 на 245.

Магнітні матеріали

Для виготовлення окремих частин магнітопроводів електричних машин застосовується листова електротехнічна сталь, листова конструкційна сталь, листова сталь та чавун. Чавун через невисокі магнітні властивості використовується відносно рідко.

Найважливіший клас магнітних матеріалів становлять різні сорти листової електротехнічної сталі. Для зменшення втрат на гістерезис та вихрові струми до її складу вводять кремній. Наявність домішок вуглецю, кисню та азоту знижує якість електротехнічної сталі. Великий вплив на якість електротехнічної сталі має технологія її виготовлення. Звичайну листову електротехнічну сталь одержують шляхом гарячої прокатки. В останні рокишвидко зростає застосування холоднокатанної текстурованої сталі, магнітні властивості якої при перемагнічуванні вздовж напрямку прокатки значно вищі, ніж у звичайної сталі.

Сортамент електротехнічної сталі та фізичні властивості окремих марок цієї сталі визначаються ГОСТ 21427.0-75.

В електричних машинах застосовуються головним чином електротехнічні сталі марок 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1411, 1412, 1511, 1512, 3411, 3412, 3413, які відповідають старим Е1,1,1 , Е32, Е41, Е42, Е310, Е320, Е330. Перша цифра позначає клас сталі за структурним станом та видом прокатки: 1 - гарячекатана ізотропна, 2 - холоднокатана ізотропна, 3 - холоднокатана анізотропна з ребровою текстурою. Друга цифра показує вміст кремнію. Третя цифра вказує групу за основною нормованою характеристикою: 0 – питомі втрати при магнітній індукції B= 1,7 T та частоті f= 50 Гц (p 1,7/50), 1 - питомі втрати за B= 1,5 T та частоті f= 50 Гц (p 1,5/50), 2 - питомі втрати за магнітної індукції B= 1,0 T та частоті f= 400 Гц (p 1,0/400), 6 - магнітна індукція у слабких полях при напруженості магнітного поля 0,4 А/м ( B 0,4), 7 - магнітна індукція в середніх магнітних полях при напруженості магнітного поля 10А/м ( B 10). Четверта цифра – порядковий номер. Властивість електротехнічної сталі залежно від вмісту кремнію наведено у таблиці 2

Таблиця 2

Залежність фізичних властивостей електротехнічної сталі від вмісту кремнію

Властивості	Друга цифра марки стали
	2	3	4	5
Щільність, г/см 3
Питомий опір, Ом×м
Температурний коефіцієнт опору, 1/°C
Питома теплоємність, Дж/(кг×°C)

Зі збільшенням вмісту кремнію зростає крихкість сталі. У зв'язку з цим, чим менша машина і, отже, чим менші розміри зубців і пазів, в які укладаються обмотки, тим важче використовувати сталі з підвищеним і високим ступенем легування. Тому, наприклад, високолегована сталь застосовується головним чином виготовлення трансформаторів і дуже потужних генераторів змінного струму.

У машинах із частотою струму до 100 Гц зазвичай застосовуються листова електротехнічна сталь товщиною 0,5 мм, інколи ж також, особливо у трансформаторах, сталь товщиною 0,35 мм. При більш високих частотах використовується тонша сталь. Розміри листів електротехнічної сталі стандартизовані, причому ширина листів становить 240 – 1000 мм, а довжина 1500 – 2000 мм. Останнім часом розширюється випуск електротехнічної сталі як стрічки, намотуваної на рулони.

Мал. 1. Криві намагнічування феромагнітних матеріалів

1 - електротехнічна сталь 1121, 1311; 2 - електротехнічна сталь 1411, 1511; 3 - маловуглецева лита сталь, сталевий прокат та поковки для електричних машин; 4 - листова сталь завтовшки 1-2 мм для полюсів; 5 - сталь 10; 6 - сталь 30; 7 - холоднокатана електротехнічна сталь 3413; 8 - сірий чавун із вмістом: С – 3,2%, Si 3,27%, Мп – 0,56%, Р – 1,05%; I × А – масштаби по осях I та А; II × Б - масштаби по осях II та Б

На малюнку 1 представлені криві намагнічування різних марок сталі та чавуну, а в таблиці 3 згідно з ГОСТ 21427.0-75 - значення питомих втрат pу найпоширеніших марках електротехнічної сталі. Індекс у літери p вказує на індукцію B у теслах (числитель) і частоту f перемагнічування в герцах (знаменник), у яких гарантуються наведені у таблиці 3 значення втрат. Для марок 3411, 3412 та 3413 втрати дані для випадку намагнічування вздовж напрямку прокатки.

Таблиця 3

Питомі втрати електротехнічної сталі

Марка сталі	Товщина листа, мм	Питома втрата, Вт/кг				Марка сталі	Товщина листа, мм	Питома втрата, 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

Втрати на вихрові струми залежать від квадрата індукції, а втрати на гістерезис - від індукції у мірі, близькій до двох. Тому і загальні втрати сталі з достатньою для практичних цілей точністю можна вважати залежними від квадрата індукції. Втрати на вихрові струми пропорційні квадрату частоти, але в гістерезис - першого ступеня частоти. При частоті 50 Гц та товщині листів 0,35 - 0,5 мм втрати на гістерезис перевищують втрати на вихрові струми у кілька разів. Залежність загальних втратсталі від частоти внаслідок цього ближче до першого ступеня частоти. Тому питомі втрати для значень Bі f, відмінних від зазначених у таблиці 3, можна обчислювати за формулами:

(4)

де значення B підставляється у теслах (Т).

