Магнітостатичні поля в осердях із пластин анізотропної електротехнічної сталі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет

ім. В. Н. Каразіна

УДК: 537.622 / 626 : 669 + 537.612.3

МАГНІТОСТАТИЧНІ ПОЛЯ В ОСЕРДЯХ ІЗ ПЛАСТИН

АНІЗОТРОПНОЇ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНОЇ СТАЛІ

Спеціальність 01.04.11 - магнетизм

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Гайдук Сергій Павлович

Харків - 2002



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізичного матеріалознавства Запорізького державного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Шейко Леонід Макарович, кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри фізичного матеріалознавства Запорізького державного університету.

Офіційні опоненти: Равлік Анатолій Георгійович, доктор фізико-математичних наук, професор кафедри фізики металів і напівпровідників Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”;

Каменєв Віктор Іванович, доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу магнітних властивостей твердого тіла Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України

Провідна установа:Донецький національний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра фізики твердого тіла і фізичного матеріалознавства.

Захист відбудеться 29 березня 2002 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. ім. К. Д. Синельникова.

З дисертацією можна ознайомитися у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна (61077, м. Харків, пл. Свободи 4).

Автореферат розісланий 14 лютого 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. П. Пойда



Гайдук С. П. Магнітостатичні поля в осердях із пластин анізотропної електротехнічної сталі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.11 - магнетизм. - Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна, Харків, 2002.

Дисертація містить результати експериментальних та теоретичних досліджень магнітостатичних полів Hm, що створюються міжзеренними границями та повітряними щілинами в місцях стикування пластин анізотропної електротехнічної сталі (ЕС) у магнітопроводах, а також магнітостатичних ефектів, які дією цих полів зумовлені. Установлено, що поля Hm повітряних щілин і міжзеренних границь суттєво впливають на процеси намагнічування осердь із пластин ЕС. При цьому основну роль відіграють поздовжні (уздовж напрямку прокату) складові таких полів. Розподіл результуючої намагніченості поблизу міжзеренних границь такий, що має місце плавна поступова зміна її величини при переході через міжзеренну границю від одного зерна до іншого. Стрибок нормальної компоненти намагніченості на самих границях зерен при цьому не спостерігається. Неоднорідність намагніченості відбувається в областях, довжина яких порівнянна з розміром зерен, зберігається аж до станів, близьких до магнітного насичення, та є основним джерелом магнітостатичних полів від міжзеренних границь.

Ключові слова: магнітостатичні поля, магнітостатичні ефекти, електротехнічна сталь, неоднорідна намагніченість, процеси намагнічування, осердя. магнітостатичний поле електротехнічний сталь



S. Gaiduk Magnetostatic fields in laminated grain oriented silicon steel sheets. - Manuscript.

Dissertation for Ph.D. degree in physics and mathematics science by speciality 01.04.11 - magnetism. - Kharkiv National Karazin University, Kharkiv, 2002.

The dissertation is devoted to experimental investigations and calculations of the magnetostatic fields Hm created by air gaps in joints of silicon steel sheets in transformer cores and by grain boundaries in g. o. steel sheets, and also to the magnetostatic effects caused by these fields. It was detected that the fields Hm created by the air gaps and the grain boundaries influence essentially on magnetization processes of laminated steel sheets. Thus the longitudinal (along the rolling direction) component of the fields Hm plays the main role in this influence. The net magnetization distribution near the grain boundaries is such that the magnetization magnitude varies smoothly at the transition through the grain boundary from grain to grain. Abrupt changes in the net magnetization at the grain boundaries are not observed. The length of the regions, where the net magnetization is inhomogeneous, has the same order of magnitude with the grain size. Such inhomogeneity of the net magnetization is observed up to the state of the magnetic saturation, and is the main reason of the magnetostatic fields Hm near the grain boundaries.

Keywords: magnetostatic fields, magnetostatic effects, silicon steel, magnetization processes, inhomogeneous magnetization, core.

Pacs: 41.20.Gz, 75.50.B, 75.60.E, 75.60.C, 75.70.C



Гайдук С. П. Магнитостатические поля в сердечниках из пластин анизотропной электротехнической стали. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 - магнетизм. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2002.

Диссертация содержит результаты экспериментальных и теоретических исследований магнитостатических полей Hm, создаваемых воздушными зазорами в местах стыков пластин в магнитопроводах и межзеренными границами в пластинах анизотропной электротехнической стали (ЭС), а также магнитостатических эффектов, обусловленных действием этих полей.

Установлено, что магнитные поля рассеяния Нs, порождаемые воздушными зазорами в сердечниках из пластин ЭС, в первом приближении являются плоскими: их вектор Нs содержит только продольную Нsх (вдоль внешнего намагничивающего поля He и направления прокатки) и нормальную Нsу к плоскости листа стали компоненты, а также, однородными по ширине пластин. При этом для продольной компоненты Нsх поля Нs около воздушных зазоров обнаруживаются как области Dх2, где она направлена противоположно внешнему полю Не, так и области Dх1 (непосредственно над стыком пластин), где Нsх параллельна к полю Не. Однако, образование воздушных зазоров приводит лишь к росту значений напряженности поля Не, которое требуется для достижения рабочих значений индукции В =1.5-1.7 Тл в магнитопроводах из пластин анизотропной ЭС, что связано со значительным превышением размеров зоны Dх2 над Dх1.

Показано, что источниками магнитостатических полей Hm около воздушных зазоров в шихтованных магнитопроводах являются как скачки нормальных составляющих намагниченности DMn на торцевых поверхностях пластин, образующих зазор, так и ее изменение (divM?0) в участках стали, примыкающих к зазорам. Причем, вклад поля поверхностных Hsur и объемных Hvol 'магнитных зарядов' в результирующее поле Hm в равной степени значим.

