2.2.2. Тонколистовая электротехническая сталь

Тонколистовая электротехническая сталь является одним из основных ак­тивных материалов электрической машины.

Низкие потери на перемагничивание, характеризуемые узкой, с малой площадью петлей гистерезиса, зависят от наличия в стали вредных примесей: углерода, азота, кислорода и некоторых других неметаллических включений.

Уменьшение содержания в сплаве вредных примесей, а также введение в него легирующего элемента - кремния снижают потери от гистерезиса, так как кремний является хорошим раскислителем и переводит имеющийся в стали углерод в наименее вредную форму - графит. Кремний также повыша­ет удельное электрическое сопротивление, что ведет к уменьшению потерь от вихревых токов.

Листовая сталь с содержанием углерода не более 0,1 % с добавкой до 4,8 % кремния и определяет понятие листовая электротехническая сталь.

Причем листовая электротехническая сталь с содержанием кремния от 3 до 4,8 % называется трансформаторной сталью.

Вместе с тем, легирование кремнием отрицательно сказывается на меха­нических свойствах стали, делает сталь твердой и более хрупкой, что затруд­няет ее механическую обработку. Кроме того, в сильных магнитных полях из-за введения кремния снижается индукция. Поэтому максимальное содер­жание кремния не должно превышать 4,8 %.

Магнитные свойства стали зависят также от способа обработки — прокат­ки. По виду прокатки различают горячекатаную сталь (старый технологиче­ский процесс изготовления кремнистой стали) и холоднокатаную сталь (но­вый технологический процесс).

Холоднокатаная сталь в направлении проката имеет меньшее магнитное сопротивление, чем горячекатаная. Это объясняется тем, что при горячей прокатке кристаллы железа, которые хорошо намагничиваются по ребру кри­сталлической решетки куба и хуже по его диагонали, располагаются хаотич­но, а при холодной прокатке они ориентируются таким образом, что ребра кристаллов совпадают с направлением прокатки. Такая электротехническая сталь с ориентированной структурой, так называемая текстурованная сталь, при одних и тех же индукции и частоте перемагничивания имеет удельные потери почти в 2 раза меньшие, чем горячекатаная.

В направлении, перпендикулярном прокату, магнитные свойства холод­нокатаной стали резко ухудшаются. Потери в ней на намагничивание увели­чиваются до 70 %. Поэтому ее нецелесообразно применять для несегментированной круговой вырубки.

Согласно ГОСТ 21427.0-75 тонколистовая электротехническая сталь раз­деляется на 38 марок. Марку стали обозначают четырьмя цифрами (рис. 2.4).

Первые три цифры в обозначении марки означают тип стали.

По структурному состоянию и виду прокатки сталь подразделяют на 3 класса:

1- горячекатаная изотропная;

2- холоднокатаная изотропная;

3- холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.

X X X X

Класс по структурному состоянию и виду прокатки (1,2, 3)

Примерное содержания кремния (0,1,2, 3, 4, 5)

Группа по основной нормируемой характеристике (О,1,2,6, 7)

Порядковый номер типа стали

Рисунок 2.4 - Структура обозначения марки тонколистовой электротехнической стали

В изотропных сталях магнитная проводимость в направлении и поперек прокатки примерно одинакова, а в анизотропных сталях магнитная проводи­мость вдоль прокатки значительно больше, чем поперек прокатки.

По содержанию кремния сталь подразделяют на 6 групп (0, 1, 2, 3,4,5):

0 — с наименьшим содержанием кремния — до 0,4 % включительно (неле­гированная);

1 — с содержанием кремния свыше 0,4 до 0,8 % включительно;

2. — свыше 0,8 до 1,8 % включительно;

3. — свыше 1,8 до 2,8 % включительно;

4. — свыше 2,8 до 3,8 % включительно;

5 — свыше 3,8 до 4,8 % включительно.

Химический состав стали не нормируется.

Стали с низким содержанием кремния имеют малую относительную маг­нитную проницаемость и большие магнитные потери, а также большую ин­дукцию насыщения.

