Удельные магнитные потери. Основные виды магнитных потерь. Подготовка образцов для испытаний
Процесс намагничивания магнитных материалов в переменном поле связан с потерями части мощности магнитного поля. Этумощность, поглощаемую единицей массы магнитного материала и рассеиваемую в виде тепла, называется удельными магнитными потерями P, которые, в свою очередь, складываются из потерь на гистерезис и динамические потери. Динамические потери вызываются, прежде всего, вихревыми токами и частично магнитным последействием (магнитной вязкостью).
Потери на гистерезисе связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ. Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия. Для каждого материала они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь P г, Вт/кг, расходуемая на гистерезисе единицей массы материала, определяется формулой
где η – коэффициент, зависящий от природы материала;
B m – максимальная магнитная индукция в течение цикла;
n – показатель степени, имеющий значение в зависимости от B в пределах от 1.6 до 2;
f – частота.
Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно малой коэрцитивной силой.
Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в материале магнитный поток. Эти материалы зависят от электрического сопротивления магнитного материала и формы сердечника. Чем больше удельное электрическое сопротивление магнитного материала, тем меньше потери на вихревые токи.
где ξ – коэффициент, зависящий от природы магнитного материала, а также его формы.
Для борьбы с вихревыми токами увеличивают электрическое сопротивление сердечника (магнитопроводов). С увеличением частоты потери на вихревые токи возрастают более интенсивно, чем потери на гистерезис, и при какой-то частоте начнут преобладать над потерями, вызванными гистерезисом.
Потери, вызванные магнитным последействием (магнитной вязкостью), - это свойство магнитных материалов проявлять зависимость запаздывания изменения индукции, происходящее под действием изменяющегося магнитного поля, от длительности воздействия этого поля. Эти потери обусловлены в первую очередь инерционностью процессов перемагничивания доменов. С уменьшением длительности приложения магнитного поля запаздывания и, следовательно, магнитные потери, вызванные магнитным последействием, увеличиваются, поэтому их необходимо учитывать при использовании магнитных материалов в импульсном режиме работы.
Мощность потерь P МП, вызванную магнитным последствием, определяется как разность между удельными магнитными потерями P и суммой потерь на гистерезис P Г и вихревые токи P ВТ:
При перемагничивании в переменном поле имеет место отставание по фазе магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Происходит это в результате действия вихревых токов, препятствующих, в соответствии с законом Ленца, изменению магнитной индукции, а также из-за гистерезисных явлений и магнитного последействия. Угол отставания называют углом магнитных потерь и обозначают δ М. Для характеристики динамических свойств магнитных материалов используют тангенс угла магнитных потерь tgδ М. На рисунке представлена последовательная эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма тороидальной катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала. Активное сопротивление r 1 эквивалентно всем видам магнитных потерь, потерям в обмотке и электрической изоляции.
Если пренебречь сопротивлением обмотки катушки и ее собственной емкостью, то из векторной диаграммы получим
где ω – угловая частота;
L – индуктивность катушки;
Q – добротность катушки с испытуемым магнитным материалом.
Уравнение показывает, что тангенс угла магнитных потерь является величиной, обратной добротности катушки.
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле сопровождается превращением определенной части энергии магнитного поля в теплоту, что внешне проявляется в нагреве магнитного материала. Эта энергия за единицу времени называется магнитными потерями . Она обычно характеризуется удельными магнитными потерями p уд, Вт/кг, или тангенсом угла магнитных потерь tgδ м.
С точки зрения механизма возникновения потерь различаются два основных вида магнитных потерь - потери на гистерезис и потери на вихревые токи.
Потери па гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимыми перемещениями доменных границ. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Так как гистерезисный цикл и связанные с ним потери повторяются в течение каждого периода, потери на гистерезис пропорциональны частоте переменного магнитного поля.
Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуктирует в магнитном материале. Они пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, а потому при высоких частотах являются ограничивающим фактором применения магнитных материалов.
В очень слабых магнитных полях и, как правило, в магнитомягких материалах различают еще одинмеханизммагнитных потерь - дополнительные потери на магнитное последействие (магнитную вязкость). Физическая сущность этого механизма пока еще недостаточно ясна.
Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса, т.е. очень малую коэрцитивную силу. Например, коэрцитивная сила такого материала, как супермаллой, равна 0,2 А/м. Кроме того, принимаются различные меры для уменьшения вихревых токов. Общей целью этих мер является повышение удельного электрического сопротивления магнитных материалов. Например, в электротехнических сталях повышение удельного электрического сопротивления достигается примесью кремния в концентрации до 5%. Эти материалы изготавливаются в виде тонких листов, поверхность которых электрически изолируется. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты соответствующим электроизоляционным материалом. С этой точки зрения наиболее выгодны ферримагнитные материалы (ферриты), которые по значению удельного сопротивления могут быть отнесены к полупроводникам и даже диэлектрикам.
Магнитомягкие материалы отличаются способностью легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют узкую петлю гистерезиса, малую коэрцитивную силу, высокие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости, большую магнитную индукцию насыщения и малые удельные магнитные потери.
Свойства и область применения технически чистого железа, а также листовых электротехнических сталей с разным содержанием кремния
Технически чистым железом считается железо, содержащееменее 0,1% углерода и очень малое количество других примесей.
В зависимости от способа изготовления чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.
Электролитическое железо применяется в постоянных полях, когда требуется большая индукция насыщения.
Карбонильное железо используется, главным образом, в виде порошка для изготовления сердечников в высокочастотной электротехнике.
Листовые электротехнические стали изготавливаются из кремнистых сталей с содержанием углерода менее 0,05% и кремния от 0,7 до 4,8%.
По способу прокатки электротехнические листовые стали делятся на обычные (горячекатаные), которые имеют изотропные свойства, и на текстурованные (холоднокатаные), которые имеют магнитную текстуру, вследствие чего они являются анизотропными.
Свойства и область применения сплавов с высокой начальной магнитной проницаемостью (пермаллои), с постоянной магнитной проницаемостью (перминвары) и с большой магнитной индукцией насыщения (пермендюры)
К материалам с высокой начальной проницаемостью относится группа сплавов железа и никеля с содержанием никеля от 35 до 80%, известных под названием пермаллои. Наряду с совершенно чистым железом это наиболее ярко выраженные магнитомягкие материалы вообще. Сплав супермаллой с приблизительным составом 79% Ni, 15% Fе, 5% Мо, 0,5% Мn имеет максимальную относительную проницаемость до 2 10 6 при незначительной коэрцитивной силе H с =0,2 А/м.
Недостатками сплавов типа пермаллоя являются их относительно высокая стоимость (содержат дефицитные металлы), необходимость сложной термообработки и сильная зависимость свойств от механических воздействий.