Исследовались распределение индукции и особенности формирования доменной структуры в сердечниках из пластин ЭС, содержащих воздушные зазоры. Неоднородность смещения 180°-ных доменных границ в процессе намагничивания пластин ЭС и характер распределения плотности магнитного потока В(х) в участках пластин соседних слоев, расположенных над воздушным зазором, позволяют утверждать, что существенное и решающее влияние на доменную структуру и процессы намагничивания в таких магнитопроводах оказывает продольная Нsх компонента поля рассеяния Нs, а не нормальная ее составляющая Нsу, как общепринято было считать до сих пор.

Предложен способ (защищен патентом Украины) улучшения эксплуатационных характеристик магнитопроводов с прямым стыком пластин ЭС в угловых участках за счет использования энергии магнитостатических полей Hm, связанных с зазорами. С этой целью в пределах угловых участков сердечников размещались тонкие замыкающие пластинки из аморфного материала с высокой магнитной проницаемостью. Масса аморфного материала составляла около 1.0 % от массы стали. Аморфные пластинки, проницаемость которых значительно выше магнитной проницаемости материала сердечника, частично замыкают в себе магнитный поток, проходящий через угловой участок магнитопровода от одного его плеча к другому. В результате этого уменьшается вклад энергии магнитостатических полей в общий баланс свободной энергии сердечника, и увеличивается его эффективная магнитная проницаемость за счет перераспределения потока магнитной индукции в угловых участках. За счет применения пластинок из аморфного сплава Fe78B13Si9 электромагнитные потери при индукции В=1.2-1.7 Тл и частоте намагничивающего тока f=50 Гц в магнитопроводе из пластин серийной ЭС (3409, НЛМК, Россия) были снижены на 4-6 % , а сила тока в возбуждающих обмотках - на 20-50 %. Результат от применения замыкающих пластинок по своей величине и характеру эквивалентен известному в трансформаторостроении техническому решению: замене прямого стыка на косой стык пластин ЭС в угловых участках магнитопроводов силовых трансформаторов.

Исследовано распределение результирующей намагниченности M(r) в пластинах анизотропной ЭС вблизи межзеренных границ, вытянутых поперек направления прокатки. Экспериментально установлено, что при намагничивании пластин ЭС на поверхностях межзеренных границ скачок нормальной компоненты результирующей намагниченности в явном виде не наблюдается (DMn=0). Вместо этого вблизи границ реализуется состояние с неоднородной намагниченностью (divM?0), которое обеспечивает плавное изменение величины Mn при переходе через межзеренную границу от одного зерна к другому, сохраняется вплоть до состояний, приближающихся к магнитному насыщению, и является основным источником магнитостатических полей Нm межзеренных границ.

В рамках теории скалярного магнитного потенциала выполнен расчет полей Нm межзеренных границ с учетом неоднородности результирующей намагниченности в зернах в окрестности границы: DMn=0, divM?0. Результаты расчета находятся в хорошем согласии с соответствующими экспериментальными данными.

Исследовалось влияние полей рассеяния Hs, создаваемых межзеренными границами бикристаллических образцов, на распределение индукции в примыкающих к ним мелкозернистым пластинам ЭС (средний диаметр зерен ?2 мм). Обнаружено, что вариации магнитной индукции в мелкозернистой пластине достигают значений 0.1-0.12 Тл и 0.06-0.08 Тл при средней ее величине В=1.75 Тл и 1.87 Тл, соответственно. При этом характер распределения индукции коррелирует с пространственной конфигурацией продольной компоненты Hsx полей Нs межзеренных границ.

Ключевые слова: магнитостатические поля, магнитостатические эффекты, электротехническая сталь, процессы намагничивания, неоднородная намагниченность, сердечник.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Магнітостатичні поля Hm відіграють важливу роль у формуванні доменної структури та значною мірою визначають магнітні властивості полікристалічних магнітних матеріалів. Причиною виникнення полів Hm є стрибок нормальної компоненти намагніченості (DMn?0) на межі поділу двох середовищ з різною магнітною проникністю та неоднорідність намагніченості (divM?0) в об'ємі тіла, а їх джерелом - вільні поверхні тіл, міжзеренні границі, подряпини в зонах лазерного і механічного скрайбування, інші викривлення кристалічної будови в матеріалі.

Відомо, що властивості окремих пластин анізотропної електротехнічної сталі (ЕС) помітно відрізняються від властивостей магнітопроводів, що з цих пластин зібрані. Однією з причин цього ефекту є присутність в осерді магнітостатичних полів Hm, що породжуються міжзеренними границями, а також - повітряними щілинами, які неминуче виникають у місцях стику пластин при складанні магнітопроводів. Вплив таких полів поширюється на все осердя, пластини якого в процесі намагнічування опиняються під дією не тільки поля Нe обмоток збудження, але і магнітостатичних полів Hm одночасно. При цьому, величина напруженості полів Hm може бути порівнянною з величиною Нe на значних відстанях від їх джерел. Незважаючи на те, що досліджень магнітних полів Hm проводилось досить багато, вони не відрізнялися різноманітністю. Оскільки в переважній більшості випадків під топологією поля Hm розумілась просторова конфігурація його нормальної до поверхні пластин ЕС складової Hmy, яка, як вважалось, відповідальна за магнітостатичну взаємодію в осердях. Однак, є вагомі підстави вважати, що тангенціальна компонента Hmx такого поля, яка збігається з напрямком прокату (НП), може створити набагато помітніший вплив на властивості осердь із пластин ЕС. До того ж, хоча сам факт впливу магнітостатичних полів Hm на властивості шихтованих магнітопроводів фіксувався неодноразово, механізм його здійснення залишився не з'ясованим. Крім того, теоретичний опис полів Hm, що породжуються міжзеренними границями та повітряними щілинами, традиційно проводився з урахуванням лише однієї з можливих причин їх появи - магнітних полюсів із поверхневою густиною sm=moDMn. Неоднорідність намагніченості та пов'язані з нею об'ємні заряди rm= -modivM, що виникали при цьому поблизу джерел полів Hm, до уваги не приймалися. Але, розрахунки полів, що були виконані в таких припущеннях, є суттєво непорівнянними з результатами відповідних експериментальних даних.

