Электромеханические системы (ЭМС) / Конспект лекций по дисциплине Электромеханические системы / эл_мех09

38

Лекция № 9.

1. Материалы, применяемые для изготовления ЭМУС. Категория материалов.

2.Магнитные материалы.

3.Кривая намагничивания и петля гистерезиса.

Материалы, применяемые для изготовления ЭМУС.

Все материалы, применяемые для изготовления электрических машин можно разделить на четыре категории:

–конструктивные

–активные

–изоляционные

–для изготовления щеток

1. Конструктивные материалы применяются для изготовления деталей и частей, воспринимающих и передающих механические нагрузки (валы, станины, подшипниковые щиты и стояки, крепеж). Здесь используется сталь, чугун, цветные металлы и их сплавы, пластмассы. Требования к ним общие в машиностроении.

2.Активные материалы подразделяются на проводниковые и магнитные

ипредназначены для изготовления активных частей машины (обмотки и сердечники магнитопроводов).

К проводниковым материалам предъявляются требования: дешевизны и высокой электропроводности. К ним относятся: электролитическая медь, алюминий или медные и алюминиевые сплавы.

В целях экономии цветных металлов или увеличения механической прочности токоведущие части (коллекторные пластины, контактные кольца, болты) изготавливаются из стали.

3.Изоляционные материалы – применяются для электрической изоляции обмоток, токоведущих частей и листов стали в сердечниках. Требования, предъявляемые к ним: высокая электрическая и механическая прочность, нагревостойкость и теплопроводность, а также малая гигроскопичность, по возможности изоляция должна быть минимальной толщины. На практике в электрических машинах эти требования удовлетворяются в разной степени.

Изоляционные материалы делятся на твердые, жидкие и газообразные. К твердым изоляционным материалам относятся следующие группы:

1. Естественные органические волокнистые материалы (без пропитки, с пропиткой, хлопчатая бумага, шелк).

2. Неорганические материалы (слюда, стекловолокно, асбест). 3. Синтетические материалы (смола, пленка, листовой материал).

4. Эмали, лаки, выполненные на основе природных и синтетических смол. Важнейшая характеристика изоляционных материалов –

нагревостойкость. Согласно ГОСТ 8865-70 их 7 классов.

39

4.Материалы для щеток: I угольно-графитные, графитные, электрографитированные, ΙΙ металлографитные. Для изготовления щеток первой группы используется сажа, природный графит и антрацит с каменноугольной смолой в качестве связующего компонента. При изготовлении щеток второй группы добавляются металлы (медь, бронза, серебро).

2.Магнитные материалы.

Ферромагнитные материалы относятся к небольшой группе материалов,

вкоторых сильно проявляется внутренний магнитный эффект под действием внешнего магнитного поля (железо, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы).

Магнитные свойства материалов характеризуются зависимостями магнитной индукции В от напряженности поля Н и потерями на перемагничивание от индукции и частоты. Зависимость вида B =f(H) носит название кривых намагничивания.

При намагничивании предварительно размагниченного образца различают следующие типы зависимости B =f(H)

1.Нулевая (первоначальная) кривая намагничивания, которая получается при монотонном увеличении Н.

2.Безгистерезисная (идеальная) кривая намагничивания, получаемая при одновременном действии переменного с убывающей до нуля амплитудой и постоянного поля (рис. 1.31).

3.Основная (коммутационная) кривая намагничивания, представляющая собой геометрическое место вершин кривых (вершин гистерезисных циклов), получающихся при циклическом перемагничивании (рис. 1.31).

Нулевая кривая незначительно отличается от основной. Безгистерезисная кривая характеризуется быстрым возрастанием индукции насыщения уже в слабых постоянных полях, независимо от материала.

Основная кривая намагничивания является важнейшей характеристикой магнитных материалов. Она отвечает требованиям хорошей воспроизводимости

ишироко используется для характеристики материалов в постоянных и медленно меняющихся магнитных полях.