Материалы с постоянной магнитной проницаемостью отличаются узкой петлей гистерезиса. Самым известным материалом с постоянной магнитной проницаемостью является перминвар (состав: 45% Ni, 29,4% Fе, 25% Со и 0,6% Mn). Сплав подвергают отжигу при 1000 °С, после чего выдерживают при 400 - 500 °С и медленно охлаждают. Перминвар имеет небольшую коэрцитивную силу, начальная магнитная проницаемость перминвара равна 300 и сохраняет постоянное значение в интервале напряженности поля до 250 А/м при индукции 0,1 Тл. Перминвар недостаточно стабилен в магнитном отношении, чувствителен к влиянию температуры и механическим напряжениям. Более удовлетворительной стабильностью магнитной проницаемости отличается сплав, именуемый изопермом, в состав которого входят железо, никель и алюминий или медь. Изоперм имеет магнитную проницаемость 30-80, которая мало изменяется в поле напряженностью до нескольких сот ампер на метр.
Наибольшей магнитной индукцией насыщения наряду с кремнистыми электротехническими сталями с низким содержанием кремния отличаются материалы типа пермендюр на основе железокобальтовых сплавов, обладающие особо высокой индукцией насыщения, до 2,4 Тл, т.е. большей, чем у всех известных ферромагнетиков. Удельное электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Это сплавы железа с кобальтом при содержании кобальта от 49 до 70%, легированные ванадием (2%).
Пермендюры могут применяться вследствие их высокой стоимости только в специализированной аппаратуре, в частности в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах и т.д.
Свойства и область применения сплавов со специальными свойствами (термокомпенсационные сплавы, сплавы для изготовления постоянных магнитов на основе металлов)
Материалы с большой зависимостью магнитной проницаемости от температуры используются для температурной компенсации (термокомпенсации ) магнитных цепей. К ним относятся термомагнитные сплавы на основе Ni-Cu, Fe-Ni или Fe-Ni-Сr. Указанные сплавы применяются для компенсации в установках температурной погрешности, вызываемой изменением индукции постоянных магнитов или изменением сопротивления проводов в магнитоэлектрических приборах по сравнению с тем значением, при котором производилась градуировка. Для получения ярко выраженной температурной зависимости магнитной проницаемости используется свойство ферромагнетиков снижать индукцию с ростом температуры вблизи точки Кюри. Для этих ферромагнетиков точка Кюри лежит между 0 и 100 °С в зависимости от добавок легирующих элементов. Сплав Ni-Cu при содержании 30 % Cu может компенсировать температурные погрешности для пределов температуры от -20 до +80 0 С (рис. 48), а при 40 % Cu - от -50 до +10°С.
|
Рисунок 48 - Температурная зависимость индукции термомагнитного сплава в магнитном поле напряженностью 8 кА/м
Наибольшее техническое применение получили сплавы Fe-Ni-Со (компенсаторы). Достоинствамиих являются: полная обратимость свойств в диапазоне изменения температуры от -70 до +70 °С, высокая воспроизводимость характеристик образцов и хорошая механическая обрабатываемость.
Из них изготавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность магнитных свойств цепей с постоянным магнитом. С ростом температуры магнитный поток в рабочем зазоре постоянного магнита падает. Это изменение компенсируется увеличением магнитного сопротивления магнитного шунта.
Известными термокомпенсационными сплавами являются пермаллой с содержанием никеля 30%, в котором значение температуры точки Кюри регулируется небольшими изменениями содержания никеля, а также сплав железа с никелем (30%) и молибденом (2%).
Для изготовления постоянных магнитов используются магнитотвердые материалы, которые отличаются высокими значениями удельной магнитной энергии, а следовательно, и энергетического произведения (ВН) тах. Они, как правило, имеют высокие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции. С точки зрения структуры для них типичны внутренние напряжения и большое количество различных дефектов, которые затрудняют перемещение доменных границ. В ряде случаев в материалах преднамеренно создаются однодоменные области, которые можно перемагнитить только путем изменения направления намагничивания, что требует значительной энергии. Поэтому такие материалы имеют большую коэрцитивную силу.
Самыми старыми материалами для постоянных магнитов являются мартенситные стали. В настоящее время используются только легированные мартенситные стали, несущие названия в соответствии с названием легирующей присадки: хромовые (до 3% Сr), вольфрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). В настоящее время доля магнитов, изготавливаемых из мартенситных сталей, составляет менее 10%.
Самое большое количество постоянных магнитов изготавливается из сплавов типа Аl-Ni и Аl-Ni-Co.
Сплавы типа Аl-Ni (альни) являются сплавами железа с никелем (20-30%) и алюминием (11-13%). Они очень тверды и хрупки, поэтому постоянные магниты изготавливаются из них литьем или методами порошковой металлургии. Они обладают анизотропией свойств. Сплавы легируются медью, чем достигается лучшая повторяемость свойств и облегчается обработка. В качестве легирующего элемента используется и титан. Коэрцитивная сила Н c сплавов достигает 50 кА/м, а (ВН) max достигает 12 кДж/м 3 .
Сплавы типа Аl-Ni-Со (альнико) представляют собой сплавы железа с никелем (12-26%), кобальтом (2-40%) и алюминием (6-13%) с добавлением меди (2-8%), титана (0-9%) и ниобия (0-3%) для улучшения свойств. При содержании Со до 15% они изотропны, при большем содержании кобальта они подвергаются термомагнитной обработке и являются анизотропными. Изотропные сплавы имеют (ВН) тах до 16 кДж/м 3 , анизотропные сплавы - до 44 кДж/м 3 . Сплавы с ориентированной кристаллизацией в направлении предстоящего намагничивания имеют (ВН) тах до 83 кДж/м 3 . Сплавы типа альнико в несколько раз дороже сплавов типа альни.
Имеют большое значение и магнитотвердые сплавы типов Fе-Со-Мо, Fе-Со-V, Сu-Ni-Fе (анизотропный), Сu-Ni-Со, Аg-Мn-Аl и др.
В статье приводится информация о видах материалов применяемых при изготовлении электродвигателей, генераторов и трансформаторов. Даются краткие технические характеристики некоторых из них.
Классификация электротехнических материалов
Материалы, применяемые в электрических машинах, подразделяются на три категории: конструктивные, активные и изоляционные.
Конструктивные материалы
применяются для изготовления таких деталей и частей машины, главным назначением которых является восприятие и передача механических нагрузок (валы, станины, подшипниковые щиты и стояки, различные крепежные детали и так далее). В качестве конструктивных материалов в электрических машинах используется сталь, чугун, цветные металлы и их сплавы, пластмассы. К этим материалам предъявляются требования, общие в машиностроении.
Активные материалы
подразделяются на проводниковые и магнитные и предназначаются для изготовления активных частей машины (обмотки и сердечники магнитопроводов).
Изоляционные материалы применяются для электрической изоляции обмоток и других токоведущих частей, а также для изоляции листов электротехнической стали друг от друга в расслоенных магнитных сердечниках. Отдельную группу составляют материалы, из которых изготовляются электрические щетки, применяемые для отвода тока с подвижных частей электрических машин.