Наведені в таблиці 3 значення питомих втрат відповідають випадку, коли листи ізольовані один від одного.

Для ізоляції застосовується спеціальний лак або дуже рідко тонкий папір, а також використовується оксидування.

При штампуванні виникає наклеп листів електротехнічної сталі. Крім того, при складанні пакетів сердечників відбувається часткове замикання листів по їх кромках внаслідок появи при штампуванні грата або задирок. Це збільшує втрати сталі в 1,5 - 4,0 разів.

Через наявність між листами стали ізоляції, їх хвилястості та неоднорідності по товщині не весь обсяг спресованого сердечника заповнений сталлю. Коефіцієнт заповнення пакета сталлю при ізоляції лаком у середньому становить k c= 0,93 при товщині листів 0,5 мм та k c= 0,90 за 0,35 мм.

Ізоляційні матеріали

До електроізоляційних матеріалів, що застосовуються в електричних машинах, пред'являються такі вимоги: по можливості висока електрична міцність, механічна міцність, нагрівальна стійкість та теплопровідність, а також мала гігроскопічність. Важливо, щоб ізоляція була по можливості тонкою, так як збільшення товщини ізоляції погіршує тепловіддачу і призводить до зменшення коефіцієнта заповнення паза провідниковим матеріалом, що викликає зменшення номінальної потужності машини. У ряді випадків виникають також інші вимоги, наприклад стійкість проти різних мікроорганізмів в умовах вологого тропічного клімату і так далі На практиці всі ці вимоги можуть бути задоволені різною мірою.

Відео 1. Ізоляційні матеріали в електротехніці XVIII – XIX століть.

Ізоляційні матеріали можуть бути тверді, рідкі та газоподібні. Газоподібними зазвичай є повітря і водень, які є по відношенню до машини навколишнє або охолодне середовище і одночасно в ряді випадків грають роль електричної ізоляції. Рідкі діелектрики знаходять застосування головним чином трансформаторобудуванні у вигляді спеціального сорту мінерального масла, званого трансформаторним.

Найбільше значення в електромашинобудуванні мають жорсткі ізоляційні матеріали. Їх можна розбити на такі групи: 1) природні органічні волокнисті матеріали – бавовняний папір, матеріали на основі деревної целюлози та шовк; 2) неорганічні матеріали – слюда, скловолокно, азбест; 3) різні синтетичні матеріали у вигляді смол, плівок, листового матеріалу тощо; 4) різні емалі, лаки та компаунди на основі природних та синтетичних матеріалів.
Останніми роками органічні волокнисті ізоляційні матеріали дедалі більше витісняються синтетичними матеріалами.

Емалі застосовуються для ізоляції проводів і як покривна ізоляція обмоток. Лаки використовуються для склеювання шаруватої ізоляції та для просочення обмоток, а також для нанесення покривного шару захисного на ізоляцію. Дво- або триразовим просоченням обмоток лаками, що чергується з просушуванням, досягається заповнення пір в ізоляції, що підвищує теплопровідність та електричну міцність ізоляції, зменшує її гігроскопічність і скріплює елементи ізоляції в механічному відношенні.

Просочення компаундами служить такої ж мети, як і просочення лаками. Різниця полягає тільки в тому, що компаунди не мають летких розчинників, а є дуже консистентною масою, яка при нагріванні розм'якшується, зріджується і здатна під тиском проникати в пори ізоляції. Зважаючи на відсутність розчинників, заповнення пір при компаундуванні виходить більш щільним.
Найважливішою характеристикою ізоляційних матеріалів є їх нагрівостійкість, яка вирішальним чином впливає на надійність роботи та термін служби електричних машин. По нагрівостійкості електроізоляційні матеріали, що застосовуються в електричних машинах та апаратах, поділяються, згідно з ГОСТ 8865-70, на сім класів з наступними гранично допустимими температурами ϑ макс:

У стандартах колишніх років містяться старі позначення деяких класів ізоляції: замість Y, E, F, H відповідно О, АВ, НД, СВ.

До класу Y відносяться не просочені рідкими діелектриками і не занурені в них волокнисті матеріали з бавовняного паперу, целюлози та шовку, а також ряд синтетичних полімерів (поліетилен, полістирол, полівінілхлорид та ін.). Цей клас ізоляції в електричних машинах застосовується рідко.

