Электротехническая анизотропная сталь (ЭАС) холоднокатаная листовая –

сплав Fe-3%Si, Grain Oriented Silicon Steel (GOSS, GO), HI-B (для

стали с высокой индукцией)

Тема 2

магнитной проницаемости);
2. Высокие значения магнитной индукции (В800, В2500, В100,

Тл);
3. Минимальные потери при перемагничивании (Р1.7/50, Р1.5/50, Вт/кг).

• Выполнение первых двух требований определяет размеры и вес электрических обмоток и магнитных сердечников трансформаторов. Минимальные потери на перемагничивание определяют КПД трансформаторов и их рабочую температуру. Уровень потерь при перемагничивании определяется, главным образом, потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи, которые зависят от площади петли гистерезиса, т.е. величины коэрцитивной силы материала, и от удельного электросопротивления.

Назначение: пластины или ленты для сердечников (магнитопроводов) преобразующих электроэнергию устройств (трансформаторов).

1.2 Электротехническая анизотропная сталь (ЭАС) холоднокатаная листовая – трансформаторная сталь, технический сплав Fe-3%Si, Grain Oriented Silicon Steel (GOSS, GO), HI-B (для стали с высокой индукцией)

кремния на удельные потери в стали (Гадфильд).
  3.25 +

11.3 * (мас. % Si) [мкОм * см]
1903 г. Германия.
Начало промышленного производства электротехнической кремнистой стали как магнитно-мягкого материала.

в результате использования результатов научных исследований, которые проводили Е. Гумлих

(E. Gumlich) в Германии, а также В. Баррет (W.F. Barret), В. Браун (W. Brown ) и Р. Гадфилд (R.A. Hadfield) в Великобритании. Было обнаружено, что легирование сплавов на основе железа кремнием существенно повышает удельное электрическое сопротивление материала, и, как следствие, уменьшает потери при перемагничивании на вихревые токи и гистерезис. Производство кремнистой стали, как магнитомягкого материала началось вначале в 1903 г. в Германии. В том же году Р. Гадфилд получил патент, по лицензии которого в США в 1906 г. было начато промышленное производство стали содержащей до 3 мас. % Si.

• Первоначально листы кремнистой стали производились методом многократной горячей прокатки от толщины слитка до конечного размера (в лучшем случае до ~ 0.4 мм). Подобный материал назывался горячекатаной электротехнической сталью. Улучшение свойств сталей происходило главным образом за счет снижения содержания углерода, повышения концентрации кремния, увеличения температуры отжига, а также совершенствования способа выплавки .

магнитопроводов историю их развития можно рассматривать как историю снижения удельных

потерь. Лучшая горячекатаная электротехническая сталь с содержанием кремния до 5 мас. %, толщиной 0.36 мм, производимая в начале двадцатого, века характеризовалась уровнем Р1.0/60 ~ 2.2-4.4 Вт/кг. Такая сталь покрывалась противосварочным покрытием и отжигалась в стопах при температуре 1100°С и выше в течение продолжительного времени. К 1925 г. величина потерь (Р1.0/60) в горячекатаной промышленной листовой стали снизилась примерно до ~ 1.5 Вт/кг. Развитие технологии холодной деформации привело к замене горячекатаных листов, используемых для производства магнитопроводов двигателей, на холоднокатаную кремнистую сталь. К настоящему времени в лучших марках холоднокатаной ЭИС достигнут уровень потерь по точке Р1.5/50 менее 2.0 Вт/кг (Р1.0/60=1.15 Вт/кг) для толщины 0.35 мм.

α´-фазы со структурой DO3. Это приводит к потере пластичности. Поэтому

кремнистые стали, практически всех промышленных марок, содержат < 3,5 % Si.

• Одно из преимуществ при добавлении Si к Fe – возможность высокотемпературной обработки для управления зеренной текстурой без вредного влияния α-γ (о.ц.к. - г.ц.к.) фазового перехода.

• Кремний оказывает значительное влияние на магнитные свойства сплава. Его добавление понижает индукцию насыщения и температуру Кюри и поэтому нежелательно. С другой стороны, происходит благоприятное уменьшение константы магнитно-кристаллической анизотропии и возрастание электросопротивления. Близкое к нулю значение магнитострикции при 6%Si – также положительный факт, но как уже отмечалось, материал такого состава хрупок.

для каждой из них выделяют наименьший объем, элементарную составляющую кристаллической

решетки (на рисунке, она выделена жирными линиями), при последовательной трансляции которой в пространстве по всем трем направлениям до бесконечности можно воссоздать решетку в целом.

• Идеальное кристаллическое строение, характерное для монокристаллов. Большинство реально используемых металлических материалов находятся в так называемом поликристаллическом состоянии, то есть состоят из большого количества монокристаллов (или зерен), разделенных между собой межзеренными границами.

Атомно-кристаллическая структура твердых тел

железа (наличие осей легкого и трудного намагничивания)

каждое зерно имеет свою собственную ориентировку в пространстве (рис.), параллельным

вектору напряженности внешнего магнитного поля Н, может оказаться абсолютно любое кристаллографическое направление в каждом отдельном зерне. Это, в свою очередь, означает, что одно зерно будет намагничиваться по направлению <110>, другое по <100>, третье по <111>, а остальные вообще по другим направлениям, то есть намагничивание такого ферромагнетика было бы чрезвычайно затруднено и неоднородно.

• Трудность в намагничивании и перемагничивании ферромагнетика, работающего в качестве сердечника трансформатора, означает дополнительные потери электроэнергии и снижает КПД последнего. Для избежания этого при изготовлении сердечников трансформаторов используют текстурованную (анизотропную) электротехническую сталь.

