Введение к работе
Актуальность работы. Качество изделий электромашиностроения, в том числе их удельная мощность (мощность, отнесенная к единице массы изделия) и к.п.д. определяются в значительной степени качеством магнитопроводов, т.е. уровнем их магнитных характеристик. Магнитные характеристики магнитопроводов зависят в свою очередь как от магнитных свойств исходного материала (например, от свойств электротехнической стали), так и от степени воздействия на этот материал технологии изготовления того или иного магнитопровода. Следовательно, задача обеспечения высокого технического уровня магнитопроводов решается: а) путем Создания высококачественных магнитомягких материалов; б) максимально полным использованием свойств этих материалов в изделиях. И в том, и в другом случае обязательной составляющей в комплексе мер, направленных на решение указанной задачи, является обеспечение достоверного контроля магнитных свойств (в т. числе магнитных потерь), позволяющего поддерживать требуемые режимы технологии и, таким образом, гарантировать качество изделий (электротехнической стали и изготавливаемых из нее магнитопроводов). Вместе с тем современный уровень разработки и использования в промышленности методов и средств контроля магнитных потерь не полностью отвечает требованиям практики, что связано с необходимостью углубления представлений о процессах намагничивания и перемагничивания, физике магнитных потерь в материалах и магнитопроводах.
Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью обобщения и дальнейшего развития научных основ контроля магнитных потерь, позволяющих более полно учитывать влияние на. величину магнитных потерь особенностей магнитных процессов в электротехнической стали, обусловленных характером ее кристаллической и магнитной структуры, пространственно-временного распределения магнитных полей и индукций, внутренних упругих напряжений.
Работа выполнялась в соответствии с Постановлением ГКНТ СССР N 300 от 2 июня 1980 г. (per.N 80064588), постановлениями Президиума АН БССР N 193 от 23 декабря 1982 г. (per.N 0015279), N139 от 24 декабря 1987 г. . (per.N 01.8.80014988). N 3 от 21 января 1993 г., заданием 06.14 межотраслевой республиканской
комплексной научно-технической програти по машиностроению на І992-Ї994 гг., и по хоздоговорным темам.
Цельи настоящей работы является развитие и обобщение проблемы контроля магнитных потерь на основе теоретического анализа процессов намагничивания и перемагничивания в электротехнической стали с учетом ее кристаллической и магнитной структуры, упруго напряженного состояния материала и пространственно-временного распределения в кем магнитного поля и индукции, и их влияния на величину к погрешность контроля магнитных потерь, а также разработка новых подходов, значительно упрощающих процесс измерения магнитных потерь.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:
- проведено теоретическое, обобщение и анализ влияния распределения магнитной индукции в ферромагнетике на величину потерь энергии на перемагничивание и погрешность их контроля;
развита физическая модель Н.С.Акулова для расчета магнитострикционного изменения формы монокристалла с ОЦК структурой, содержащего упругие напряжения растяжения (сжатия), на основе которой проведен теоретический анализ процессов намагничивания в упруго напряженном ферромагнитном материале с указанной структурой в квазистатическом магнитном поле, и уточнен расчет его магнитных характеристик;
предложена модель смещения 180 доменных границ, на основе которой проведен теоретический анализ процессов перемагничивания в пластине текстурованной электротехнической стали, расчет вихретоковых потерь в функции параметров ее 180 доменной структуры и режимов перемагничивания, анализ зависимости их величины и погрешности контроля от величины внутренних упругих напряжений в данной пластине;
разработаны и' обобщены новые подходы' к проблеме измерения магнитных потерь, позволяющие с достаточной для практических целей точностью судить о магнитных потерях в материале при синусоидальной форме индукции по результатам их измерения при произвольной форме индукции в данном материале;
разработаны методы и приборы для контроля магнитных характеристик сталей и магнитопроводов.
Достоверность результатов. Достоверность основных
теоретических результатов, полученных в работе и соответствие предложенных в ней расчетных моделей и подходов реальным магнитным процессам в электротехнической стали подтверждается проведенными экспериментальными исследованиями и обработкой результатов исследований, опубликованных другими авторами.