У зв'язку зі сказаним, виникла необхідність проведення комплексних досліджень полів Hm, що утворюються повітряними щілинами та міжзеренними границями в осердях з пластин ЕС, ефектів, до яких їх присутність у магнітопроводах призводить, а також пошук шляхів управління пов'язаної з ними магнітостатичної енергії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Наукові результати, що наведені в дисертації, отримані у рамках виконання держбюджетної науково-дослідної теми “Дослідження магнітних властивостей гетерогенних систем із пластин кристалічних та аморфних матеріалів”, яка була включена до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки на 1997-1999 роки № 5 “Властивості неоднорідних магнітних матеріалів” (наказ Міністерства освіти України № 271 від 15.08.96).

Мета та задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є встановлення взаємозв'язку між магнітостатичними полями Hm, що породжуються міжзеренними границями і повітряними щілинами в магнітопроводах із пластин анізотропної ЕС, розподілом намагніченості M(r) в пластинах сталі поблизу джерел полів та магнітними характеристиками осердь.

Для досягнення поставленої мети необхідно було:

провести комплексні дослідження топології магнітостатичних полів Hm від міжзеренних границь та повітряних щілин;

дослідити механізм впливу полів Hm на процеси намагнічування осердь, що складені з пластин ЕС, та встановити роль кожної з компонент таких полів у його здійсненні;

дослідити розподіл намагніченості M(r) поблизу повітряних щілин та міжзеренних границь в пластинах анізотропної ЕС;

виконати розрахунки полів Hm, що породжуються міжзеренними границями та повітряними щілинами, які б враховували як стрибок намагніченості (DMn?0) на торцях пластин, що формують щілину, так і неоднорідність намагніченості (divM?0) у ділянках сталі, які примикають до щілини чи міжзеренної границі;

спробувати знайти спосіб керування магнітостатичними ефектами та використання енергії Em магнітостатичних полів у шихтованих магнітопроводах, що зібрані з пластин ЕС, для поліпшення експлуатаційних властивостей осердь.

Об'єкт досліджень: пластини серійних марок анізотропної ЕС (Fe-3%Si), та осердя, що з цих пластин зібрані.

Предмет досліджень: магнітостатичні поля Hm міжзеренних границь і повітряних щілин, розподіл намагніченості M(r) та магнітна взаємодія в магнітопроводах із пластин ЕС.

Наукова новизна одержаних результатів.

1.Проведені комплексні дослідження полів розсіювання Нs, що породжуються повітряними щілинами в місцях стику пластин ЕС у шихтованих магнітопроводах, внаслідок чого встановлено:

- такі поля є практично однорідними вздовж ширини пластин, а вектор їх напруженості Hs має тільки поздовжню Hsx (уздовж НП) і нормальну Hsy (до поверхні пластин) складові;

- реально існуючі поблизу повітряних щілин магнітні поля розсіювання Нs являють собою суперпозицію полів: поверхневих 'магнітних зарядів' Нsur, що викликані стрибком нормальної компоненти намагніченості DMn на торцях пластин, які формують щілини, та об'ємних 'магнітних зарядів' Нvol, пов'язаних з неоднорідністю намагніченості divM у ділянках пластин ЕС, що безпосередньо примикають до щілин.

2.Вперше експериментально досліджені особливості розподілу намагніченості M(r) поблизу міжзеренних границь, що витягнуті в поперек НП в пластинах анізотропної ЕС. При цьому виявлено, що стрибок нормальної компоненти результуючої намагніченості на самій границі в наявному вигляді не спостерігається: DMn=0.

3.Вперше доведено, що магнітостатичні поля Hm, які утворюються міжзеренними границями, пов'язані з неоднорідністю намагніченості (divM(r)?0), що реалізується поблизу границь.

4.Виявлено механізм впливу магнітостатичних полів Hm від міжзеренних границь та повітряних щілин на процеси намагнічування в осердях із пластин анізотропної ЕС. Вперше показано, що основна роль при цьому належить поздовжній Hmx (яка діє вздовж зовнішнього поля He і НП) компоненті полів Hm.

Практична цінність роботи. Отримані результати важливі для розуміння особливостей процесів намагнічування в магнітопроводах, що складені з пластин ЕС, різноманітних електротехнічних пристроїв, наприклад, трансформаторів. Результати комплексних досліджень магнітостатичних полів Hm, що створюються повітряними щілинами та міжзеренними границями, розподілу намагніченості M(r) у пластинах ЕС, а також магнітостатичних ефектів у магнітопроводах, викликаних дією цих полів, можуть бути використані для вдосконалення технологічного процесу виготовлення осердь, розробки нових ресурсо- та енергозберігаючих технологій у електротехніці, виробництва сталей із заданими магнітними властивостями.

