2 Материалы, применяемые в электромашиностроении

2.1. Общие сведения

В электромашиностроении наблюдается неуклонная тенденция к повы­шению удельной мощности электрических машин (мощности на единицу массы). Это достигается не только путем совершенствования конструкции, но и путем применения наиболее прогрессивных современных материалов с более высокими эксплуатационными характеристиками. Ведь стоимость, экономичность и эксплуатационная надежность электрической машины зави­сят не только от правильного и оптимального выбора размеров, конструкции, технологии производства и точности расчетов, но также от свойств материа­лов, из которых она изготовлена.

В процессе работы, транспортирования и хранения электрическая машина испытывает целый комплекс механических, электрических, тепловых и атмо­сферных воздействий.

Механические воздействия обусловлены вибрациями, центробежными и электромагнитными силами, характером и условиями работы приводного механизма.

Электрические воздействия обусловлены условиями пуска электрической машины, непостоянством питающего напряжения и возможными перенапря­жениями в сети.

Тепловые воздействия связаны как с различными видами потерь в самой электрической машине, так и с внешними тепловыми воздействиями. Тепло­вые воздействия являются наиболее опасными для электрической изоляции, т. к. при температурах, превышающих допустимую, "интенсивно развивается процесс теплового старения изоляции.

Атмосферные воздействия обусловлены влиянием на электрическую ма­шину коррозионно-активных материалов, солнечной радиации, пыли, влаги и т. п.

Стоимость электрической машины существенно влияет на ее экономич­ность, т. к. физические свойства выбранных материалов (механическая и электрическая прочность, электрическая проводимость, нагревостойкость и т. п.) определяют энергетические показатели машины, ее эксплуатационную надежность и технологичность.

Материалы, применяемые в производстве электрических машин, разде­ляются на активные, электроизоляционные и конструкционные.

Активные материалы служат для создания в электрической машине необ­ходимых условий для протекания электромагнитных процессов. Активные материалы подразделяются на магнитные и проводниковые (токопроводящие).

Электроизоляционные материалы предназначены для электрической изо­ляции токопроводящих частей машины друг от друга и от других частей ма­шины.

Некоторые детали и сборочные единицы электрической машины работа­ют в сложных физических условиях и выполняют функции как конструкци­онных, так и активных. Так, например, станина машины постоянного тока выполняет роль как конструкционной, так и магнитопроводящей детали. По­этому к материалам таких деталей предъявляются смешанные требования. Например, хорошие магнитные свойства материала должны сочетаться с его механической прочностью.

2.2. Магнитные материалы

2.2.1. Основные параметры магнитных мматериалов

К магнитным материалам относят вещества, существенно изменяющие магнитное поле, в которое они помещены.

Магнитное поле в любой его точке характеризуется магнитной индукцией В, напряженностью магнитного поля Нμ магнитным потоком Ф.

Магнитная индукция зависит от магнитных свойств среды, в которой воз­никло магнитное поле. Значение магнитной индукции зависит от строения и магнитного состояния вещества.

Магнитные свойства материалов оцениваются следующими основными магнитными параметрами.

Абсолютная магнитная проницаемость μ_а (Гн/м) равна отношению ве­личины магнитной индукции В к величине напряженности магнитного поля Н в данном материале:

Для оценки свойств магнитных материалов обычно пользуются относительной магнитной проницаемостью μ. При этом различают (рис. 2.1) на­чальную магнитную проницаемость р_н, измеряемую в очень слабых магнит­ных полях - при значениях напряженности магнитного поля Н, близких ну­лю, и максимальную магнитную проницаемость μ _а.

Рисунок 2.1 – Зависимость магнитной проницаемости от напряженности

Температурный ко­эффициент магнитной проницаемости ТКμ (1/град), который харак­теризует изменение маг­нитной проницаемости при изменении темпера­туры магнитного мате­риала.

При линейном изме­нении ц температурный коэффициент магнитной проницаемости определяется

ТКμ = (μ2- μ1)/ μ1*(1/(t2-t1))

где μ2 - начальная магнитная проницаемость материала при температуре t2; μ1- начальная магнитная проницаемость материала при температуре t1.

Коэрцитивная сила Н_с (рис. 2.2) - это напряженность магнитного поля на петле магнитного гистерезиса (статической предельной петле гистерези­са), при которой индукция в материале равна нулю (В = 0). Магнитным гис­терезисом называется явление отставания изменения магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряженности магнитного поля. Напряжен­ность магнитного поля Н и коэрцитивная сила Н_с измеряются в амперах на метр (А/м).