Ниже дается краткая характеристика активных и изоляционных материалов, используемых в электрических машинах.
Проводниковые материалы
Благодаря хорошей электропроводности и относительной дешевизне в качестве проводниковых материалов в электрических машинах широко применяется электротехническая медь, а в последнее время также рафинированный алюминий. Сравнительные свойства этих материалов приведены в таблице 1. В ряде случаев обмотки электрических машин изготовляются из медных и алюминиевых сплавов, свойства которых изменяются в широких пределах в зависимости от их состава. Медные сплавы используются также для изготовления вспомогательных токоведущих частей (коллекторные пластины, контактные кольца, болты и так далее). В целях экономии цветных металлов или увеличения механической прочности такие части иногда выполняются также из стали.
Таблица 1
Физические свойства меди и алюминия
| Материал | Сорт | Плотность, г/см 3 | Удельное сопротивление при 20°C, Ом×м | Температурный коэффициент сопротивления при ϑ °C, 1/°C | Коэффициент линейного расширения, 1/°C | Удельная теплоемкость, Дж/(кг×°C) | Удельная теплопроводность, Вт/(кг×°C) |
| Медь | Электротехническая отожженная | 8,9 | (17,24÷17,54)×10 -9 | 1,68×10 -5 | 390 | 390 | |
| Алюминий | Рафинированный | 2,6-2,7 | 28,2×10 -9 | 2,3×10 -5 | 940 | 210 |
Температурный коэффициент сопротивления меди при температуре ϑ °C
Зависимость сопротивления меди от температуры используется для определения повышения температуры обмотки электрической машины при ее работе в горячем состоянии ϑ г над температурой окружающей среды ϑ о. На основании соотношения (2) для вычисления превышения температуры
Δϑ = ϑ г - ϑ о
можно получить формулу
| (3) |
где r г - сопротивление обмотки в горячем состоянии; r x - сопротивление обмотки, измеренное в холодном состоянии, когда температуры обмотки и окружающей среды одинаковы; ϑ x - температура обмотки в холодном состоянии; ϑ о - температура окружающей среды при работе машины, когда измеряется сопротивление r г.
Соотношения (1), (2) и (3) применимы также для алюминиевых обмоток, если в них заменить 235 на 245.
Магнитные материалы
Для изготовления отдельных частей магнитопроводов электрических машин применяется листовая электротехническая сталь, листовая конструкционная сталь, листовая сталь и чугун. Чугун вследствие невысоких магнитных свойств используется относительно редко.
Наиболее важный класс магнитных материалов составляют различные сорта листовой электротехнической стали. Для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи в ее состав вводят кремний. Наличие примесей углерода, кислорода и азота снижает качество электротехнической стали. Большое влияние на качество электротехнической стали оказывает технология ее изготовления. Обычную листовую электротехническую сталь получают путем горячей прокатки. В последние годы быстро растет применение холоднокатанной текстурированной стали, магнитные свойства которой при перемагничивании вдоль направления прокатки значительно выше, чем у обычной стали.
Сортамент электротехнической стали и физические свойства отдельных марок этой стали определяются ГОСТ 21427.0-75.
В электрических машинах применяются главным образом электротехнические стали марок 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1411, 1412, 1511, 1512, 3411, 3412, 3413, которые соответствуют старым обозначениям марок сталей Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э42, Э310, Э320, Э330. Первая цифра обозначает класс стали по структурному состоянию и виду прокатки: 1 - горячекатаная изотропная, 2 - холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой. Вторая цифра показывает содержание кремния. Третья цифра указывает группу по основной нормируемой характеристике: 0 - удельные потери при магнитной индукции B = 1,7 T и частоте f = 50 Гц (p 1,7/50), 1 - удельные потери при B = 1,5 T и частоте f = 50 Гц (p 1,5/50), 2 - удельные потери при магнитной индукции B = 1,0 T и частоте f = 400 Гц (p 1,0/400), 6 - магнитная индукция в слабых полях при напряженности магнитного поля 0,4 А/м (B 0,4), и 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности магнитного поля 10А/м (B 10). Четвертая цифра - порядковый номер. Свойство электротехнической стали в зависимости от содержания кремния приведены в таблице 2
Таблица 2
Зависимость физических свойств электротехнической стали от содержания кремния
| Cвойства | Вторая цифра марки стали | |||
| 2 | 3 | 4 | 5 | |
Плотность, г/см 3 | ||||
Удельное сопротивление, Ом×м | ||||
Температурный коэффициент сопротивления, 1/°C | ||||
Удельная теплоемкость, Дж/(кг×°C) | ||||
С увеличением содержания кремния возрастает хрупкость стали. В связи с этим, чем меньше машина и, следовательно, чем меньше размеры зубцов и пазов, в которые укладываются обмотки, тем труднее использовать стали с повышенной и высокой степенью легирования. Поэтому, например, высоколегированная сталь применяется главным образом для изготовления трансформаторов и очень мощных генераторов переменного тока.
В машинах с частотой тока до 100 Гц обычно применяются листовая электротехническая сталь толщиной 0,5 мм, а иногда также, в особенности в трансформаторах, сталь толщиной 0,35 мм. При более высоких частотах используется более тонкая сталь. Размеры листов электротехнической стали стандартизированы, причем ширина листов составляет 240 - 1000 мм, а длина 1500 - 2000 мм. В последнее время расширяется выпуск электротехнической стали в виде ленты, наматываемой на рулоны.
Рис. 1. Кривые намагничивания ферромагнитных материалов
1 - электротехническая сталь 1121, 1311; 2 - электротехническая сталь 1411, 1511; 3 - малоуглеродистые литая сталь, стальной прокат и поковки для электрических машин; 4 - листовая сталь толщиной 1-2 мм для полюсов; 5 - сталь 10; 6 - сталь 30; 7 - холоднокатаная электротехническая сталь 3413; 8 - серый чугун с содержанием: С - 3,2%, Si 3,27%, Мп - 0,56%, Р - 1,05%; I × А - масштабы по осям I и А; II × Б - масштабы по осям II и Б
На рисунке 1 представлены кривые намагничивания различных марок стали и чугуна, а в таблице 3, согласно ГОСТ 21427.0-75, - значения удельных потерь p в наиболее распространенных марках электротехнической стали. Индекс у буквы p указывает на индукцию B в теслах (числитель) и на частоту f перемагничивания в герцах (знаменатель), при которых гарантируются приведенные в таблице 3 значения потерь. Для марок 3411, 3412 и 3413 потери даны для случая намагничивания вдоль направления прокатки.
