ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 10, с. 1019-1026
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.1782:537.623
О ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ НА ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ Fe—3% Si
© 2014 г. В. Ф. Тиунов
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: tiunov@imp.uran.ru Поступила в редакцию 15.10.2013 г.; в окончательном варианте — 22.04.2014 г.
На монокристаллах Fe—3% Si исследована частотная зависимость магнитных потерь на вращательное перемагничивание в интервале частот 20—250 Гц и амплитуд индукции 0.25—1.8 Тл. Проведено разделение полных магнитных потерь на их составляющие. Показано, что зависимость полных и вихретоковых потерь в образцах за цикл перемагничивания от частоты вращения поля имеет нелинейный характер при всех исследованных индукциях. Наблюдаемые в работе особенности частотного хода магнитных потерь монокристаллов качественно объясняются динамикой поведения их доменной структуры.
Ключевые слова: железокремнистые сплавы, магнитные потери, вращательное перемагничивание, частотная зависимость.
DOI: 10.7868/S0015323014100155
В настоящее время в литературе имеется сравнительно большое число экспериментальных работ, связанных с исследованием перемагничивания магнитомягких материалов во вращающихся магнитных полях. Причем значительная часть подобных исследований проведена на железо-кремнистых сплавах (Fe—Si) [1—3], наиболее широко используемых для изготовления магнито-проводов различного рода электрических машин, работающих во вращающихся магнитных полях. К настоящему времени имеющиеся работы позволили выявить механизмы перемагничивания данных сплавов при различных амплитудах индукции. В частности, на основе динамики доменной структуры (ДС) были установлены причины немонотонного изменения магнитных потерь от индукции и причины формирования их аномально высоких значений во вращающихся магнитных полях [3]. На основе этого были найдены эффективные пути снижения магнитных потерь на вращательное пе-ремагничивание образцов Fe—Si [4].
В гораздо меньшей степени исследован вопрос о частотной зависимости магнитных потерь во вращающихся магнитных полях. Между тем эти сведения необходимы для поиска путей улучшения функциональных показателей высокоскоростных электродвигателей, обладающих, как известно [5], наибольшей удельной мощностью, т.е.
полезной мощностью, развиваемой единицей массы электродвигателя. Решение данной проблемы весьма актуально, поскольку в настоящее время в связи с резким ростом выпуска электромобилей во всем мире, проблема улучшения качества магнито-проводов электродвигателей и электрогенераторов приобретает важнейшее практическое значение. Кроме этого, исследование частотной зависимости магнитных потерь во вращающихся полях представляет и значительный научный интерес. Проведение подобных работ позволит выявить физику процесса перемагничивания ферромагнетиков при повышенных частотах вращения магнитного поля.
В настоящее время имеется небольшое число работ, например [1, 2, 6], связанных с исследованием частотной зависимости магнитных потерь сплавов Fe—Si во вращающихся магнитных полях. Так, в [1] изучался частотный ход потерь образцов анизотропной и изотропной стали Fe—3% Si в низкочастотном диапазоне 1—22 Гц. Было установлено, что магнитные потери за цикл перемагничи-вания Р/f во вращающихся полях увеличиваются линейно с ростом частоты при всех исследованных в работе индукциях. Отметим, что в отличие от этого, в линейно-поляризованных полях указанная зависимость, имела ярко выраженный нелинейный характер изменения [7]. При этом оказалось, что измеренные значения вращательных по-
терь за цикл перемагничивания образцов намного превышали величину их "классических" потерь, вычисленных в предположении однородного перемагничивания. Исключением являлся случай, когда относительная величина намагниченности /// (/ — намагниченность насыщения образца) была близка к 1. Авторы предположили, что данное расхождение в значениях потерь может быть связано с особенностями поведения ДС исследованных образцов. В работе, однако, ее наблюдения не проводили.
Несколько иные результаты о поведении потерь были получены в [2]. В ней в интервале частот 2.5—150 Гц исследовали частотную зависимость магнитных потерь образцов анизотропной стали Fe—3% Si во вращающихся магнитных полях. Оказалось, что в этом случае вращательные потери за цикл перемагничивания в низкочастотной области f < 20 Гц) растут нелинейно с частотой. При этом их величина при всех исследованных частотах (2.5—150 Гц) превышала сумму измеренных гистерезисных и вычисленных "классических" вихретоковых потерь, в предположении однородного перемагничивания ферромагнетика. Это превышение авторы назвали "дополнительными" потерями и связали их возникновение также с наличием в образцах ДС. В [6] исследовали динамику ДС монокристаллов Fe—3% Si в частотном диапазоне 20—100 Гц, но, к сожалению, потери измеряли лишь на трех фиксированных частотах 20, 50, 100 Гц. В связи с этим авторам не удалось проследить за особенностями изменения частотного хода магнитных потерь при вращательном пере-магничивании образцов.