Остаточная магнитная индукция В, (рис. 2.2) - индукция в намагни­ченном до насыщения материале, при которой напряженность магнитного поля равна нулю (Н = 0).

Индукция насыщения Вr, (рис. 2.2) - индукция, по достижении которой материал практически достигает полного намагничивания.

Рисунок 2.2 – Основная кривая намагничивания (1) и статическая петля гистерезиса

Индукция насыщения В_нас, и ос­таточная магнитная индукция В_г измеряются в тесла (Тл), 1 Тл = 1 Вб/м².

Полные потери в стали Рст состоят из потерь на гистерезис Рг и потерь на вихревые токи Р_в:

Рст = Рг + Р_в.

Потери на гистерезис Р_г - мощность, расходуемая на перемагничивание материала в пере­менном магнитном поле. Эти потери пропорциональны пло­щади петли гистерезиса и частоте переменного поля

,

где - коэффициент, зависящий от свойств материала (сорта стали);

B_m - максимальная индукция в течение цикла;

n = 1,6...2,0 - показатель степени, принимающий значения в зависимости от В;

f - частота перемагничивания;

V - объем образца.

Потери на вихревые токи Р_в - мощность, расходуемая на вихревые токи в магнитном материале. Изменяющийся магнитный поток, проходя по сталь­ному сердечнику, наводит в нем электродвижущие силы, являющиеся причи­ной вихревых токов, которые вызывают джоулевые потери в стали:

где - коэффициент, зависящий от сорта стали; - толщина листа.

В электрических машинах для определения суммарных потерь в стали Рст от основного поля пользуются расчетной формулой:

где К - поправочный коэффициент, учитывающий увеличение потерь в зубцах и в спинке сердечника из-за резки, штамповки и сборки листов, опрессовки, опиловки и обточки сердечников, а также из-за неравномерного распределения магнитной индукции. Значение этого коэффициента зависит от качества штампов и совершенства технологического процесса изготовле­ния сердечников. Опытным путем установлено среднее значение К, которое составляет 1,7 для машин переменного тока и 2,3 для машин постоянного тока:

- удельные магнитные потери в стали, установленные ГОСТ 21427.2. Измерение удельных потерь производится при синусоидальной форме пере­менной магнитной индукции. Удельные потери при индукции В = 1,0 Тл и частоте f = 50 Гц обозначаются : при индукции В = 1.5 Тл и частоте f = 60 Гц удельные потери обозначаются и т. д. Так, например, для стали 2013 - = 2,5 Вт/кг, а для стали 2411 - = 1,6 Вт/кг;

β - показатель степени, который зависит от марки стали и толщины лис­тов (ГОСТ 21427). Так, например, при толщине листов 0,5 мм для стали 2013 - β = 1.5, а для стали 2411 β =1,3;

G - масса стали, кг.

Амплитудная магнитная проницаемость μ_m (динамическая проницае­мость) характеризует магнитный материал при работе в переменном магнит­ном поле и определяется как отношение максимального значения индукции В_m к максимальному значению напряженности H_m на динамической кривой индукции, снятой в переменном поле: μ_m = В_m / H_m.

При низких частотах и малой толщине магнитного материала динамиче­ская кривая индукции совпадает со статической кривой. При этом значение динамической проницаемости совпадает со значением проницаемости, вы­численной из статической основной кривой намагничивания.

Коэффициент прямоугольности цикла магнитного гистерезиса (гисгерезисной петли) α_п определяется по предельному циклу магнитного гисте­резиса:

α_п = Br/Bнас

Свойства магнитотвердых материалов оценивают также величиной мак­симальной удельной энергии W_m , т. е. энергии, создаваемой магнитом в воз­душном зазоре (между полюсами магнита) и отнесенной к единице объема магнита в режиме намагничивания:

W_m = (B·H)/2 Дж/м³

Магнитные свойства материалов сохраняйся только до определенной температуры магнитной точки Кюри (Θ_К). При повышении этой температуры материал теряет свои магнитные свойства.

Все магнитные материалы делятся на две основные группы: магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы отличаются малыми потерями на гистерезис (узкий цикл гистерезиса) (рис. 2.3. кривая 1). Эти материалы обладают отно­сительно большими значениями магнитной проницаемости, малой коэрци­тивной силой (Н_с < 0,05...0,1 А/м) и относительно большой индукцией на­сыщения. Магнитомягкие материалы (например, тонколистовая электротех­ническая сталь) применяются для изготовления магнитопроводов трансфор­маторов электрических машин и ап­паратов, где требуется быстрое на­магничивание с малыми потерями энергии.