Стали с высоким содержанием кремния имеют высокую относительную маг­нитную проницаемость в слабых и средних полях, а также меньшие потери на вихревые токи и гистерезис. Содержание кремния снижает плотность и повыша­ет удельное электрическое сопротивление стали. Для стали с содержанием крем­ния 0,8... 1,8 % плотность составляет 7800 кг/м³, удельное сопротивление 0,25·10⁶Ом·м. Для стали с содержанием кремния 3,8...4,8% плотность составляет 7550 кг/м³, удельное сопротивление 0,5·10⁶ Ом·м.

С увеличением процентного содержания кремния сталь становится более хрупкой и при ее штамповке больше изнашиваются рабочие части штампа.

По основной нормируемой характеристике сталь подразделяют на 5 групп (0, 1, 2,6, 7):

0- удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц

1- удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц

2- удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц

6- магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м

7- магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м.

Горячекатаная изотропная тонколистовая электротехническая сталь изго­товляется в виде листов следующих марок: 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1313, 1411, 1412, 1413, 1511, 1512, 1513, 1514, 1521, 1561, 1562, 1571, 1572.

По точности прокатки по толщине сталь подразделяют на сталь нормаль­ной (Н) и повышенной (П) точности, по неплоскостности - на классы 1 и 2. Листовая сталь поставляется на электромашиностроительные предприятия в термически обработанном состоянии. По состоянию поверхности листовая сталь выпускается с травленой (Т) и с нетравленой (НТ) поверхностью. По­верхность листов должна быть гладкой, без ржавчины, отслаивающей окали­ны, налета порошкообразных веществ, препятствующих нанесению изоля­ции.

Пример условного обозначения листа толщиной 0,5 мм, шириной 1000 мм, длиной 2000 мм, повышенной точности прокатки, класса неплоско­стности 2, с травленой поверхностью, из стали марки 1512: лист 0,50x1000х2000-П-2-Т-1512.

Холоднокатаные изотропные стали с кубической структурой обладают более высокой магнитной проницаемостью, пониженными магнитными по­терями при перемагничивании, малыми разнотолщинностью и разноплоскостностью по сравнению с горячекатаными сталями. Коэффициент заполнения сердечников, собираемых из холоднокатаной стали толщиной 0,5 мм, повы­шается до 0,97.

При производстве на металлургических заводах холоднокатаной изотроп­ной стали ее после проката подвергают термической обработке (отжигу) при температуре 800 °С для стабилизации магнитных свойств. Эта сталь по стан­дарту должна иметь термостойкое электроизоляционное покрытие (оксидную пленку).

Без термической обработки поставляется только сталь 2013, т. к. из-за вы­сокой пластичности в отожженном состоянии при штамповке образуются большие заусенцы. Поэтому отштампованные из этой стали листы должны подвергаться термообработке на электромашиностроительном предприятии в специальных термопечах, в защитной атмосфере, а затем оксидированию в атмосфере водяного пара или воздуха для получения на поверхности листов электроизоляционного слоя.

Согласно ГОСТ 21427.2-83 тонколистовую холоднокатаную изотропную сталь выпускают в виде рулонов, листов и резаной ленты следующих марок: 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2311, 2312, 2411, 2412. Преимущест­венное применение в современных единых сериях асинхронных двигателей и машин постоянного тока получили стали марок 2013,2312 и 2411.

Холоднокатаная анизотропная сталь с ребровой структурой имеет в на­правлении прокатки высокую магнитную проницаемость и малые удельные потери в слабых полях. Согласно ГОСТ 21427.1-83 эту сталь выпускают сле­дующих марок: 3311, 3412, 3413, 3414. 3415, 3416. 3404, 3405, 3406.

Сталь 3411 применяют для изготовления сердечников главных полюсов машин постоянного тока. При изготовлении сердечников из анизотропной стали необходимо, чтобы продольная ось полюса совпадала с направлением прокатки стали. Применение холоднокатаной анизотропной стали марки 3411 для сердечников главных полюсов позволяет уменьшить магнитное рассея­ние добавочных полюсов и ослабить размагничивающее действие реакции якоря. Это объясняется тем, что магнитный поток обмотки якоря, проходя поперек сердечников главных полюсов, т. е. перпендикулярно направлению прокатки стали, испытывает повышенное магнитное сопротивление, что и ведет к уменьшению этого потока.

По точности прокатки и неплоскостности холоднокатаная анизотропная сталь подразделяется так же, как и горячекатаная, по виду покрытия: с элек­троизоляционным термостойким покрытием (ЭТ), с покрытием, не ухуд­шающим штампуемость, (М), мягкое, без электроизоляционного покрытия (БП).