За результатами виконаних досліджень отримані патенти України на винаходи:

1.“Індукційний пристрій” (Патент України № 23857) - реалізовано посилення густини магнітного потоку та зниження струму, що намагнічує, в осердях електричних пристроїв шляхом використання енергії магнітостатичних полів Hm.

2.“Магнітопровід” (Патент України № 23881) - досягнуто суттєве зниження питомих втрат енергії й струму холостого ходу в осердях із пластин ЕС за рахунок застосування тонких пластинок аморфного матеріалу з високою магнітною проникністю, які, зменшуючи енергію полів Hd, що розмагнічують, знижують сумарний енергетичний баланс магнітопроводів; ефект від застосування аморфних пластинок за своєю величиною аналогічний відомому в трансформаторобудуванні технічному рішенню: заміні прямого стику пластин на косий стик у кутових ділянках магнітопроводів силових трансформаторів.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є узагальненням досліджень, які були виконані дисертантом та при його безпосередній участі. Автор брав участь в обговорені плану й задач досліджень, самостійно підготував зразки, провів усі експериментальні та теоретичні дослідження, що становлять зміст дисертаційної роботи, виконав обробку даних та їх візуалізацію. Здобувач приймав участь в обговоренні, фізичній інтерпретації, узагальненні отриманих результатів та формулюванні висновків. Особистий внесок автора в основних наукових працях за темою дисертації, які опубліковані у співавторстві, полягає у такому. Він приймав безпосередню участь у підготовці об'єктів для досліджень, виконанні вимірювань і розрахунків, обговоренні результатів та формулюванні висновків, підготовці до друку наукових праць, патентів та матеріалів конференцій.

Апробація роботи. Основні результати дисертації були оприлюднені на міжнародних наукових конференціях:

1.6th European Magnetic Materials and Applications Conference, Sept. 4-8, 1995, Wien, Austria.

2.10-ое Международное совещание по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов, 20-21 окт., 1995, Липецк, Россия.

3.7th European Magnetic Materials and Applications Conference, Sept. 9-12, 1998, Zaragossa, Spain.

4.43rd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, Nov. 9-12, 1998, Miami, USA.

5.14th International Conference on Soft Magnetic Materials, Sept. 8-10, 1999, Balatonfured, Hungary.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи були опубліковані у 4 наукових статтях, 2 патентах України на винахід та 9 тезах міжнародних конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 107 найменувань. Вона містить 116 сторінок друкованого тексту, включаючи 46 рисунків та 1 таблицю.

Основний зміст роботи

Вступ розкриває сутність та сучасний стан наукової проблеми. В ньому обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета та задачі роботи, вказані її новизна та практична значимість, об'єкт та предмет досліджень, наведені дані про апробацію роботи та публікації за темою дисертації.

У першому розділі “Літературний огляд” наведено огляд літератури, в якому стисло і критично висвітлюється сучасний стан досліджень за темою дисертації. Закінчується розділ постановкою задач досліджень, проведених в дисертаційній роботі.

Другий розділ “Методика експериментальних досліджень” містить опис матеріалів і методів їх досліджень.

Дослідження проводилися на пластинах серійних марок анізотропних ЕС з різним середнім розміром зерен : 3406-3409 (Росія), М3Н і М4Н (Японія) та М6 (Бельгія). Для експериментальних досліджень, пов'язаних з магнітостатичними полями Hm від повітряних щілин, використовувалися пластини ЕС із = 3-5 мм. Пластини були вирізані вздовж НП та мали розміри 250х30х0.3 мм3. Поля Hm, що породжуються міжзеренними границями, вивчалися на бікристалічних зразках, які виготовлені з пластин ЕС товщиною 0.3 мм із = 25-30 мм. Після зняття електроізоляційного покриття з зазначених пластин були вирізані вздовж НП бікристали довжиною 50-70 мм, що містять два зерна, які розділені ізольованою міжзеренною границею. Міжзеренна границя розташовувалася в центрі кожного з таких зразків і була витягнута в поперек НП на всю його ширину (7-25 мм). Середній кут разорієнтації кристалітів (<a>, <b>) у зразках не перевищував 3-5°, що є типовим для промислових марок анізотропних ЕС. Тут і далі: a - кут, утворений довгою віссю зразка з проекцією осі <001> на його поверхню, b - кут між віссю <001> і площиною бікристала.

Магнітні поля розсіювання Hs, що генеруються повітряними щілинами і міжзеренними границями, вимірювалися індукційними датчиками, чутливість яких складала в середньому 50 A/м.

Для вимірювання кривих намагнічування B(He) та розподілу магнітної індукції B(x) у ділянках сталі, що примикають до повітряної щілини чи міжзеренної границі, використовувалися вузькі (довжиною Dx=0.1-0.15 мм) котушки в один-два витки тонкого мідного дроту діаметром 0.05-0.07 мм. Вимір густини магнітного потоку при комутації у зовнішньому ланцюзі струму, що намагнічує, фіксувався флюксметрами Ф-190, Ф-192 та балістичним гальванометром М 17/11.

Доменну структуру (ДС) спостерігали за допомогою поздовжнього магнітооптичного ефекту Керра. Кристалографічна орієнтація зерен у зразках визначалася за типом ДС на поверхні бікристалів з абсолютною похибкою у ±1°.

Питомі втрати енергії Pw у магнітопроводі з пластин ЕС вимірювали методом ватметрів на частоті змінного струму f=50 Гц в інтервалі індукції Bm від 0.6 Тл до 1.7 Тл. При цьому коефіцієнт синусоїди кривої напруги у вимірювальній обмотці знаходився в інтервалі значень kf =1.11-1.15.