Таким образом, в имеющихся работах получены противоречивые результаты о частотном ходе потерь. Отсутствие сведений о динамике ДС не позволяет надежно установить причины наблюдаемого расхождения в поведении магнитных потерь от частоты. Кроме того, исследования проводили на образцах из изотропной и анизотропной стали разной степенью текстурованности, что также затрудняет исследование связи поведения ДС и магнитных потерь образцов. Выявить наиболее корректно указанную связь возможно лишь на монокристаллических образцах Fe—3% Si. При этом правильнее сопоставлять динамику ДС не с полными потерями, а с их вихретоковой составляющей, величина которой существенным образом зависит от поведения ДС образцов.
Исходя из сказанного, в настоящей работе исследована частотная зависимость полных и вих-ретоковых магнитных потерь в монокристаллах Fe—3% Si в широком интервале изменения индукции (0.25—2.0 Тл) и частоты вращения поля (20—250 Гц). Полученные результаты обсуждают-
ся на основе имеющихся наблюдений динамики ДС монокристаллических образцов, перемагни-чиваемых во вращающихся магнитных полях
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Исследования проводили на двух образцах Бе—3% 81 в форме дисков диаметром 18.0 мм толщиной 0.30 мм (обр. 1) 0.25 мм (обр. 2). Их вырезали электрохимическим способом из одного большого монокристалла, поверхность которого совпадала с кристаллографической плоскостью типа (001)[ 110]. После этого образцы шлифовали и полировали алмазными пастами и для снятия механических напряжений отжигали в вакууме Р = 2—7 х х 10-6 мм рт. ст. при Т = 1050°С в течение 2.5 ч с последующим охлаждением вместе с печью до комнатной температуры.
ДС монокристаллов выявляли меридиональным Керр-эффектом, а ее вид регистрировали с помощью цифровой фотокамеры. На образцах снимали кривые намагничивания В = /(И) во вращающемся поле, которое создавали 2 парами ортогонально размещенных друг к другу С-образных электромагнитов. Величину магнитных потерь во вращающемся магнитном поле измеряли по моменту пары сил, действующих на образец при вращении его с круговой частотой ю = 2п/ (/ = 20—250 Гц) в поле электромагнита при различных напряженностях магнитного поля Н. Далее строили зависимости магнитных потерь от величины индукции Р = /(Вт). Подробно методика подобных измерений описана в [8]. Погрешность измерения индукции составляла около 8%, погрешность определения магнитных потерь при всех условиях перемагничивания образцов не превышала 12%.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На исследуемых образцах при разных частотах перемагничивания измеряли зависимости изменения полных потерь Р на вращательное перемаг-ничивание от амплитуды индукции Р = /(Вт). Далее из этих зависимостей при различных амплитудах индукции строились кривые изменения потерь от частоты перемагничивания Р = /(/). Наиболее полно эти зависимости были исследованы на образце № 1. Для выявления воспроизводимости полученных результатов подобные зависимости частично исследовали и на образце № 2.
Рассмотрим некоторые особенности изменения потерь от индукции, которые будут необходимы для анализа последующих результатов. На рис. 1 приведена в качестве примера зависимость магнитных потерь от амплитуды индукции, изме-
Р Вт/кг 1.2 -
0 0.5 1.0 1.5 2.0
В, Тл
Рис. 1. Зависимость полных магнитных потерь образца № 1 от индукции (/ = 20 Гц). А — исходный вид доменной структуры образца № 1.
ренная на образце № 1, перемагничиваемом во вращающемся магнитном поле с частотой вращения 20 Гц. Видно, что с ростом индукции потери непрерывно растут, достигая максимума при индукции, близкой к 1.6 Тл. Затем по мере увеличения индукции потери снижаются. Подобный характер изменения потерь от индукции наблюдался ранее как на моно-, так и на поликристаллических образцах Бе—3% 81 [2, 3, 6]. При этом было установлено [3, 6], что причины немонотонного поведения потерь и их аномально высоких значений обусловлены особенностями динамической перестройки ДС, которые были выявлены в данных работах. В настоящей статье динамику ДС образцов не исследовали, а для качественного обсуждения частотной зависимости потерь использовали детальные сведения о ее поведении, полученные нами ранее, например, [3, 6, 9]. В связи с этим, для удобства изложения последующих результатов, рассмотрим кратко наиболее характерные особенности динамики ДС во вращающихся магнитных полях. ДС исследованных образцов состояла (рис. 1А) из относительно крупных полосовых доменов, намагниченных вдоль оси [001] и разделенных 180° границами. Кроме того на поверхности выявлялось большое число сравнительно мелких замыкающих доменов вблизи краев образца, ориентированных под углом 55°—60° к полосовым. Замыкающие домены компенсируют магнитный поток на поверхности образца магнитный поток внутренних С-доменов с намагниченностью, направленной вдоль кристаллографических осей [010] и [100]. Модельные
Рис. 2. Часто
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.