Таблица 3
Удельные потери в электротехнической стали
| Марка стали | Толщина листа, мм | Удельные потери, Вт/кг | Марка стали | Толщина листа, мм | Удельные потери, Вт/кг | |||||
| p 1,0/50 | p 1,5/50 | p 1,7/50 | p 1,0/50 | p 1,5/50 | p 1,7/50 | |||||
| 1211 | 0,5 | 3,3 | 7,7 | - | 1512 | 0,5 | 1,4 | 3,1 | - | |
| 1212 | 0,5 | 3,1 | 7,2 | - | 0,35 | 1,2 | 2,8 | - | ||
| 1213 | 0,5 | 2,8 | 6,5 | - | 1513 | 0,5 | 1,25 | 2,9 | - | |
| 1311 | 0,5 | 2,5 | 6,1 | - | 0,35 | 1,05 | 2,5 | - | ||
| 1312 | 0,5 | 2,2 | 5,3 | - | 3411 | 0,5 | 1,1 | 2,45 | 3,2 | |
| 1411 | 0,5 | 2,0 | 4,4 | - | 0,35 | 0,8 | 1,75 | 2,5 | ||
| 1412 | 0,5 | 1,8 | 3,9 | - | 3412 | 0,5 | 0,95 | 2,1 | 2,8 | |
| 1511 | 0,5 | 1,55 | 3,5 | - | 0,35 | 0,7 | 1,5 | 2,2 | ||
| 0,35 | 1,35 | 3,0 | - | 3413 | 0,5 | 0,8 | 1,75 | 2,5 | ||
| 0,35 | 0,6 | 1,3 | 1,9 | |||||||
Потери на вихревые токи зависят от квадрата индукции, а потери на гистерезис - от индукции в степени, близкой к двум. Поэтому и общие потери в стали с достаточной для практических целей точностью можно считать зависящими от квадрата индукции. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, а на гистерезис - первой степени частоты. При частоте 50 Гц и толщине листов 0,35 - 0,5 мм потери на гистерезис превышают потери на вихревые токи в несколько раз. Зависимость общих потерь в стали от частоты вследствие этого ближе к первой степени частоты. Поэтому удельные потери для значений B и f , отличных от указанных в таблице 3, можно вычислять по формулам:
 |   | (4) |
где значение B подставляется в теслах (Т).
Приведенные в таблице 3 значения удельных потерь соответствуют случаю, когда листы изолированы друг от друга.
Для изоляции применяется специальный лак или, весьма редко, тонкая бумага, а также используется оксидирование.
При штамповке возникает наклеп листов электротехнической стали. Кроме того, при сборке пакетов сердечников происходит частичное замыкание листов по их кромкам вследствие появления при штамповке грата или заусенцев. Это увеличивает потери в стали в 1,5 - 4,0 раз.
Из-за наличия между листами стали изоляции, их волнистости и неоднородности по толщине не весь объем спрессованного сердечника заполнен сталью. Коэффициент заполнения пакета сталью при изоляции лаком в среднем составляет k c = 0,93 при толщине листов 0,5 мм и k c = 0,90 при 0,35 мм.
Изоляционные материалы
К электроизоляционным материалам, применяемым в электрических машинах, предъявляются следующие требования: по возможности высокие электрическая прочность, механическая прочность, нагревостойкость и теплопроводность, а также малая гигроскопичность. Важно, чтобы изоляция была по возможности тонкой, так как увеличение толщины изоляции ухудшает теплоотдачу и приводит к уменьшению коэффициента заполнения паза проводниковым материалом, что в свою очередь вызывает уменьшение номинальной мощности машины. В ряде случаев возникают также и другие требования, например устойчивость против различных микроорганизмов в условиях влажного тропического климата и так далее На практике все эти требования могут быть удовлетворены в разной степени.
Видео 1. Изоляционные материалы в электротехнике XVIII - XIX веков.
Изоляционные материалы могут быть твердые, жидкие и газообразные. Газообразными обычно являются воздух и водород, которые представляют собой по отношению к машине окружающую или охлаждающую среду и одновременно в ряде случаев играют роль электрической изоляции. Жидкие диэлектрики находят применение главным образом в трансформаторостроении в виде специального сорта минерального масла, называемого трансформаторным.
Наибольшее значение в электромашиностроении имеют твердые изоляционные материалы. Их можно разбить на следующие группы: 1) естественные органические волокнистые материалы - хлопчатая бумага, материалы на основе древесной целлюлозы и шелк; 2) неорганические материалы - слюда, стекловолокно, асбест; 3) различные синтетические материалы в виде смол, пленок, листового материала и так далее; 4) различные эмали, лаки и компаунды на основе природных и синтетических материалов.
В последние годы органические волокнистые изоляционные материалы все больше вытесняются синтетическими материалами.
Эмали применяются для изоляции проводов и в качестве покровной изоляции обмоток. Лаки используются для склейки слоистой изоляции и для пропитки обмоток, а также для нанесения покровного защитного слоя на изоляцию. Дву- или трехкратной пропиткой обмоток лаками, чередуемой с просушками, достигается заполнение пор в изоляции, что повышает теплопроводность и электрическую прочность изоляции, уменьшает ее гигроскопичность и скрепляет элементы изоляции в механическом отношении.
Пропитка компаундами служит такой же цели, как и пропитка лаками. Разница заключается только в том, что компаунды не имеют летучих растворителей, а представляют собой весьма консистентную массу, которая при нагревании размягчается, сжижается и способна под давлением проникать в поры изоляции. Ввиду отсутствия растворителей заполнение пор при компаундировании получается более плотным.
Важнейшей характеристикой изоляционных материалов является их нагревостойкость, которая решающим образом влияет на надежность работы и срок службы электрических машин. По нагревостойкости электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах и аппаратах, подразделяются, согласно ГОСТ 8865-70, на семь классов со следующими предельно допустимыми температурами ϑ макс:
В стандартах прежних лет содержатся старые обозначения некоторых классов изоляции: вместо Y, E, F, H соответственно О, АВ, ВС, СВ.
К классу Y относятся не пропитанные жидкими диэлектриками и не погруженные в них волокнистые материалы из хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка, а также ряд синтетических полимеров (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.). Этот класс изоляции в электрических машинах применяется редко.
Класс A включает в себя волокнистые материалы из хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка, пропитанные жидкими электроизоляционными материалами или погруженные в них, изоляцию эмаль-проводов на основе масляных и полиамиднорезольных лаков (капрон), полиамидные пленки, бутилкаучуковые и другие материалы, а также пропитанное дерево и древесные слоистые пластики. Пропитывающими веществами для этого класса изоляции являются трансформаторное масло, масляные и асфальтовые лаки и другие вещества с соответствующей нагревостойкостью. К данному классу относятся различные лакоткани, ленты, электротехнический картон, гетинакс, текстолит и другие изоляционные изделия. Изоляция класса A широко применяется для вращающихся электрических машин мощностью до 100 кВт и выше, а также в трансформаторостроении.
К классу E относится изоляция эмаль-проводов и электрическая изоляция на основе поливинилацеталевых (винифлекс, металвин), полиуретановых, эпоксидных, полиэфирных (лавсан) смол и других синтетических материалов с аналогичной нагревостойкостью. Класс изоляции E включает в себя новые синтетические материалы, применение которых быстро расширяется в машинах малой и средней мощности (до 10 кВт и выше).