40

Рис. 1.31. Кривые намагничивания предварительно размагниченного образца:

а – безгистерезисная; б – основная.

Рис. 1.32. Петли гистерезиса: а – предельная (статическая) б – частная; в – динамическая.

Основной характеристикой материала является отношение =B/H, называемое магнитной проницаемостью. Подставляя в это отношение конкретные значения В и Н, получим различные виды магнитной проницаемости, которые в настоящее время применяются в технике.

Для статических расчетов наиболее часто пользуются понятием „нормальной” магнитной проницаемости абсолютной и относительной x, r, дифференциальными проницаемостями возрастания d и убывания .′d , начальной α, максимальной max.

41

Рис. 1.33. К объяснению различных понятий магнитной Проницаемости.

Для точки А (рис. 1.33) нормальная магнитная проницаемость (слово нормальная принято опускать) определяется как тангенс угла наклона секущей

Начальная и максимальная проницаемости представляют частные случаи нормальной проницаемости.

т.е. наклон касательной на начальном участке кривой характеризует начальную проницаемость, а наклон касательной, проведенной из начала координат в точку верхнего перегиба кривой, соответствует максимальной проницаемости.

На рис. 1.34 представлены зависимости нормальной и дифференциальных проницаемостей от напряжения поля.

42

Рис. 1.34. Зависимости магнитной проницаемости µ, дифференциальной проницаемости µd и µ′d от от напряжения поля Н.

Как уже было сказано выше при циклическом перемагничивании кривая намагничивания, образует гистерезисную петлю. Гистерезисная петля, полученная для условий насыщения, называется предельной петлей (рис. 1.32).

Основными характеристиками петли гистерезиса являются остаточная индукция Br, коэрцитивная сила Hc и площадь петли, характеризующая потери на гистерезис Pг.

При изменении тока с высокой частотой петля гистерезиса расширяется

(рис. 1.24).

В этом случае площадь петли будет характеризовать суммарные потери на гистерезис и вихревые токи.

Вихревые токи являются реальными токами, возникающими в сердечнике в результате изменения потока и ненулевой проводимости материала. Причем, согласно правилу Ленца, наведенный ток, всегда противодействует изменению потока.

Наличие вихревых токов вызывает следующие явления:

1. Появление внутренней H.C., противодействующей H.C. обмотки возбуждения.

2. Активные потери энергии, нагревающие сердечник.

43

Расширение петли гистерезиса с ростом f тока является прямым следствием противодействующего эффекта вихревых токов.

Общепринято выделение двух основных групп магнитных материалов – магнитомягких и магнитотвердых. В третью группу можно включить материалы специального назначения, имеющие сравнительно узкие области применения.

Характерными свойствами магнитомягких материалов является их способность намагничивания до насыщения уже в слабых полях (высокая магнитная проницаемость) и малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) должны обладать способностью создавать как можно большую удельную энергию в полезном воздушном зазоре. Эта энергия тем больше, чем больше остаточная индукция и коэрцитивная сила.

Сравнивая петли гистерезиса, характерные для обеих групп материалов, можно отметить, что форма петли, индукция насыщения и остаточная индукция примерно одинаковы, а разница в коэрцитивной силе достигает очень большой величины. Для применяемых в настоящее время промышленных магнитомягких материалов наименьшая Hc =0,05A/м, а для магнитотвердых – наибольшая Нс =62 103А/м; границы значений НС, по которым материал можно отнести к группе магнитомягких и магнитотвердых условны. Ориентировочно можно считать, что для магнитомягких Нс ≤25А/м; а магнитотвердых Нс

≥4000А/м.

Важнейшими магнитомягкими материалами являются технически чистое железо, электротехнические стали, пермалои (сплавы железа с никелем), магнитомягкие ферриты магнитодиэлектрики. Основными магнитотвердыми материалами являются сплавы на основе железа-никеля-алюминия-кобальта, магнитотвердые ферриты, мартенситные стали.