Достоверность экспериментальных результатов, полученных в данной работе подтверждается тем. что все эксперименты проведены на аппаратуре, прошедшей необходимую аттестацию, результатами метрологической аттестации и внедрением на промышленных предприятиях созданных приборов для контроля магнитных потерь и индукции в электротехнической стали и магнитопроводах.
Научная новизна заключается в обобщении теории намагничивания и перемагничивания иагнитомягких материалов типа электротехническая сталь во взаимосвязи с параметрами и особенностями поведения в магнитном поле ее доменной структуры, характером упруго напряженного состояния материала и пространственно-временного распределения в нем магнитного поля и индукции, определившей новые подходы к решению проблемы контроля магнитных потерь. В этой связи:
Проведено теоретическое обобщение и анализ влияния распределения магнитной индукции в ферромагнетике на величину потерь энергии на перемагничивание. Показано, что неоднородное распределение индукции всегда приводит к увеличению потерь энергии на перемагничивание, которое необходимо учитывать при их измерении; получены аналитические выражения, дающие-зависимость величины и погрешности контроля магнитных потерь от функции распределения магнитной индукции в ферромагнитном материале.
Развита физическая модель Н.С.Акулова для расчета магнитострикции насыщения в ферромагнетике с ОЦК структурой для случая, когда к нему приложены сперва упругие напряжения растяжения (сжатия), а затем магнитное поле; на основе этого рассчитаны объемы магнитных фаз в данном ферромагнетике и получены выражения для начальной магнитной восприимчивости упруго растянутого (сжатого) или изогнутого ферромагнетика указанного типа, в т.числе пластины или ленты электротехнической стали. Получено удовлетворительное совпадение с результатами экспериментальных исследований.
Предложена модель смещения 180 доменных границ, на основе
которой проведен теоретический анализ процессов перемагничивания в пластине текстурованной электротехнической стали, позволивший получить соотношение, описывающее связь между изменением индукции в пластине и характером изменения в ней магнитного поля.
- Рассчитано поле вихревых токов в пластине текстурованной
электротехнической стали, как сложение поля макровихревых токов,
индуцированных'общим изменением магнитного потока в поперечном
сечении пластины в соответствии с частотой намагничивающего поля,
и поля микровихревых токов, обусловленных непосредственно
смешением 180 доменной границы. Найдено выражение, описывающее
форму изгибающейся в процессе движения 180 доменной границы и
определяемую ' неоднородным распределением магнитного поля з
Ферромагнетике.
- Получено выражение для однородного намагничивающего поля, при котором в пластине со 180 доменной структурой индукция изменяется во времени по синусоидальному закону; для данного режима перемагничивания рассчитаны вихретоковые потери в функции параметров 180 доменной структуры, . проведен анализ зависимости их величины и погрешности контроля от величины упругих напряжений в пластине с данными параметрами 180 доменной структуры и при данной частоте перемагничивания; получено удовлетворительное совпадение с результатами экспериментальных исследований.
Проанализированы и обобщены новые подходы к проблеме измерения магнитных потерь, основанные на найденном и исследованном способе, по которому о магнитных потерях в электротехнической стали при синусоидальной форме магнитной индукции можно судить с достаточной для практических целей точностью по результатам их измерения при произвольной форме магнитной индукции в данном материале.
Проведен анализ влияния физико-технологических факторов, обусловленных порезкой . витых магнитопроводов на их магнитные потери, позволивший рассчитать величину дополнительных потерь на вихревые токи в разрезанных магнитопроводах, вызванных замыканием витков ленты на их торцах, идентифицировать деформированный при порезке приповерхностный слой материала, предложить способ контроля дополнительных магнитных потерь и термообработки торцев в разрезанных магнитопроводах, существенно уменьшающий в них магнитные потери.
Практическое значение работы. Разработана методика анализа зависимости величины магнитных потерь от характера распределения магнитной индукции в ферромагнетике, позволяющая учесть влияние этого фактора на магнитные потери при разработке конструкций магнитопроводов электрических машин, выборе материала по магнитным, геометрическим и другим параметрам для изготовления магнитопроводов с учетом режима их работы.