Класс B объединяет изоляционные материалы на основе неорганических диэлектриков (слюда, асбест, стекловолокно) и клеящих, пропиточных и покровных лаков и смол повышенной нагревостойкости органического происхождения, причем содержание органических веществ по массе не должно превышать 50%. Сюда относятся прежде всего материалы на основе тонкой щипаной слюды (микалента, микафолий, миканит), широко применяемые в электромашиностроении.
В последнее время используются также слюдинитовые материалы, в основе которых лежит непрерывная слюдяная лента из пластинок слюды размерами до нескольких миллиметров и толщиной в несколько микрон.
К классу B принадлежат также различные синтетические материалы: полиэфирные смолы на основе фталевого ангидрида, полихлортрифторэтилен (фторопласт-3), некоторые полиуретановые смолы, пластмассы с неорганическим заполнителем и др.
Изоляция класса F включает в себя материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, но с применением органических лаков и смол, модифицированных кремнийорганическими (полиорганосилоксановыми) и другими смолами с высокой нагревостойкостью, или же с применением других синтетических смол соответствующей нагревостойкости (полиэфирные смолы на основе изо- и терефталевой кислот и др.). Изоляция этого класса не должна содержать хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка.
К классу H относится изоляция на основе слюды, стекловолокна и асбеста в сочетании с кремнийорганическими (полиорганосилоксановыми), полиорганометаллосилксановыми и другими нагревостойкими смолами. С применением таких смол изготовляются миканиты и слюдиниты, а также стекломиканиты, стекломикафолий, стекломикаленты, стеклослюдиниты, стеклолакоткани и стеклотекстолиты.
К классу H относится и изоляция на основе политетрафторэтилена (фторопласт-4). Материалы класса H применяются в электрических машинах, работающих в весьма тяжелых условиях (горная и металлургическая промышленность, транспортные установки и пр.).
К классу изоляции C принадлежат слюда, кварц, стекловолокно, стекло, фарфор и другие керамические материалы, применяемые без органических связующих или с неорганическими связующими.
Под воздействием тепла, вибраций и других физико-химических факторов происходит старение изоляции, т. е. постепенная потеря ею механической прочности и изолирующих свойств. Опытным путем установлено, что срок службы изоляции классов A и B снижается в два раза при повышении температуры на каждые 8-10° сверх 100°C. Аналогичным образом снижается при повышении температуры также срок службы изоляции других классов.
Электрические щетки
подразделяются на две группы: 1) угольно-графитные, графитные и электрографитированные; 2) металлографитные. Для изготовления щеток первой группы используется сажа, измельченные природный графит и антрацит с каменноугольной смолой в качестве связующего. Заготовки щеток подвергаются обжигу, режим которого определяет структурную форму графита в изделии. При высоких температурах обжига достигается перевод углерода, находящегося в саже и антраците, в форму графита, вследствие чего такой процесс обжига называется графитированием. Щетки второй группы содержат также металлы (медь, бронза, серебро). Наиболее распространены щетки первой группы.
В таблице 4 приводятся характеристики ряда марок щеток.
Таблица 4
Технические характеристики электрических щеток
| Класс щеток | Марка | Номинальная плотность тока, А/см 2 | Максимальная окружная скорость, м/с | Удельное нажатие, Н/см 2 | Переходное падение напряжения на пару щеток, В | Коэффициент трения | Характер коммутации при котором рекомендуется применение щеток |
Угольно-графитные | УГ4 | 7 | 12 | 2-2,5 | 1,6-2,6 | 0,25 | Несколько затрудненная |
Графитные | Г8 | 11 | 25 | 2-3 | 1,5-2,3 | 0,25 | Нормальная |
| Электрографитированные | ЭГ4 | 12 | 40 | 1,5-2 | 1,6-2,4 | 0,20 | Нормальная |
| ЭГ8 | 10 | 40 | 2-4 | 1,9-2,9 | 0,25 | Самая затрудненная | |
| ЭГ12 | 10-11 | 40 | 2-3 | 2,5-3,5 | 0,25 | Затрудненная | |
| ЭГ84 | 9 | 45 | 2-3 | 2,5-3,5 | 0,25 | Самая затрудненная | |
Медно-графитные | МГ2 | 20 | 20 | 1,8-2,3 | 0,3-0,7 | 0,20 | Самая легкая |
ГОСТ 12119.4-98
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
Сталь электротехническая
магнитного поля
Издание официальное
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Российской Федерацией, Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 120 «Металлопродукция из черных металлов и сплавов»
ВНЕСЕН Госстандартом России
2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 13-98 от 28 мая 1998 г.)
|
Наименование государства |
Наименование национального органа по стандартизации |
|
Азербайджанская Республика |
Аз гос стандарт |
|
Республика Армения |
Армгос стандарт |
|
Республика Беларусь |
Госстандарт Беларуси |
|
Киргизская Республика |
Киргизстандарт |
|
Российская Федерация |
Госстандарт России |
|
Республика Таджикистан |
Таджикгосстандарт |
|
Туркменистан |
Главная государственная инспекция Туркменистана |
|
Республика Узбекистан |
Узгосстандарт |
|
Госстандарт Украины |
3 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 8 декабря 1998 г. № 437 межгосударственный стандарт ГОСТ 12119.4-98 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 июля 1999 г.
4 ВЗАМЕН ГОСТ 12119-80 в части раздела 4
© ИПК Издательство стандартов, 1999
Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания на территории Российской Федерации без разрешения Госстандарта России
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
Сталь электротехническая
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Метод измерения удельных магнитных потерь и действующего значения напряженности
магнитного поля
Electrical steel.
Methods of test for magnetic and electrical properties.
Method for measurement of specific magnetic losses and actual value of magnetic field intensity
Дата введения 1999-07-01
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает метод определения удельных магнитных потерь от 0,3 до
50,0 Вт/кг и действующего значения напряженности магнитного поля от 100 до 2500 А/м при частотах перемагничивания 50-400 Гц методом ваттметра и амперметра.
Допускается определение значений магнитных величин при частотах перемагничивания до 10 кГц на кольцевых образцах и на образцах из полос.
2 Нормативные ссылки
ГОСТ 8.377-80 ГСИ. Материалы магнитомягкие. Методики выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик
ГОСТ 8476-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 3. Особые требования к ваттметрам и варметрам
ГОСТ 8711 -93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам
ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Общие требования
ГОСТ 13109-87 Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения
ГОСТ 21427.1-83 Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия
ГОСТ 21427.2-83 Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая. Технические условия
3 Общие требования
Общие требования к методам испытания - по ГОСТ 12119.0.
Термины, применяемые в настоящем стандарте, - по ГОСТ 12119.0.
Издание официальное
4 Подготовка образцов для испытаний
4.1 Образцы для испытаний должны иметь изоляцию.