Рисунок 2.3 – Петля гистерезиса магнитомягкого (1) и магнитовердого материала (2)

Магнитотвердые материалы от­личаются широкой гистерезисной петлей (рис. 2.3 кривая 2), т.е. обла­дают большой коэрцитивной силой (Н_с > 20...30 кА/м) и большой оста­точной индукцией. Эти материалы, будучи намагниченными, могут дли­тельное время сохранять сообщен­ную им магнитную энергию, т. е. мо­гут служить источниками постоянно­го магнитного поля. Магнитотвердые материалы применяются для изго­товления постоянных магнитов.

В зависимости от основы магнитные материалы делятся на три группы:

1) металлические материалы;

2) неметаллические материалы;

3) магнитодиэлектрики.

К металлическим магнитомягким материалам относятся: чистое (элек­тролитическое) железо (низкоуглеродистая сталь), листовая электротехниче­ская сталь, железо-армко, пермаллои (железоникелевые сплавы) и др.

К металлическим магнитотвердым материалам относятся: легированные стали (закаливаемые на мартенсит), специальные сплавы на основе железа, алюминия, никеля и легирующих компонентов (кобальт, кремний и др.).

К неметаллическим магнитным материалам относятся ферриты (оксиферы). Это материалы, получаемые из порошкообразной смеси окислов не­которых металлов и окиси железа. Отпрессованные ферритовые изделия (сердечники, кольца и др.) подвергают высокотемпературной обработке - обжигу при температуре 1300... 1500 °С. Ферритовые спеченные изделия от­личаются высокой твердостью и хрупкостью. Механическую обработку фер­ритов можно производить абразивным инструментом из синтетических алма­зов или выполнить операции - резку, шлифовку и полировку. В ферритовых изделиях можно пробивать отверстия ультразвуком. Ультразвук позволяет также производить пайку ферритов между собой и с металлом. Ферритовые детали склеивают полистироловым, эпоксидным или другими клеями.

Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнит­ных параметров с большим электрическим сопротивлением, которое превы­шает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов в 10³…10¹³ раз. Относительно малые потери в области повышенных частот позволяют ис­пользовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах. По своим свойствам ферриты делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие ферриты используют для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, статоров и роторов высокочас­тотных электрических машин малой мощности. Ферриты обладают более низкой индукцией насыщения, чем металлические ферромагнетики, поэтому в сильных полях их применять нецелесообразно. Однако в высокочастотных полях ферриты могут иметь более высокую индукцию, т. к. отсутствует раз­магничивающее действие вихревых токов.

Наиболее распространенными промышленными магнитомягкими ферри­тами являются твердые растворы простых ферритов следующих видов: ни­кель-цинковые, марганец-цинковые, литиевые.

Магнитотвердые ферриты по сравнению с магнитомягкими имеют су­щественно большую коэрцитивную силу (5·10³..5-10⁶ А/м) и большую площадь петли гистерезиса. Такие магнитные материалы применяются для изго­товления постоянных магнитов - источников постоянных магнитных полей, которые практически во многих случаях экономичнее, чем электромагнит­ные.

Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделя­ют на следующие группы:

1) литые высококоэрцитивные сплавы;

2) металлокерамические материалы;

3) магнитотвердые ферриты;

4) сплавы на основе редкоземельных элементов:

5) прочие магнитотвердые материалы (мартенситные сплавы, пластически деформируемые сплавы и др.).

В группе литых высококоэрцитивных сплавов наибольшее распро­странение получили магнитотвердые материалы на основе железо-никель-алюминиевых и железоникель-кобальт-алюминиевых сплавов, легированных различными добавками (медь, титан, кремний, ниобий). Изделия из сплавов получают методом литья. Недостаткам сплавов являются особая хрупкость и высокая твердость, поэтому обработка их на металлорежущих станках за­труднена. Механической обработке в виде грубой обдирки резанием с при­менением твердосплавных резцов поддаются сплавы, не содержащие кобаль­та. Детали из всех сплавов можно шлифовать на плоскошлифовальных или круглошлифовальных станках в два приема: грубая шлифовка - до термиче­ской обработки, чистовая - после термической обработки. Для грубой обра­ботки применяют также электроискровой метод обработки. Бескобальтовые сплавы являются дешевыми и не содержат дефицитных металлов, но свойст­ва их не очень высоки. Сплавы, содержащие кобальт, имеют высокие маг­нитные характеристики, но в несколько раз дороже, чем бескобальтовые.