Установленный характер зависимости магнитной восприимчивости ферромагнитного материала от упругих напряжений растяжения (сжатия) и изгиба, описывавши простыми соотношениями, создает возможности для более реалистичной оценки влияния остаточных напряжений на магнитные характеристики электротехнической стали или магнитопроводов (в т. числе витых) и, соответственно, для последующей корректировки технологий.
Проведенный анализ зависимости величины и погрешности контроля магнитных потерь от характера распределения магнитной индукции и величины механических напряжений в ферромагнетике с учетом параметров его (в данном случае текстурованной электротехнической стали) 180 доменной структуры и частоты перемагничивания принципиально позволяет - учесть влияние этих факторов при отработке технологии изготовления стали и магнитопроводов, в том числе при контроле магнитных потерь в них.
Проведенные исследования влияния механической порезки на величину потерь в витых магнитопроводах позволили получить как обобщенную количественную информацию о степени такого влияния, так и раскрыли роль ряда . физико-технологических факторов, обусловленных порезкой на увеличение потерь энергии в магнитопроводах. Это дало возможность, учитывая дифференциацию вклада указанных факторов предложить способ контроля качества порезки через измерение вихретоковых потерь в слое замыкания, и способ уменьшения магнитных потерь в витых магнитопроводах путем ускоренного отжига тонкого деформированного слоя. Полученные результаты в качественном отношении могут быть обобщены и на магнитопроводы других типов, которые изготавливаются из тех или иных позиций или элементов, также получаемых путем механической обработки (резка, штамповка и т. д.) электротехнической стали.
Разработанная методика инвариантного измерения магнитных потерь в электротехнической стали позволяет значительно упростить
средства контроля магнитных потерь, исключив из их структурной схемы блоки формирования синусоидальной формы индукции, являющиеся одними из наиболее технически сложных составных частей этой схемы.
Разработанные приборы для контроля магнитных потерь и индукции типа Измеритель Магнитных Потерь и Индукции ИМПИ (ИМПИ-І. ИМПИ-2. ИМПИ-3). осуществляя поэтапный технологический контроль качества магнитопроводов и их элементов создают условия для поддержания режимов технологии, обеспечивающих изготовление магнитопроводов. в частности для электродвигателей с гарантированными магнитными характеристиками.
Реализация в промышленности. Приборы ИМПИ-1.2,3 для технологического контроля магнитных характеристик статоров асинхронных электродвигателей и их элементов, а также входного контроля электротехнической стали внедрены ча Лунинецком (Брестская область) заводе "Полесьеэлектромаш" и Брестском машиностроительном производственном объединении. Прибор ИМЛИ-1 для входного контроля текстурованной и изотропной электротехнической стали внедрен на Солецком (Новгородская область) заводе "Эллипс". Златоустовском машиностроительном заводе, Николаевском трансформаторном заводе. Вильнюсском заводе "Эльфа". Прибор ИМПИ-3 внедрен на предприятии п/я Г-4128, г.Москва. для контроля качества пакетов статоров микроэлектродвигателей.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Полный объем работы составляет 275 страниц, она содержит 67 рисунков, список литературы из 302 наименований.
Материалы диссертации опубликованы в 49 печатных работах, в том числе 6 авторских свидетельствах.
Основные положения работы доложены и обсуждены на Международной конференции по магнетизму ICM-94, г.Варшава, Польша, 1994 г., VI и IX Всесоюзных совещаниях по физике и металловедению электротехнических сталей и. сплавов (г. Аша, 1981 г., г.Минск. 1991 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы физики и металловедения электротехнических сталей и сплавов (г.Аша, 1981 г.), IX, XI, XII, XIII Всесоюзных научно-технических конференциях "Неразрушающие физические методы
с-
и средства контроля" (г.Минск, 1981 г.. г: Москва, 1987 г., г.Свердловск, 1990 г., г.Санкт-Петербург, 1993 г.), Международной конференции "Дефектоскопия-89", г.Пловдив Болгария, 1989 г., IX Уральской региональной научно-технической конференции "Современные магнитные, электромагнитные и акустические методы и приборы неразруиагацего контроля". г.Свердловск, 1988 г.. Латвийских конференциях "Нераэрупащий контроль-88", "Неразрушающий контроль-90", г.Рига и других, конференциях и семинарах.