Текстура

намагничивания будут ориентированы параллельно какому-нибудь внешнему по отношению к образцу

направлению, то и весь образец в целом будет намагничиваться и перемагничиваться в этом направлении наилегчайшим образом.

• Текстурой называется преимущественная ориентировка кристаллитов (зерен) в поликристаллическом материале.

около 3 мас.% Si из листов толщиной 2.5-3.5 мм путем

холодной прокатки в две стадии с промежуточным и окончательным отжигами в непрерывном агрегате.

В 1935 г. было показано, что высокие магнитные свойства сталь имеет за счет наличия кристаллографической текстуры (110)[001], которая возникла в результате вторичной рекристаллизации (показано в 1951).
В первых образцах только в ~ 40 % материала прошел аномальный рост зерен.

исследованиями, что высокие магнитные свойства стали вдоль направления холодной прокатки

объясняются наличием в материале благоприятной текстуры (110)[001] (ребровая текстура, текстура Госса).

• В 1949 году Данн (C.G. Dunn) указал на вторичную рекристаллизацию (ВР, аномальный рост зерен), как на процесс ответственный за развитие ориентировки (110)[001] в ЭАС. Еще позже были установлены основные условия реализации аномального роста в материалах – предотвращение собирательной рекристаллизации за счет наличия дисперсных частиц второй (ингибиторной) фазы.

1.2 Электротехническая анизотропная сталь

производстве ЭАС используются сульфиды и селениды марганца – MnS, MnSe

и нитриды алюминия – AlN. В русскоязычной литературе технологию производства ЭАС зачастую называют по типу используемой ингибиторной фазы (сульфидная, сульфо-нитридная, нитридная и т.п.).

Параметры ингибиторной фазы (AlN, MnS):
- объёмная доля ~ 0.015 %;
- количество частиц ~ 1012-1014 шт/см3;
- размер частиц < 1000 Å.

по сравнению с другими установками, он никогда не будет равен

единице, так как невозможно создать устройство, при работе которого количество отводимой от него энергии равнялось бы или превышало количество подводимой к нему энергии

• За один цикл перемагничивания ферромагнитного материала бесполезно затрачивает­ся энергия, переходящая в тепло, пропорциональная пло­щади динамического цикла гистерезиса. Затраты энергии за единицу времени (секунду), отнесенные к единице массы материала (килограмм, фунт), назы­ваются удельными магнитными потерями. Общепринято определять потери в вт/кг (вт/фунт) при фиксированных значениях частоты электромагнитного поля и магнитной индукции, создаваемой полем в магнитопроводе – например: Р1.7/50 = 1.25 вт/кг, где значение 1.25 Вт/кг измерено в поле с индукцией 1.7 Тл при частоте поля 50 Гц.

Удельные электромагнитные потери на перемагничивание в электротехнической (трансформаторной) стали

гисте­резис (РГ) и вихревые токи (РВ). Последние, в свою очередь,

можно разделить на потери, связанные с макровихревыми (РМВ) и микровихревыми (РАВ) токами:

Р = РГ + РВ = РГ + (РМВ + РАВ)

• Гистерезисная составляющая пропорциональна площади петли гистерезиса, полученной в режиме перемагничивания. Площадь цикла гистерезиса в свою оче­редь зависит от максимальной индукции (Вм), коэрцитивной силы (Нc), остаточной индукции (Вr), которые определяются свойствами и структурой ферромагнетика (тип и чистота материала, наличие и вид дефектов кристаллического строения, размер кристаллитов (D), наличие и степень совершенства кристал­лографической текстуры).

• Гистерезисные потери могут быть рассчитаны по следующей формуле:

РГ =S f /.

где S – площадь статического цикла гистерезиса, [ТлА/м];  – плотность материала, [кг/м3]; f – частота переменного тока, [Гц].

Потери на гистерезис зависят от структур­ных факторов, в частности, от величины зерна D и тексту­ры, аналогично тому, как зависит от них «статическая» коэрцитивная сила Нc ~ D-1.

намагниченности идеально однородного в магнитном отношении вещества. Эти потери равны:
РМВ

= А1 Вм2 f2 h2 / ( )

где А1 – числовая константа.

• Составляющая потерь на вихревые токи РАВ представ­ляет собой потери на вихревые токи, которые индуцируют­ся внутри доменов в результате локальных изменений индукции при смещении границ. В случае модели плоскопа­раллельных доменов, которые разделены 180-градусными границами, совершающими синусоидальное движение в тонком листовом материале толщиной h (d  h), получено следующее выражение для этого вида потерь (Прай и Бин), которое в явном виде дает связь потерь на вихревые точ­ки с характеристиками доменной структуры (шириной до­менов d):

РАВ = А2 Вм2 f2 d h / ( )

где А2 – числовая константа

• Вихретоковая составляющая существенно зависит от электросопротивления и, соответственно, от толщины (h) и удельного сопротивления материала (), а также от частоты перемагничивания и ширины магнитных доменов (d).

Тл) разделяют на два класса: сталь обычного качества (коммерческого класса,

CGO) и высокопроницаемую сталь (HGO, HI-B).

• Сталь с ограниченной проницаемостью, как правило, применяется в сердечниках распределительных трансформаторов и вращающихся машин малой мощности, работающих при достаточно низких индукциях. Область применения высокопроницаемой стали – сердечники силовых трансформаторов большой мощности, где соображения минимизации габаритов и энергоэффективноти имеют первостепенное значение.

• На 2017 год высокопроницаемая сталь (B800 ≥ 1.90 Тл) занимает ~ 60 % от объема производства анизотропных сталей. Общий объем производства ЭАС ~ 3 млн. т/год

1.2 Электротехническая анизотропная сталь