Третій розділ “Магнітостатичні поля та ефекти, що пов'язані з повітряними щілинами, у магнітопроводах із пластин анізотропної ЕС” присвячений дослідженню магнітостатичних полів Hm і ефектів, викликаних наявністю повітряних щілин у місцях стику пластин ЕС у магнітопроводах.

Показано конфігурацію поздовжньої Hmx (вздовж поля He та НП) і нормальної (до поверхні пластин) Hmy компонент поля Hm поблизу осердя, що містить повітряні щілини в середньому шарі кожного з плеч. Значення Нmх і Нmу обчислені як різниця сигналів, що фіксуються датчиками поля за наявності та відсутності щілин у магнітопроводі.

Поблизу повітряної щілини не тільки нормальна Нmу, але і поздовжня Нmх компоненти полів Hm можуть досягати значень, що значно перевищують величину зовнішнього поля He. У тій же області простору датчиками для виміру поперечної складової Нmz ніякого сигналу зафіксовано не було. Остання обставина свідчить про те, що вектори Hm лежать у площині xy, тобто магнітостатичні поля Hm від повітряних щілин у магнітопроводах із пластин ЕС у першому наближенні можна вважати плоскими полями (Нmz=0).

Вимірювання показали високий ступінь однорідності компонент Нmх і Нmу уздовж осі z. Винятки становлять лише області (шириною 2-3 мм) біля бічних поверхонь пластин ЕС, де спостерігається спад величин зазначених складових полів Hm.

Для поздовжньої Нmх компоненти полів Hm характерною ознакою є наявність у просторі над повітряною щілиною двох областей Dx1 і Dx2, усередині яких вона приймає значення з протилежними знаками. У межах дуже вузьких зон Dx1, шириною декілька міліметрів по обидві сторони від стику пластин, поздовжня компонента Нmх збігається з напрямком зовнішнього поля He (Нmх=Нmх+). В іншій частині простору компонента Нmх спрямована протилежно полю He, що намагнічує, (Нmх=Нmх-). При цьому розміри зони Dх2 значно перевищують розміри області Dх1, досягаючи значень порядку 100 мм.

При фіксованих значеннях зовнішнього поля He максимум компоненти Нmх+ спочатку зростає зі збільшенням ширини D повітряної щілини від 0 до 0.5-0.6 мм, досягає максимуму при щілині в 0.8-1.0 мм, а потім - монотонно спадає. Максимальні значення складової Нmх+ на відстані 1.5 мм від поверхні зразків, тобто в межах товщини 8-10 шарів пластин ЕС, що примикають знизу та зверху до шару з повітряною щілиною шириною D=0.5 мм, перевищують значення, які необхідні для намагнічування пластин у магнітопроводі до індукції В=1.7 Тл. У той же час модулі Нmх- на висоті до 5-6 шарів пластин над повітряною щілиною однакові за порядком величини з напруженістю полів He. Тому, слід очікувати значної зміни магнітних характеристик осердя з появою повітряної щілини в одному з його шарів.

Були виконані розрахунки магнітостатичних полів Нm, що утворюються повітряними щілинами, у рамках теорії скалярного магнітного потенціалу. Розрахунки враховували як стрибок нормальної складової намагніченості (DMn?0) на торцевих поверхнях пластин, що утворюють щілини (поверхневі заряди), так і неоднорідність намагніченості (divM?0) у ділянках сталі, які примикають до повітряних щілин (об'ємні заряди). Установлено, що просторовий розподіл однотипних складових поля поверхневих Hsur і поля об'ємних Hvol зарядів подібний, а внесок кожного з них у результуюче поле розсіювання Hs біля повітряної щілини в однаковій мірі важливий. Топологія компонент поля розсіювання Hs, заданого аналітичними виразами, добре узгоджується з результатами відповідних експериментальних даних.

З метою з'ясування особливостей впливу магнітних полів розсіювання Нm, що породжуються повітряними щілинами, на процеси намагнічування в шихтованих магнітопроводах було проведено спостереження доменної структури та виміряні криві намагнічування В(Не) для окремих ділянок пластин та для пакетів із пластин ЕС у цілому, що розташовані вище й нижче шару з щілиною. Результати таких вимірів для окремих ділянок (шириною 0.2 мм) пластин шару, що безпосередньо примикає до шару з щілиною, подані на рис. 2 у формі залежності DB(х). Значення DВ обчислені як різниця сигналів, що фіксується обмотками за наявності та відсутності щілини в осерді. З рис. 2 видно, що при утворенні повітряної щілини в одному із шарів магнітопровода магнітна індукція в сусідніх з ним шарах пластин ЕС стає суттєво неоднорідною В=f(х). Причому, як випливає з порівняння рис. 1 і 2, характер залежності DВ(х) повторює особливості просторового розподілу поздовжньої Нmх компоненти поля Нm. Неоднорідність зміщення 180°-них доменних границь у процесі намагнічування пластин анізотропної ЕС із ребровою текстурою, розташованих над повітряною щілиною, погоджується з залежністю DВ(х) і, тим самим, вказує на домінуючу роль поздовжньої компоненти Нmх (а не нормальної складової Нmу, як вважалось раніше) магнітостатичного поля Нm у формуванні магнітних властивостей осердь із пластин анізотропної ЕС.