Металлокерамические и металлопластиковые магниты получают ме­тодами порошковой металлургии, которые позволяют автоматизировать про­цесс производства, получать изделия по строго выдержанным размерам.

Металлокерамические магниты изготовляют из измельченных тонкодис­персных порошков сплавов алюминий-никель-медь-кобальт, медь-никель-кобальт, медь-никель-железо. Механические свойства их выше, чем литых магнитов.

В настоящее время находят применение постоянные магниты, изготавли­ваемые методом порошковой металлургии на основе соединений неодим-железо-бор (Nd-Fe-B), феррит бария, ЮНДК, Sm-Co и др.

Металлопластические магниты изготовляют из порошка сплавов алюми­ний-никель-медь или алюминий-никель-медь-кобальт, смешанного с порош­ком диэлектрика (например, фенолформальдегидной смолой). Механические свойства металлопластических магнитов лучше, чем у литых, но магнитные свойства хуже, т. к. они содержат до 30 % по объему неферромагнитного свя­зующего диэлектрического материала.

В группе магнитотвердых ферритов наибольшее распространение полу­чили материалы на основе бариевого (стронциевого) феррита и кобальтового феррита.

Бариевые магниты обладают высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, вибрации и ударного воздействия. Бариевые магниты не содержат дефицитных материалов и примерно в 10 раз дешевле металлокерамических магнитов и магнитов из литых высококоэрцитивных сплавов.

Недостатком бариевых магнитов является низкая остаточная индукция, высокая хрупкость и твердость, а также значительная зависимость магнитных свойств от температуры. Кобальтовые ферриты более температуростабильны.

Ферриты, так же как и металлокерамические и металлопластические ма­териалы, отличаются от металлических магнитных материалов большими значениями удельного объемного сопротивления (ρ = 10... 10⁸ Ом·м), что рез­ко снижает потери на вихревые токи. Это позволяет использовать эти мате­риалы в технике высоких частот. Кроме того ферриты обладают стабильно­стью своих магнитных характеристик в широком диапазоне частот.

Магниты из сплавов на основе редкоземельных металлов представля­ют собой интерметаллические соединения кобальта с редкоземельными ме­таллами: церием, самарием, празеодимом, лантаном и иттрием. Эти соедине­ния обладают очень высокими значениями коэрцитивной силы и магнитной энергии. Технология получения магнитов из редкоземельных металлов за­ключается в спекании их из порошков в присутствии жидкой фазы или литья. Жидкая фаза создается за счет того, что редкоземельный металл берется в избытке.

В настоящее время все более широкое применение находит сплав в соста­ве 52 % Со, 25,5 % Sm, 8 % Си, 14 % Fe и 1.1 % Zn.

Основными недостатками сплавов из редкоземельных металлов являются: высокая хрупкость, использование дефицитных материалов и высокая стои­мость.

Магниты из других магнитотвердых металлов изготовляют из мартенситовой стали или пластически деформируемых сплавов.

Мартенситом называют особый вид микроструктуры стали, который по­лучают при быстром ее охлаждении (закалке). Образование мартенсита (200 °С), который имеет пластинчатую форму, сопровождается объемными изменениями, созданием больших внутренних напряжений, что приводит к появлению большой коэрцитивной силы. В настоящее время используются только легированные мартенситные стали, которые называются по легирую­щей добавке: хромовые (до 3 % Сг), вольфрамовые (до 8 % W) и кобальтовые (до 15 % Со). Эти материалы в настоящее время имеют ограниченное приме­нение и используются для изготовления магнитов в наименее ответственных случаях.

Пластически деформируемые сплавы обладают высокими механиче­скими свойствами, хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатыва­ются на станках.

Наиболее распространенными являются сплавы:

• кунифе (60 % Си, 20 % Ni, 20 % Fe);

• кунико (50 % Си, 21 % Ni, 29 % Со, остальное Fe);

• викаллой (51,0...54,0 % Со, 10... 13,0 % Y, остальное Fe).

Сплавы кунифе анизотропны, применяются в виде проволоки и штампо­вок.

Сплавы кунико дороже сплавов кунифе и применяются для изготовления магнитов сложной конфигурации.

Викаллой применяют для изготовления мелких магнитов сложной конфи­гурации.