На электромашиностроительные заводы электротехническая сталь посту­пает в виде рулонов и резаных лент. Внутренний диаметр рулона должен быть 500 ± 10 мм, чтобы его можно было одеть на разматывающее приспо­собление. Исходя из того, что максимальная ширина электротехнической стали 1000 мм, то цельный сердечник изготовляют диаметром 990 мм (10 мм по краям по условиям штамповки уходит в отход). При большем диаметре сердечника его изготовляют сборным из отдельных сегментов.

Согласно ГОСТ 21427.1-83 рулонную электротехническую сталь изготов­ляют толщиной 0,28; 0,30; 0,35 и 0,5 мм и шириной 750, 860 и 1000 мм.

Резаную ленту изготовляют толщиной 0,28; 0,30; 0,35 и 0,50 мм. шириной 170, 180, 190, 200, 240, 250, 300, 325, 360, 400, 465 и 500 мм.

Всю анизотропную сталь поставляют в термически обработанном состоя­нии. Пример условного обозначения рулона толщиной 0.35 мм. шириной 1000 мм, повышенной точности прокатки П, с электроизоляционным термо­стойким покрытием ЭТ, с коэффициентом заполнения группы А из стали марки 3414: рулон 0,35х1000-П-ЭТ-А-3414 ГОСТ 21427.1-75.

Геометрия листов стали, механическая обработка искажает свойства элек­тротехнической стали. Поэтому магнитные характеристики сталей в магнитопроводах электрических машин учитываются технологическими коэффи­циентами, которые определяются обычно опытным путем и учитывают кон­струкцию и технологию изготовления.

Электроизоляционные прослойки между листами уменьшают активное сечение пакета стали, что учитывается коэффициентом заполнения пакета сталью к_с. Он характеризует отношение сечения стали (без изоляции) ко все­му сечению пакета.

Сердечники короткозамкнутых роторов асинхронных двигателей с залив­кой пазов алюминием собираются из неизолированных листов. В этом случае к_с берется равным 0,95. Для магнитопроводов, работающих в постоянных магнитных полях, применяют техническое железо с содержанием углерода менее 0,04 %, а также углеродистые стали и чугуны.

Для полюсов синхронных машин используются стали толщиной 1...2 мм и более, что ведет к улучшению к_с, который достигает в этом случае значений 0,95...0,98.

Листовая сталь применяется для сварных станин машин постоянного тока и изготовления ободов роторов синхронных машин. Толщина ее колеблется от 1,5 до 120 мм. По магнитным свойствам листовая сталь приближается к литой стали.

Стальное литье применяется для станин машин постоянного тока и ободов (ярм) роторов синхронных машин. Магнитные характеристики литой стали колеблются в очень широких пределах в зависимости от ее химическо­го состава.

Кованые стали или стальные поковки применяют для добавочных полю­сов машин постоянного тока и роторов быстроходных синхронных машин.

2.3. Проводниковые материалы

2.3.1. Свойства проводниковых материалов

К проводниковым материалам относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы обладают малым удельным сопротивлением. Сплавы имеют более высокие значения удельного сопротивления.

Чистые металлы, наряду с малым удельным сопротивлением, обладают хорошей пластичностью, т.е. могут вытягиваться в тонкую проволоку (до диаметра 0,005 мм), ленты (до толщины 0,01 мм) и прокатываются в фольгу толщиной менее 0,01 мм. Сплавы металлов обладают меньшей пластично­стью по сравнению с чистыми металлами, они более упруги и имеют боль­шую механическую прочность. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате ме­ханической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле.

Для получения проводниковых изделий с повышенным пределом прочно­сти при растяжении их подвергают холодной обработке (прокатке, волоче­нию). Чтобы вернуть деформированным металлическим проводникам преж­нюю величину удельного сопротивления, их подвергают термической обра­ботке - отжигу без доступа кислорода. Характерной особенностью всех ме­таллических проводниковых материалов является их электронная электро­проводность. Основные характеристики проводниковых материалов приве­дены в табл. 2.3.

В качестве проводниковых материалов в электрических машинах широко применяются медь и алюминий.