Ця обставина може бути пов'язана з такими причинами. По-перше, процеси намагнічування під дією полів Ну, нормальних до великих поверхонь пластин текстурованої ЕС, суттєво ускладнені через енергію магнітної кристалографічної анізотропії Ek і енергію анізотропії форми Ed. По-друге, нормальна компонента Ну магнітного поля Н (будь-якого походження) при переході з повітряного середовища з магнітною проникністю m1”1 у пластину ЕС із проникністю m2”103-104 зазнає стрибка, зменшуючись у m2/m1 разів. У той же самий час поздовжня складова Нх цього поля при переході через межу поділу: повітря - електротехнічна сталь залишається незмінною. Слід нарешті зазначити, що в результаті утворення чотирьох повітряних щілин шириною 0.5 мм у магнітопроводі (по одній щілині в середньому шарі кожного з його плеч), складеному з пластин серійної анізотропної ЕС, напруженість зовнішнього поля Не, яке потрібне для досягнення індукції В=1.7 Тл у шести шарах пластин (у трьох вище і нижче щілини), збільшилася в середньому на 20-25%, а питомі втрати в такому осерді зросли на 15-20 %. Очевидно, це викликано значним перевищенням розмірів області Dх2, де Нmх<0 і DВ<0, над розмірами області Dх1, де Нmх>0 і DВ>0 (див. рис. 1 і 2).

Була досліджена можливість покращення магнітних характеристик магнітопроводів із прямим стиком пластин ЕС у кутових ділянках за рахунок використання енергії магнітостатичних полів Нm, що пов'язані з повітряними щілинами. Для цього в межах кутових ділянок осердь (поза межами котушок, що намагнічують) розміщали тонкі (товщиною 0.025 мм) пластинки з аморфного сплаву Fe78B13Si9 з високою магнітною проникністю. Маса аморфного матеріалу складала близько 1.0 % від маси сталі. Показано, що застосування замикаючих аморфних пластинок призводить до зниження електромагнітних втрат енергії Pw на 4-6 % при індукції 1.2-1.7 Тл. Зазначений ефект супроводжується зменшенням сили струму в обмотках збудження на 20-50 % та деякім зниженням рівня шуму магнітопровода в цілому. Аморфні пластинки, магнітна проникність яких значно вище від проникності матеріалу осердя, частково замикають у собі магнітний потік, що проходить через кутові ділянки магнітопровода від одного його плеча до іншого, та перекривають повітряні щілини в місцях стиків пластин. Внаслідок цього знижується густина магнітних полюсів на торцях пластин, що формують щілини, зменшується внесок енергії магнітостатичних полів Нm у загальний баланс вільної енергії магнітопровода та збільшується його ефективна магнітна проникність за рахунок перерозподілу потоку магнітної індукції у кутових ділянках. Результат від застосування замикаючих пластинок еквівалентний (за своєю величиною) ефекту від заміни прямого стику на косий стик пластин ЕС у кутових ділянках магнітопроводів силових трансформаторів.

У четвертому розділі “Магнітостатичні поля Hm та розподіл намагніченості M(r) поблизу міжзеренних границь у пластинах ЕС” досліджуються магнітостатичні поля Hm міжзеренних границь в пластинах анізотропної ЕС та ефекти, що дією цих полів обумовлені.

Вперше експериментально досліджено розподіл намагніченості M(r) біля міжзеренних границь, що витягнуті в поперек НП. Як видно з рис. 3, при накладанні зовнішнього однорідного магнітного поля результуюча намагніченість у бікристалічних зразках біля міжзеренної границі стає суттєво неоднорідною вздовж осі х на відстанях, порівнянних із середнім розміром зерен (=10-15 мм). При цьому збурення <Mx> - поздовжньої складової намагніченості, складають 2-6 % від середніх її значень <Mx>=(1.48-1.58)·106 A/м у зразку.

Подібна неоднорідність намагніченості зберігається аж до станів, близьких до магнітного насичення (Ms=1.6·106 A/м). Разом із тим, як видно з того ж рисунка, перехід через міжзеренну границю від намагніченості М1 у лівому зерні до намагніченості М2 у сусідньому правому зерні є плавним, тобто криві Мх(х) поблизу границі завжди залишаються гладкими. Тому, стрибок нормальної компоненти результуючої намагніченості, що на міжзеренних границях у наявному вигляді не спостерігається, можна в першому наближенні вважати рівним нулю:

DMn = 0.(1)

Буде природним припустити, що така поведінка нормальної до площини міжзеренної границі компоненти намагніченості досягається за рахунок формування додаткової доменної структури на вільних поверхнях зерен та безпосередньо поблизу границі. При цьому, мабуть, реалізується ситуація, коли середні значення густини поверхневих зарядів sm дорівнюють нулю (sm=mоDМn=0) у макроскопічному масштабі. Внаслідок цього, повна енергія зразка зменшується на величину магнітостатичної енергії, значення якої дуже великі у випадках, коли sm№0.

Методом скалярного магнітного потенціалу був виконаний розрахунок магнітостатичних полів Нm від міжзеренних границь. При цьому вважалось, що їх джерелами є об'ємні 'магнітні заряди' (із густиною rm=-m0divM), які пов'язані з неоднорідністю поздовжньої компоненти намагніченості <Мх> поблизу границь (рис. 3). Неоднорідність результуючої намагніченості в бікристалах, що досліджуються, була апроксимована (рис. 4) поліномами другого ступеня вигляду:

М1(х)=a1·(х - b1)2+c1 , М2(х)=a2·(х - b2)2+c2 (2)

в кожному із зерен по обидві сторони від границі (тут: a, b і c-деякі коефіцієнти апроксимації). У силу гладкості кривої Мх(х) біля міжзеренної границі (див. рис. 3, 4), рівняння (2) повинні бути доповнені умовою рівності значень М1(х) і М2(х), а також їх перших похідних М1'(х) і М2'(х) на самій границі (при х=0):

М1(х) = М2(х), М1'(х) = М2'(х) .(3)

При такій апроксимації намагніченості поблизу міжзеренної границі, її неоднорідність буде задаватися виразами типу:

divM = 2·a·(х - b) .(4)

Тоді розрахунок магнітостатичних полів Нm зводиться до обчислення інтегралів:

де [х1, х2] - інтервал областей із неоднорідною намагніченістю (M(r)?const) у кожному із зерен по обидві сторони від границі, 2h - товщина, а 2d - ширина пластин ЕС. На рис. 5 наведено топологію поля Нm, розрахованого з (5) із врахуванням виразів (1)-(4), на висоті y=0.5 мм при зовнішньому полі 550 А/м.