Клас A включає волокнисті матеріали з бавовняного паперу, целюлози і шовку, просочені рідкими електроізоляційними матеріалами або занурені в них, ізоляцію емаль-проводів на основі масляних і поліаміднорезольних лаків (капрон), поліамідні плівки, бутилкаучукові та інші матеріали, та деревні шаруваті пластики. Просочуючими речовинами для цього класу ізоляції є трансформаторна олія, масляні та асфальтові лаки та інші речовини з відповідною нагрівальністю. До цього класу відносяться різні лакоткані, стрічки, електротехнічний картон, гетинакс, текстоліт та інші ізоляційні вироби. Ізоляція класу A широко застосовується для електричних машин, що обертаються, потужністю до 100 кВт і вище, а також в трансформаторобудуванні.

До класу E відноситься ізоляція емаль-проводів та електрична ізоляція на основі полівінілацеталевих (вініфлекс, металвін), поліуретанових, епоксидних, поліефірних (лавсан) смол та інших синтетичних матеріалів з аналогічною нагрівальністю. Клас ізоляції E включає нові синтетичні матеріали, застосування яких швидко розширюється в машинах малої і середньої потужності (до 10 кВт і вище).

Клас B об'єднує ізоляційні матеріали на основі неорганічних діелектриків (слюда, азбест, скловолокно) та клеючих, просочувальних та покривних лаків та смол підвищеної нагрівальностійкості органічного походження, причому вміст органічних речовинза масою має перевищувати 50%. Сюди відносяться насамперед матеріали на основі тонкої щипаної слюди (мікалента, мікафолій, міканіт), які широко застосовуються в електромашинобудуванні.

Останнім часом використовуються також слюдинітові матеріали, в основі яких лежить безперервна слюдяна стрічка із пластинок слюди розмірами до кількох міліметрів і завтовшки кілька мікронів.

До класу B належать також різні синтетичні матеріали: поліефірні смоли на основі фталевого ангідриду, поліхлортрифторетилен (фторопласт-3), деякі поліуретанові смоли, пластмаси з неорганічним заповнювачем та ін.

Ізоляція класу F включає в себе матеріали на основі слюди, азбесту і скловолокна, але із застосуванням органічних лаків і смол, модифікованих кремнійорганічними (поліорганосилоксановими) та іншими смолами з високою нагрівостійкістю, або ж із застосуванням інших синтетичних смол відповідної нагрівостійкості (поліефірні) - та терефталевої кислот та ін.). Ізоляція цього класу не повинна містити бавовняного паперу, целюлози та шовку.

До класу H відноситься ізоляція на основі слюди, скловолокна та азбесту в поєднанні з кремнійорганічними (поліорганосилоксановими), поліорганометалосилксановими та іншими нагрівостійкими смолами. Із застосуванням таких смол виготовляються міканіти та слюдініти, а також скломіканіти, скломікафолій, скломікаленти, склослюдініти, склолакоткані та склотекстоліти.

До класу H відноситься ізоляція на основі політетрафторетилену (фторопласт-4). Матеріали класу H застосовуються в електричних машинах, що працюють у дуже важких умовах (гірська та металургійна промисловість, транспортні установки та ін.).

До класу ізоляції C належать слюда, кварц, скловолокно, скло, фарфор та інші керамічні матеріали, що застосовуються без органічних сполучних або з неорганічними сполучними.

Під впливом тепла, вібрацій та інших фізико-хімічних факторів відбувається старіння ізоляції, тобто поступова втрата нею механічної міцності та ізолюючих властивостей. Досвідченим шляхом встановлено, що термін служби ізоляції класів A та B знижується вдвічі при підвищенні температури на кожні 8-10° понад 100°C. Аналогічно знижується при підвищенні температури також термін служби ізоляції інших класів.

Електричні щітки

поділяються на дві групи: 1) вугільно-графітні, графітні та електрографітовані; 2) металографітні. Для виготовлення щіток першої групи використовується сажа, подрібнені природний графіт та антрацит з кам'яновугільною смолою як сполучна. Заготівлі щіток піддаються випалюванню, режим якого визначає структурну форму графіту у виробі. При високих температурахвипалу досягається переведення вуглецю, що знаходиться в сажі та антрациті, у форму графіту, внаслідок чого такий процес випалу називається графітуванням. Щітки другої групи містять також метали (мідь, бронза, срібло). Найбільш поширені щітки першої групи.

У таблиці 4 наводяться параметри низки марок щіток.

Таблиця 4

Технічні характеристики електричних щіток

Клас щіток	Марка	Номінальна густина струму, А/см 2	Максимальна окружна швидкість, м/с	Питоме натискання, Н/см 2	Перехідне падіння напруги на пару щіток,	Коефіцієнт тертя	Характер комутації у якому рекомендується застосування щіток
Вугільно-графітні	УГ4	7	12	2-2,5	1,6-2,6	0,25	Дещо утруднена
Графітні	Г8	11	25	2-3	1,5-2,3	0,25	Нормальна
Електрографітовані	ЕГ4	12	40	1,5-2	1,6-2,4	0,20	Нормальна
	ЕГ8	10	40	2-4	1,9-2,9	0,25	Найскладніша
	ЕГ12	10-11	40	2-3	2,5-3,5	0,25	Утруднена
	ЕГ84	9	45	2-3	2,5-3,5	0,25	Найскладніша
Мідно-графітні	МГ2	20	20	1,8-2,3	0,3-0,7	0,20	Найлегша