^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.1783:537.623
ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ ШИХТОВАННЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ
© 2015 г. В. И. Пудов, Ю. Н. Драгошанский
Институт физики металлов УрО РАН 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 e-mail:pudov@imp.uran.ru; drago@imp.uran.ru Поступила в редакцию 11.11.2014 г.; в окончательном варианте — 26.12.2014 г.
Разработаны методы оптимизации магнитной доменной структуры и функциональных характеристик электротехнической анизотропной стали на основе Fe—Si сплава и шихтованных магнитопро-водов трансформаторов. Применение эффективного комплекса на основе локальной лазерной обработки и нанесения магнитоактивных электроизоляционных покрытий обеспечило значительное снижение магнитных потерь в листах стали (на 18—22%) и в магнитопроводах трансформаторов (на 9-14%).
Ключевые слова: шихтованный магнитопровод, электротехническая сталь, магнитные домены, магнитные потери, лазерная обработка, локальное давление.
DOI: 10.7868/S001532301506008X
ВВЕДЕНИЕ
Электротехнические стали на основе кремнистого железа широко применяются в качестве магнитопроводов, эксплуатируемых в переменных магнитных полях. Объемы их производства значительны, а изделия из них, например, электрогенераторы и силовые трансформаторы, работают в непрерывном режиме в течение десятков лет. По этой причине уровень их магнитных характеристик в значительной мере определяет возможности энерговооруженности страны в целом. В то же время при передаче электрической энергии потребителям в процессе перемагничивания этих материалов теряется почти 3% всей вырабатываемой электроэнергии. Поэтому улучшение их электромагнитных свойств является актуальной проблемой.
В современных анизотропных электротехнических сталях создание острой ребровой (110) [001] кристаллографической и магнитной текстуры обеспечивает повышение магнитной индукции. Для этого использованы обычные металлургические методы прокатки и рекристаллизационных отжигов стали, создающие одноосную текстуру при оптимальных химическом составе, пластич-ности,толщине ленты и наименьшем содержании вредных примесей и неоднородных внутренних напряжений. Это соответствует минимуму полных магнитных потерь в заданном режиме пере-магничивания. Однако при этом формируются крупные кристаллиты (до 50 мм), широкие поло-
совые 180-градусные магнитные домены, проходящие из зерна в зерно. Как следствие этого, при перемагничивании материала возрастают скорости движения доменных границ и вихретоковые (Рв) магнитные потери (до 80% от полных).
Кроме того, в процессе изготовления магнито-провода существенно возрастает и гистерезисная составляющая магнитных потерь (на 15—25%), по сравнению с ее величиной в листовом материале. Это связано с тем, что в отдельных участках сочленяемых элементов конструкции магнитопро-вода магнитный поток отклоняется от направления легкого намагничивания, задаваемого направлением прокатки стального рулона. Это приводит к увеличению магнитных потерь и рассеянию магнитного потока в зазорах при переходе в соседние пластины магнитопровода. Как показано, например, для различного типа шихтованных силовых трансформаторов броневого типа мощностью 100—250 кВА [1], магнитные потери в магнитопроводах оказываются на 40—45% выше, чем в исходном материале — в рулонах анизотропных электротехнических сталей (сплав Бе—3% 81).
Таким образом, решение этих проблем требует комплексного подхода, направленного на разработку разных способов и технологий: оптимизацию кристаллической и магнитной структур при производстве рулонной стали [2—4] и отдельных элементов при изготовлении магнитопровода. При этом энергетически оправдано снижение магнитных потерь в стали на конечных этапах из-
готовления электротехнических изделий. В частности, необходимо обеспечение лучшего прохождения магнитного потока в сочленяемых элементах конструкции магнитопровода. Такой подход, выполняемый через оптимизацию размерных и динамических параметров магнитной доменной структуры и в материале, и в элементах конструкций изделия, позволит обеспечить существенное превышение суммарного результата, достигаемого на отдельных этапах обработки материала и изготовления электротехнических устройств.
Данная работа направлена на решение вышеуказанных задач.
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Оптимизацию размерных и динамических параметров основных 180-градусных магнитных доменов и уровня электромагнитных свойств электротехнических анизотропных сталей (сплав Ре-3%81) выполняли на тонколистовом материале заводского производства марки 3408 [5]. Образцы имели крупное зерно ~40 мм и одноосную кристаллографическую текстуру (110) [001] с ориентацией осей легкого намагничивания [001] в каждом зерне в плоскости ленты вдоль направления прокатки. Вдоль этого направления вырезали отдельные элементы магнитопровода и составляли из них че-тырехслойное ярмо при толщине 0.27 мм и поперечном сечении 0.08 см2 каждого элемента. Полные удельные магнитные потери Р17/50 (при индукции 1.7 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц) измеряли в замкнутой магнитной цепи измерительной установки МК-4Э [6]. Относительная погрешность измерений составляла 4%. Магнитную доменную структуру наблюдали с помощью методов порошковых суспензий и магнитооптического эффекта Керра.