Над поверхнею зразка з індукцією В”1.8 Тл значення компонент магнітостатичного поля Нm, пов'язаного з міжзеренною границею, близькі за величиною із зовнішнім полем Не. Довжини Dх таких областей простору по обидві сторони від границі складають біля половини середнього розміру зерен (Dх”=10-15 мм). З рис. 5а також видно, що ліворуч від міжзеренної границі, при х<0, поздовжня компонента поля Нm усередині (Нdх<0) і над вільними поверхнями (Нsх<0) зерна з намагніченістю М1 діє протилежно зовнішньому полю Не і намагніченості М1. Праворуч від міжзеренної границі, при х>0, компонента Нmх як поза (Нsх>0) так і усередині (Нdх>0) зерна з більш низьким значенням поздовжньої складової намагніченості (М2х <M1х) спрямована паралельно полю Не і намагніченості М2 (див. рис. 4). Таким чином, внутрішнє магнітостатичне поле Нd від міжзеренної границі викликає магнітну взаємодію сусідніх зерен у пластинах ЕС, характер якої визначається особливостями просторової конфігурації його поздовжньої компоненти Hdx. Така взаємодія зводиться до ускладнення процесів намагнічування (спад кривої М1(х)) ліворуч від міжзеренної границі та їх полегшенню (підйом кривої М2(х)) праворуч від неї (див. рис. 4).

Результати розрахунків поля розсіювання Нs міжзеренних границь досить добре узгоджуються з результатами відповідних вимірів на тих же зразках. Це свідчить про коректність та ефективність розрахунків, основаних на застосуванні моделі, де основними джерелами магнітостатичних полів Нm біля міжзеренних границь прийняті об'ємні 'магнітні заряди' rm, що розподілені всередині неоднорідно намагнічених областей (із divM№0) макроскопічних розмірів по обидві сторони від границі зерен.

Досліджувався вплив полів розсіювання Hs, що породжуються міжзеренними границями бікристалічних зразків, на розподіл індукції у дрібнокристалічних пластинах ЕС (?2 мм), які примикають до них. Це модель ситуації, що має місце в магнітопроводах. Рис. 6 показує зміну індукції В(х) у дрібнокристалічній пластині, що перемагнічується вздовж НП разом з бікристалом у зовнішньому полі напруженістю 660 A/м і 1750 A/м. З цього рисунка видно, що збурення магнітної індукції в областях, які примикають до міжзеренної границі, досягають значень 0.1-0.12 Тл і 0.06-0.08 Тл при середній її величині В=1.75 Тл і В=1.87 Тл, відповідно. При цьому характер розподілу індукції корелює з просторовою конфігурацією поздовжньої компоненти Hsx поля Нs. Останнє вказує на те, що ефект впливу магнітних полів розсіювання Нs, які генеруються міжзеренними границями, на процеси намагнічування осердь із пластин ЕС, в основному, визначається особливостями топології їх поздовжньої компоненти Hsx, а не нормальної складової Hsy, як передбачалось раніше. Виміри також показали, що величина Hsx залишається порівнянною зі значенням зовнішнього поля He навіть у тому випадку, коли ізольована міжзеренна границя перекривається зверху або знизу (що і відбувається в осерді) пластиною сталі. Тим самим, слід очікувати впливу полів Hs міжзеренних границь і на наступні шари осердь.



Висновки

У дисертаційній роботі розв'язана задача й встановлений зв'язок між магнітостатичними полями Hm, що породжуються міжзеренними границями та повітряними щілинами в осердях із пластин анізотропної ЕС, розподілом намагніченості M(r) в пластинах сталі поблизу джерел полів та магнітними характеристиками шихтованих магнітопроводів. Основними науковими та практичними результатами роботи є такі:

1.Показано, що джерелами магнітних полів розсіювання Hs біля повітряних щілин у шихтованих магнітопроводах є як стрибки нормальної складової намагніченості на торцевих поверхнях пластин, що утворюють щілину (уявні поверхневі 'магнітні заряди' з густиною sm =moDMn), так і її зміни в ділянках сталі, що примикають до щілин (уявні об'ємні 'магнітні заряди' rm=-modivM). Причому, внесок полів поверхневих Hsur і об'ємних Hvol 'магнітних зарядів' у результуюче поле розсіювання Hs в однаковій мірі важливий.

2.Магнітні поля розсіювання Нs від повітряних щілин у місцях неідеального стикування пластин у магнітопроводах, у першому наближенні є плоскими (їх вектор Нs містить тільки поздовжню Нsх і нормальну Нsу до площини листа сталі компоненти) та однорідними вздовж ширини пластин сталі.

3.Магнітні поля розсіювання Нs, що породжуються повітряними щілинами, суттєво впливають на доменну структуру та процеси намагнічування в осердях із пластин ЕС; основна роль при цьому належить їх поздовжній компоненті Нsх (що діє вздовж НП та зовнішнього поля He).