4.2 Образцы кольцевой формы собирают из штампованных колец толщиной от 0,1 до 1,0 мм или навивают из ленты толщиной не более 0,35 мм и помещают в кассеты из изоляционного материала толщиной не более 3 мм или неферромагнитного металла толщиной не более 0,3 мм. Металлическая кассета должна иметь зазор.
Отношение наружного диаметра образца к внутреннему должно быть не более 1,3; площадь поперечного сечения образца - не менее 0,1 см 2 .
4.3. Образцы для аппарата Эпштейна изготовляют из полос толщиной от 0,1 до 1,0 мм, длиной от 280 до 500 мм, шириной (30,0±0,2) мм. Полосы образца не должны отличаться друг от друга по длине более чем на ±0,2 %. Площадь поперечного сечения образца должна быть от 0,5 до 1,5 см 2 . Число полос в образце должно быть кратным четырем, минимальное число полос - двенадцать.
Образцы анизотропной стали нарезают вдоль направления прокатки. Угол между направлениями прокатки и нарезки полос не должен превышает Г.
Для образцов изотропной стали половину полос нарезают вдоль направления прокатки, другую - поперек. Угол между направлениями прокатки и нарезки не должен превышать 5°. Полосы группируют в четыре пакета: два - из полос, нарезанных вдоль направления прокатки, два - поперек. Пакеты с одинаково нарезанными полосами размещают в параллельно расположенных катушках аппарата.
Допускается полосы нарезать под одним и тем же углом к направлению прокатки. Направление прокатки для всех полос, уложенных в одну катушку, должно быть одинаковым.
4.4 Листовые образцы изготовляют длиной от 400 до 750 мм. Длина листа должна быть не менее наружной длины ярма: ширина листа - не менее 60 % ширины окна соленоида. Допуск по длине не должен выходить за пределы ±0,5 %, по ширине - ±2 мм.
Поверхность и форма листов должны соответствовать ГОСТ 21427.1 и ГОСТ 21427.2.
5 Применяемая аппаратура
5.1 Установка. Схема установки приведена на рисунке 1.
5.1.1 Вольтметры PV1 - для измерения средневыпрямленного значения напряжения и последующего определения амплитуды магнитной индукции и PV2 - для измерения действующего значения напряжения и последующего определения коэффициента формы его кривой должны иметь предел измерения от 30 мВ до 100 В, максимальный входной ток не более 5 мА, класс точности не ниже 0,5 по ГОСТ 8711.
Допускается использовать делитель напряжения к вольтметру PV1 для получения отсчетов, численно равных амплитудам магнитной индукции.
5.1.2 Ваттметр PWдля измерения активной мощности и последующего определения удельных магнитных потерь должен иметь предел измерения от 0,75 до 30 Вт, номинальный коэффициент мощности - не более 0,1 при частоте 50 Гц и 0,2 - при более высокой частоте; класс точности не ниже 0,5 при частоте перемагничивания от 50 до 400 Гц или не ниже 2,5 - при частоте более 400 Гц по ГОСТ 8476.
Допускается использовать делитель напряжения к ваттметру для получения отсчетов, численно равных значениям удельных магнитных потерь. Выход делителя напряжения должен быть соединен с параллельной цепью ваттметра, вход - с обмоткой II образца Т2.
5.1.3 Амперметр РА для измерения действующего значения намагничивающего тока и последующего определения действующего значения напряженности магнитного поля должен иметь предел измерения от 0,1 до 5,0 А, класс точности не ниже 0,5 по ГОСТ 8711. Допускается увеличение наименьшего предела измерения до 1,0 А при контроле нагрузки токовой цепи ваттметра. Максимальная мощность, потребляемая амперметром при измерении с образцами из листов шириной более 250 мм, должна быть не более 1,0 В А; для других образцов - не более 0,2 В - А
5.1.4 Частотомер PF адя измерения частоты с погрешностью, не выходящей за пределы ±0,2 %.
5.1.5 Источник питания С для намагничивания образцов должен иметь низкочастотный генератор с усилителем мощности или регулятор напряжения со стабилизатором частотой 50 Гц. Коэффициент несинусоидальности напряжения нагруженного источника питания не должен превышать 5 % по ГОСТ 13109. Номинальная мощность источника при частоте перемагничивания 50 Гц должна быть не менее 0,45 кВ А на 1,0 кг массы образца и не менее 0,3 кВ-А для значений, указанных в таблице 1.
Таблица 1
|
Частота перемагничивания, кГц |
Масса образца, кг |
|||||
|
ДО 1,0 ВКЛЮЧ. | ||||||
Допускается использовать усилитель с обратной связью для получения формы кривой магнитного потока образца, близкой к синусоидальной. Коэффициент несинусоидальности формы кривой ЭДС в обмотке не должен превышать 3 %; мощность, потребляемая цепью обратной связи по напряжению, не должна превышать 5 % измеряемых магнитных потерь.
5.1.6 Вольтметры PV1 и PV2, цепь напряжения ваттметра PW и обратная связь усилителя должны потреблять мощность не более 25 % измеряемого значения.
5.1.7 Катушка 77 для компенсации магнитного потока вне образца должна иметь число витков обмотки I не более пятидесяти, сопротивление - не более 0,05 Ом, сопротивление обмотки II - не более 3 Ом. Обмотки укладывают на цилиндрический каркас из немагнитного изоляционного материала длиной от 25 до 35 мм, диаметром от 40 до 60 мм. Ось катушки должна быть перпендикулярна плоскости силовых линий образца при закреплении ее на аппарате Эпштейна. Относительная разность коэффициентов взаимной индуктивности катушки Т1 и аппарата Эпштейна без образца не должна выходить за пределы ±5 %.
Допускается исключать из схемы (см. рисунок 1) катушку Т1 при магнитном потоке вне образца, не превышающем 0,2 % измеряемого.
5.1.8 Намагничивающие I и измерительные II обмотки кольцевого образца Т2 должны соответствовать требованиям ГОСТ 8.377.
5.1.9 Аппарат Эпштейна, применяемый для испытания образцов, составленных из полос, Т2 должен иметь четыре катушки на каркасах из немагнитного изоляционного материала со следующими размерами:
ширина внутреннего окна - (32,0±0,5) мм;
высота - от 10 до 15 мм;
толщина стенок каркаса - от 1,5 до 2,0 мм;
длина участка катушки с обмоткой - не менее 190 мм;
длина катушки - (220±1) мм.
Число витков в обмотках аппарата выбирают в соответствии с таблицей 2.
Таблица 2
5.1.10 Листовой аппарат, применяемый для испытания образцов Т2, должен иметь соленоид и два ярма. Конструкция ярм должна обеспечивать параллельность соприкасающихся поверхностей и механическую жесткость, исключающую влияние на магнитные свойства образца. Ширина полюсов ярм из электротехнической стали должна быть не менее 25 мм, из прецизионных сплавов - 20 мм. Магнитные потери в ярмах не должны превышать 5 % измеряемых; относительная разность амплитуд магнитного потока в ярмах не должна выходить за пределы ±15 %.