Широкое применение меди в качестве проводникового материала объяс­няется целым рядом технически ценных свойств, которыми она обладает:

1) малым удельным сопротивлением;

2) достаточно высокой механической прочностью;

3) удовлетворительной стойкостью к коррозии даже в условиях повышен­ной влажности;

4) хорошей обрабатываемостью (легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку малого диаметра);

5) хорошей способностью к пайке и сварке.

В соответствии с ГОСТ 859-78 медь по химическому составу делится на девять марок: Ml, М00к, М0ку, М0к, М00б, М0б, М1б, Mlк, Mlу. Цифры 0, 00, 1 определяют содержание меди, наибольшее содержание меди имеют марки М00к и М00б. Индексы при марках имеют следующие значения: к, ку - катодная медь, б - бескислородная, у - катодная переплавленная.

Наличие примесей в меди отрицательно влияет не только на ее механиче­ские и технологические свойства, но и значительно снижает ее электропро­водность. Поэтому медь, предназначенная для электрических проводов, не должна содержать более 0,1 % примесей.

При температуре выше 225 °С медь начинает интенсивно окисляться, что приводит к резкому увеличению сопротивления и снижению эластичности. Это необходимо учитывать при проведении соединений медных элементов методом сварки.

При механических деформациях медь подвергается наклепу, и она стано­вится твердой, а ее удельное электрическое сопротивление возрастает. На­клеп устраняется отжигом, который позволяет восстановить основные свой­ства меди. Так, например, в процессе изготовления из шинной меди катушек полюсов синхронных машин или катушек добавочных полюсов машин по­стоянного тока медь подвергается наклепу, который устраняют последующей операцией отжига.

Второе место по значению после меди среди проводниковых материалов занимает алюминий - металл, наиболее распространенный в природе, по­скольку его содержание в земной коре составляет не менее 7,5 %.

Алюминий получил широкое распространение в электротехнике не толь­ко ввиду острого дефицита меди, но и благодаря своим замечательным свой­ствам:

1) малая плотность;

2) низкая температура плавления;

3) высокая пластичность;

4) прочная и очень тонкая оксидная пленка, которая защищает алюминий от дальнейшего окисления и обуславливает его высокую коррозионную стойкость.

Алюминий относится к так называемым легким металлам. Он в 3,3 раза легче меди.

По сравнению с медью алюминий обладает пониженными свойствами - как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечениях и дли­не электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медно­го, в 0.028/0.0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 больше, т.е. диаметр должен быть в √1.63 = 1,3 раза боль­ше диаметра медного провода, и если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиево­го и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод, хотя и толще медного, но легче его при­близительно в два раза: 8,9/(2,7·1,63) = 2. Поэтому для изготовления про­водов одной и той же проводимости при данной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза.

Оксидная пленка на поверхности алюминиевых проводов создает доста­точно большое переходное сопротивление, которое затрудняет их пайку обычными методами. Для этой цели приходится использовать специальные припои и паяльники (ультразвуковые) либо применять холодную сварку, т.е. пластическое обжатие проводов в месте их контакта.

Наличие примесей в составе алюминия, среди которых наиболее часто встречаются железо, кремний, медь, цинк и титан, существенно снижают его удельную проводимость, влияют на механические характеристики и обуслав­ливают области его применения.

В соответствии с количественным содержанием контролируемых приме­сей промышленность выпускает алюминий трех марок: особой чистоты (не более 0,001 %), высокой чистоты (не более 0.05%) и технической чистоты (не более 1,0 %).

Обозначение марки алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра, определяющая процентное содержание алюминия. Так, например, алюминий марки А97 содержит 99,97 % алюминия, остальное — контролируемые приме­си. Алюминиевые провода изготовляются из алюминия марки АЕ, имеющего в своем составе 99,5 % чистого алюминия и 0,5 % примесей железа и крем­ния.

Для литейных сплавов наиболее употребительны сплавы AЛ2 и AЛ9.

Для заливки роторов асинхронных двигателей при литье под давлением применяют сплавы АКЗ, АКМ4-4 и АМг7. Температура плавления 640...740 °С. В марках алюминиевых сплавов буквы дают информацию о том, какие именно элементы содержатся в сплаве (А - алюминий, К крем­ний, М - медь, Mг - магний. Ц - цинк. Мц - марганец), а цифры - их среднее процентное содержание.