4.Біля повітряних щілин виявляються як області Dх2, де компонента Нsх поля Нs спрямована протилежно (Нsх=Нsх-) зовнішньому магнітному полю Не, так і області Dх1 безпосередньо над стиком пластин, де Нsх паралельна (Нsх=Нsх+) до поля Не. Однак, утворення повітряних щілин призводить лише до зростання значень напруженості зовнішніх магнітних полів Не, які потрібні для досягнення робочих значень індукції (B=1.5-1.7 Тл) у магнітопроводах із пластин анізотропної ЕС, що пов'язано зі значним перевищенням розмірів зони Dх2 над Dх1.

5.Експлуатаційні характеристики магнітопроводів, зібраних із пластин ЕС із прямим стиком у кутових ділянках, можуть бути помітно поліпшені (захищене патентом України на винахід) за допомогою розміщення всередині магнітопровода тонких замикаючих пластинок з аморфного матеріалу з високою магнітною проникністю. Аморфні пластинки замикають у собі магнітний потік, що проходить через кутову ділянку магнітопровода від одного його плеча до іншого, і перекривають повітряні щілини в місцях стиків пластин. Це призводить до зменшення внеску енергії Em магнітостатичних полів Нm, пов'язаних із щілинами, у загальний баланс вільної енергії магнітопровода та збільшенню його ефективної магнітної проникності за рахунок перерозподілу потоку магнітної індукції у кутових ділянках. Результат від застосування замикаючих пластинок еквівалентний ефекту від заміни прямого стику на косий стик пластин ЕС у кутових ділянках магнітопроводів силових трансформаторів.

6.Експериментально встановлено, що при намагнічуванні пластин анізотропної ЕС на поверхнях міжзеренних границь, які витягнуті в поперек НП, стрибок нормальної компоненти результуючої намагніченості М в наявному вигляді не спостерігається (DMn=0). Замість цього поблизу границь реалізується стан із неоднорідною намагніченістю (divM?0), що забезпечує плавну зміну величини Mn при переході через міжзеренну границю від одного зерна до іншого, і зберігається аж до станів, які наближаються до магнітного насичення, та є основним джерелом магнітостатичних полів Нm від міжзеренних границь.

7.Напруженість полів розсіювання Hs, які створюються міжзеренними границями, порівнянна з величиною поля He, що намагнічує, на відстанях середнього розміру зерен, чим і визначається сильний вплив міжзеренних границь на магнітні властивості осердь із пластин ЕС.

8.Основний вплив на процеси намагнічування магнітопроводів із пластин анізотропної ЕС створює поздовжня Hmx (що діє вздовж НП та зовнішнього поля Не) компонента магнітостатичного поля Hm від міжзеренних границь, а не нормальна до поверхні пластин їх складова Hmy, як вважалося раніше. Характерною рисою поздовжньої компоненти Hmx є наявність двох областей (по обидві сторони від міжзеренної границі), в яких вона приймає значення з протилежними знаками.

9.Внутрішнє магнітостатичне поле Нd, що пов'язане з міжзеренною границею, викликає магнітну взаємодію сусідніх зерен у пластинах ЕС, яка зводиться до ускладнення процесів намагнічування в зернах з більш високим значенням намагніченості та їх полегшенню в зернах із меншою величиною намагніченості.

10.Під впливом полів розсіювання Hs від міжзеренних границь магнітна індукція в осердях із пластин анізотропної ЕС стає вкрай неоднорідною. Збурення DB магнітної індукції досягають при цьому 0.1-0.12 Тл при середньому її значенні В=1.75 Тл у магнітопроводі. Області простору, в яких подібне збурення індукції має місце, за своїми розмірами порівнянні із середнім розміром зерен, що свідчить про суттєвий вплив міжзеренних границь на магнітні характеристики матеріалу, який досліджується.



Основні результати дисертації опубліковані в роботах

1.Sheiko L., Gaiduk S., Brekharya G. Spatial distribution of the gap-stray fields and it influence on domain structure and magnetization processes of laminated grain oriented silicon steel sheets // J. Magn. Magn. Mater. - 1997. - Vol. 168. - P. 121-127.

2.Sheiko L., Gaiduk S., Brekharya G. Influence of thin amorphous sheets on the magnetic properties of laminated cores // IEEE Trans. Magn. - 1998. - Vol. 34, No. 5, Pt. 2. - P. 3696-3700.

3.Magnetic stray fields at planar grain boundaries in silicon steel sheets / L. Sheiko, G. Brekharya, S. Gaiduk, A. Sadovoy // J. Magn. Magn. Mater. - 1999. - Vol. 196/197. - P. 813-815.

4.Investigations of magnetostatic fields related to grain boundaries in silicon steel sheets / L. Sheiko, G. Brekharya, A. Sadovoy, S. Gaiduk, O. Kylyk // J. Phys. (d): Appl. Phys. - 1999. - Vol. 32. - P. 2851-2855.

5.Патент 23857 Україна, МПК6 Н 01 F 27 / 24. Індукційний пристрій / Л. М. Шейко, С. П. Гайдук, Г. П. Брехаря. - № 95083765; Заявлено 11.08.95, Опубл. 31.08.98, Бюл. № 4, 1998, Промислова власність, Пріоритет 11.08.95. - 10 с.

6.Патент 23881 Україна, МПК6 Н 01 F 3 / 04. Магнітопровід / С. П. Гайдук, Л. М. Шейко, Г. П. Брехаря. - № 96020633; Заявлено 21.02.96, Опубл. 31.08.98, Бюл. № 4, 1998, Промислова власність, Пріоритет 21.02.96. - 5 с.

Размещено на Allbest.ru

...