Допускается применять аппараты с разомкнутыми ярмами для измерения относительного изменения удельных магнитных потерь, например, при оценке остаточного напряжения по ГОСТ 21427.1.
Соленоид должен иметь каркас из немагнитного изоляционного материала, на котором сначала располагают измерительную обмотку II, затем одним или несколькими проводами - намагничивающую обмотку I. Каждый провод равномерно укладывают в один слой.
Относительная максимальная разность амплитуд магнитной индукции на участке образца внутри соленоида не должна выходить за пределы ±5 %.
6 Подготовка к проведению измерений
6.1 Образцы из полос, листов или кольцевой формы подключают, как указано на рисунке 1.
6.2 Образцы из полос или листов укладывают в аппараты. Образцы из полос укладывают в аппарат Эпштейна, как указано на рисунке 2.
Допускается фиксировать положение полос и листов в аппаратах, создавая давление не более 1 кПа перпендикулярно поверхности образца вне намагничивающих катушек.
6.3 Вычисляют площади поперечного сечения S, м 2 , образцов:
6.3.1 Площадь поперечного сечения 5, м 2 , для образцов кольцевой формы из материала толщиной не менее 0,2 мм рассчитывают по формуле
Рисунок 2 - Схема укладки полос образца
о)
где т - масса образца, кг;
D, d - наружный и внутренний диаметры кольца, м; у - плотность материала, кг/м 3 .
Плотность материала у, кг/м 3 , выбирают по приложению 1 ГОСТ 21427.2 или рассчитывают по формуле
у = 7865 - 65 (tf Si + 1,7А^>,
где K S i и Ад) - массовые доли кремния и алюминия, %.
6.3.2 Площадь поперечного сечения S, м 2 , для образцов кольцевой формы из материала толщиной менее 0,2 мм рассчитывают по формуле
к у (D + d) (1 + С т
(3)
где С у = y - отношение плотности изоляционного покрытия к плотности материала образца, где у п - плотность изоляции, принятая равной 1,6 10 3 кг/м 3 для неорганического покрытия и
1,1 ■ 10 3 кг/м 3 - для органического;
К, - коэффициент заполнения, определяемый, как указано в ГОСТ 21427.1.
6.3.3 Площадь поперечного сечения S, м 2 , образцов, составленных из полос для аппарата Эпштейна, рассчитывают по формуле
(4)
где ^ - длина полосы, м.
6.3.4 Площадь поперечного сечения листового образца S, м 2 , рассчитывают по формуле
(5)
где 1 Л - длина листа, м.
6.4 Погрешность определения массы образцов не должна выходить за пределы ±0,2 %, наружного и внутреннего диаметров кольца - ±0,5 %, длины полос - ±0,2 %.
6.5 Измерения при значении амплитуды магнитной индукции менее 1,0 Тл проводят после размагничивания образцов в поле частотой 50 Гц.
Устанавливают напряжение, соответствующее амплитуде магнитной индукции не менее 1,6 Тл для анизотропной стали и 1,3 Тл - для изотропной стали, затем плавно уменьшают его.
Время размагничивания должно быть не менее 40 с.
При измерении магнитной индукции в поле напряженностью менее 1,0 А/м образцы выдерживают после размагничивания 24 ч; при измерении индукции в поле напряженностью более
1,0 А/м время выдержки может быть сокращено до 10 мин.
Допускается уменьшать время выдержки при относительной разности значений индукции, полученных после нормальной и сокращенной выдержек, в пределах ±2 %.
6.6 Верхние пределы значений измеряемых магнитных величин для образцов кольцевой формы и составленных из полос должны соответствовать амплитуде напряженности магнитного поля не более 5 10 3 А/м при частоте перемагничивания от 50 до 60 Гц и не более 1 10 3 А/м - при более высоких частотах; нижние пределы - наименьшим значениям амплитуд магнитной индукции, приведенным в таблице 3.
Таблица 3
Наименьшее значение амплитуды магнитной индукции для листовых образцов должно быть равно 1,0 Тл.
6.7 Для вольтметра PV1, отградуированного в средневыпрямленных значениях, напряжение
V В, соответствующее заданной амплитуде магнитной индукции В^, Тл, и частоте перемагничи-вания /, Гц, рассчитывают по формуле
U cp = 4fSW 2 B mx (\-%, (6)
где S - площадь поперечного сечения образца, м 2 ;
W 2 - число витков обмотки II образца;
г 2 - суммарное сопротивление обмотки II образца Т2 и катушки 77, Ом; г э - эквивалентное сопротивление приборов и устройств, соединенных с обмоткой II образца Т2, Ом, рассчитываемое по формуле
(7)
где г п г п, гцг, г А - активные сопротивления вольтметров PV1, PV2, цепи напряжения ваттметра PWи цепи обратной связи по напряжению усилителя мощности соответственно, Ом.
Величиной - в формуле (6) пренебрегают, если ее значение не превышает 0,002.
6.8 Для вольтметра PV1, отградуированного в действующих значениях напряжения синусом дальной формы, значение величины U, В, рассчитывают по формуле
U=4,44fSJV 2 B max (l-^).
6.9 При отсутствии катушки Т1 рассчитывают поправку AU, В, обусловленную магнитным потоком вне образца, по формуле
A U= 4/И", ^ Мо (^ --S)f-U> (9)
где - число витков обмоток образца Т2,
Но - 4я 10 -7 - магнитная постоянная, Гн/м;
S 0 - площадь поперечного сечения измерительной обмотки образца, м 2 ;
S- площадь поперечного сечения образца, определяемая, как указано в 6.3, м 2 ;
1 С р - средняя длина магнитной силовой линии, м.
Для образцов кольцевой формы среднюю длину магнитной силовой линии / ср, м, рассчитывают по формуле
l cp = y(D + d). 0°)
В стандартных испытаниях для образца из полос среднюю длину 1^, м, принимают равной 0,94 м. При необходимости повышения точности определения магнитных величин допускается значения / ср выбирать из таблицы 4.
Таблица 4
Для листового образца среднюю длину магнитной силовой линии / ср, м, определяют по результатам метрологической аттестации установки;
/ тах - амплитуда тока, А; рассчитывают в зависимости от амплитуды падения напряжения U R п^, В, на резисторе сопротивлением R, Ом, включенном в намагничивающую цепь, по формуле
(П)
или по средневыпрямленному значению ЭДС t/ cpM , В, наведенной в обмотке II катушки 77 при включенной обмотке I в намагничивающую цепь, по формуле
I и ср.ы (12)
где М - взаимная индуктивность катушки, Гн; не более 1 10 -2 Гн;
/ - частота перемагничивания, Гц.
6.10 При определении удельных магнитных потерь в аппарате Эпштейна следует учитывать неоднородность намагничивания угловых частей магнитной цепи введением эффективной массы образца т и кг, которую для образцов из полос рассчитывают по формуле
4
(13)
где т - масса образца, кг;
^ - длина полосы, м.