Для снижения магнитных потерь оптимизацию магнитной доменной структуры стали и, прежде всего, уменьшение ширины полосовых доменов проводили не в рулоне, а непосредственно на отдельных элементах шихтованного магнитопрово-да. Элементы вырезали из рулона вдоль направления прокатки и отжигали для снятия наклепа от резки. Это позволило в уже отожженных элементах магнитопровода сохранить положительный эффект последующих деформационно-текстуру-ющих воздействий. Уменьшение ширины доменов полосовых элементов за счет их растяжения обеспечивали вначале нанесением неорганического магнитоактивного электроизоляционного покрытия на основе магний-фосфатов [7, 8] с малым коэффициентом теплового линейного расширения ~6 х 10-6 град-1, существенно меньшим КТЛР стали (13 х 10-6 град-1). Покрытие наносили при температуре 800°С. При охлаждении до
комнатной температуры в композите возникало плоскостное растяжение металла с преобладанием, вследствие анизотропии его магнитоупругих констант, продольной составляющей ~0.6-0.8 кг/мм2.
Дальнейшее снижение ширины полосовых доменов в отдельных элементах магнитопровода обеспечивали с помощью электро-ионизацион-ного импульсно-периодического СО2-лазера (X = = 10.6 мкм) мощностью излучения 1500 Вт, с постоянной регенерацией газа. Излучение лазера с помощью цилиндрической оптики переводили в прямую линию, наносимую на всю ширину стальной полосы одномоментно [9].
Быстрый нагрев и охлаждение в узких зонах тепловой деформации лазером вызывали сжатие образца в этих зонах и растяжение в межзонных промежутках, появление локальных магнитных полей рассеяния и клиновидных 180-градусных замыкающих доменов - зародышей перемагни-чивания. Узкие зоны лазерного воздействия при обработке ориентировали поперек направления прокатки в продольных элементах магнитопровода. В результате в этих элементах магнитопровода было обеспечено уменьшение ширины полосовых продольных 180-градусных доменов типа А (рис. 1а) в ~3 раза. Это дробление доменов привело к значительному снижению магнитных потерь в материале.
Эффект возрастал с ростом степени совершенства текстуры материала и в высоко тексту-рованных отдельных элементах магнитопровода (В800 ~ 1.90 Тл) достигал 18-20%. Аналогичный эффект был получен ранее на поперечно обработанных лазером полосах стали марок 3408-3410, 3424-3425 толщиной 0.08-0.35 мм [4, 10].
Влияние электроизоляционного покрытия (ЭП), локальной лазерной обработки (ЛЛО) и комбинированного воздействия (ЭП + ЛЛО) на величину магнитных потерь Р17/50 элементов магнитопровода из стали марки 3408 с разным уровнем магнитных потерь (сорта А и Б) показано в табл. 1.
В замкнутых шихтованных магнитопроводах (рис. 2), в отдельных участках которых магнитный поток вынужденно отклоняется на угол 90 градусов от направления текстуры материала [001], в целях эффективного снижения магнитных потерь требуется кубическая (100) ориентация поверхности стали. При этом вблизи поверхности содержится два взаимно перпендикулярных направления легкого намагничивания [010] и [001]. Тогда во всех участках прямоугольного замкнутого шихтованного магнитопровода, включая и угловые участки, намагниченность доменов и их 180-градусные границы ориентируются вдоль этих двух направлений легкого намагничивания (рис. 3а), создавая меньшие затраты при перемагничивании изделия. Однако получение электротехнической
(а)
/-ГТТ
(б)
[001]
Рис. 1. Схема распределения магнитной доменной структуры элементов магнитопровода шихтованного броневого трансформатора в участках магнитного потока, ориентированного вдоль направления прокатки [001] (а) и отклоненного от него на ±90 градусов (б). Стрелками указана ориентация намагниченности в доменах, сплошными линиями на поверхности — зоны лазерного воздействия, пунктирными — границы доменов.
стали с кубической текстурой технически сложно и требует больших финансовых затрат. Поэтому замкнутые магнитопроводы, как правило, изготавливают из стали с одноосной ребровой (110)[001] кристаллографической текстурой. В этом случае в целях снижения магнитных потерь требуется перестройка доменной структуры типа А в структуру типа Б (см. рис. 1), чтобы также обеспечить прохождение магнитного потока по всему объему маг-нитопровода вдоль направлений легкого намагничивания.
Эту перестройку доменов с ориентацией намагниченности вдоль направлений легкого намагничивания [010] и [100] в соответствующих участках элементов магнитопровода обеспечивали продольным ступенчатым расположением лазерных зон (см. рис. 2). Сжимающие напряжения продольно расположенных зон вызывали поперечное растяжение межзонных промежутков, делая предпочтительным поперечную ориентацию намагниченности по соответствующим [010] и [100] направлениям легкого намагничивания [11, 12] .
Такая
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.