Для кольцевых образцов эффективную массу принимают равной массе образца.
Эффективную массу листового образца определяют по результатам метрологической аттестации установки.
7 Порядок проведения измерения
7.1 Определение удельных магнитных потерь основано на измерении активной мощности, расходуемой на перемагничивание образца и потребляемой приборами PV1, PV2, PW и цепью обратной связи усилителя. При испытании листового образца учитывают потери в ярмах. Активную мощность определяют косвенным методом по напряжению на обмотке II образца Т2.
7.1.1 На установке (см. рисунок 1) замыкают ключи S2, S3, S4 и размыкают ключ S1.
7.1.2 Устанавливают напряжение £/ ср, U или (U^ + ДU), В, по вольтметру PV1; частоту перемагничивания /, Гц; проверяют по амперметру РА, что ваттметр PW не перегружен; замыкают ключ S1 и размыкают ключ S2.
7.1.3 При необходимости регулируют источником питания показание вольтметра PV1 для установки заданного значения напряжения и измеряют действующее значение напряжения U x , В, вольтметром PV2 и мощность Р н, Вт, ваттметром PW.
7.1.4 Устанавливают напряжение, соответствующее большему значению амплитуды магнитной индукции, и повторяют операции, указанные в 7.1.2, 7.1.3.
7.2 Определение действующего значения напряженности магнитного поля основано на измерении намагничивающего тока.
7.2.1 На установке (см. рисунок 1) замыкают ключи S2, S4 и размыкают ключи S1, S3.
7.2.2 Устанавливают напряжение U cp или U, В, частоту перемагничивания /, Гц, и определяют по амперметру РА значения намагничивающего тока /, А.
7.2.3 Устанавливают ббльшее значение напряжения и повторяют операции, указанные в
8 Правила обработки результатов измерений
8.1 Коэффициент формы кривой напряжения на обмотке II образца рассчитывают по формуле
ще U x - действующее значение напряжения, В;
U c р - напряжение, вычисленное по формуле (6), В.
8.2 Удельные магнитные потери Р^, Вт/кг, образца из полос или кольцевой формы рассчитывают по формуле
где т х - эффективная масса образца, кг;
Р м - среднее значение мощности, Вт;
U\ - действующее значение напряжения, В;
W x , W 2 - число витков обмоток образца 72; г ь г э - см. 6.7.
Величинами -у- и ^ пренебрегают, если отношение ~ не превышает 0,2 % от -ф Р м, а
отношение - не превышает 0,002.
Погрешность определения сопротивления г э не должна выходить за пределы ±1 %. Допускается вместо напряжения U x подставлять величину, равную 1,11 f/ cp при = 1,11±0,02.
8.3 Для исключения влияния искажений формы кривой магнитного потока на результат измерения магнитных потерь проводят корректировку, основанную на том, что магнитные потери равны сумме потерь на гистерезис и вихревые токи, причем первая величина не зависит от искажений формы кривой магнитного потока, а вторая - пропорциональна квадрату коэффициента формы кривой напряжения на обмотке II образца.
8.3.1 При отличии значения коэффициента формы кривой напряжения Аф от 1,11 более чем на ±1 % удельные магнитные потери для синусоидальной формы кривой магнитного потока P yjLC9 Вт/кг, рассчитывают по формуле
^уд.с ^уд I 1 ^г)
UlJ J ’
где Руд- удельные магнитные потери, Вт/кг;
а,. - отношение удельных магнитных потерь на гистерезис к удельным магнитным потерям.
8.3.2 Коэффициент формы кривой напряжения должен быть в интервале 1,08-1,16 при измерении удельных магнитных потерь и 1,09-1,13 - при измерении действующего значения напряженности магнитного поля.
8.3.3 Значение величины 04. выбирают из таблицы 5.
Таблица 5
Допускается величину а, рассчитывать по магнитным потерям, измеренным при двух значениях коэффициента формы кривой напряжения и постоянных значениях амплитуды магнитной индукции и частоты, по формуле
(Лд ~ Ла)" ^\
(*V^i)Л,.’
где Р и 1 и Р и1 - магнитные потери, соответствующие А ф1 и К^ г, определенные, как указано в 8.1, Вт; Аф, = 1,11 ±0,05.
Магнитные потери Р м2 , Вт, измеряют, как указано в 7.1.1 - 7.1.4, при включении в намагничивающую цепь резистора, для которого разность (Аф 2 - Л^) должна быть более 2 %.
8.3.4 При отклонении частоты перемагничивания/, Гц, от номинальной/ ном, Гц, рассчитывают поправку на магнитные потери Д P f , Вт, по формуле
N fw»i f Д Pf-- f
Поправку Д Pf вводят при частоте f mtt = 50 Гц и отношении
в интервале от ±0,5 до ±2,0 %.
8.4 Удельные магнитные потери Р уд, Вт/кг, в листовом образце рассчитывают по формуле
где т ь W x , W b г 2 , г э, Р и и U x - см. формулу (15);
Р я - магнитные потери в ярме, Вт, при амплитуде магнитного потока Ф я, Вб, рассчитываемой по формуле
Фя - 2 ‘ Ртах ■ S >
где - амплитуда магнитной индукции, Тл;
S - площадь поперечного сечения образца, м 2 .
Для синусоидальной формы кривой магнитного потока удельные магнитные потери Р^, Вт/кг, рассчитывают по формуле (16).
8.5 Действующее значение напряженности магнитного поля Н, А/м, рассчитывают по формуле
Иж!Я % (21 >
где / ср - длина магнитной силовой линии, определяемая, как указано в 5.9, м;
/ - намагничивающий ток, А; fVj - число витков обмотки I образца.
8.6 Погрешность измерения удельных магнитных потерь образцов из полос и кольцевой формы не должна выходить за пределы ±2,5 % при частоте перемагничивания от 50 до 400 Гц и ±5 % - при частоте, превышающей 400 Гц; листовых образцов - ±3 %.
8.7 Погрешность измерения действующего значения напряженности магнитного поля не должна выходить за пределы ±5 %.
УДК 669.14.001.4:006.354 МКС 77.040.20 В39 ОКСТУ 0909
Ключевые слова: сталь электротехническая, метод измерения, потери удельные магнитные, поле магнитное, метод ваттметра и амперметра, образцы, аппаратура, обработка результатов, погрешность измерения
Редактор Г. С. Шеко Технический редактор Л А. Кузнецова Корректор А/. С. Кабашова Компьютерная верстка Е. Н. Мартемьяновой
Изд. лиц. № 021007 от 10.08.95. Сдано в набор 25.12.98. Подписано в печать 01.02.99. Уел. печ. л. 1,40. Уч.-изд. л. 1,07.
Тираж 299 экз. С1827. Зак. 64.
ИПК Издательство стандартов, 107076, Москва, Колодезный пер., 14.
Набрано в Издательстве на ПЭВМ
Филиал ИПК Издательство стандартов - тип. “Московский печатник”, Москва, Лялин пер., 6.
