PIERDERI SPECIFICE ÎN FERROMAGNE
Rezistența este studiată pentru aliaje de ferosiliciu în funcție de densitatea dislocațiilor și de concentrația domeniilor. Se studiază utilizarea pierderilor specifice pentru inducerea magnetizării în 1,0 și 1,5 T pentru aliajele de fier-siliciu Fe-4% Si și Fe-6,5% Si. Sunt prezentate informațiile practice necesare, datele comparative și rezultatele testelor care pot fi utilizate pentru a selecta tehnologia de fabricație necesară. Tehnologia inovatoare dezvoltată a circuitelor magnetice poate fi aplicată într-o soluție tehnică pentru fabricarea sistemelor magnetice de diverse produse electrice.
Unitățile electrice, cum ar fi generatoare, motoare, sistem generator de motor, transformatoare, amplificatoare magnetice și electromagneți contactoare startere magnetice sarcină principală este de a distribui, amplificarea și transformarea energiei electromagnetice. Aceasta necesită utilizarea în sistemele magnetice pentru materiale cu pierderi reduse și inducție de saturație ridicată. Aceste cerințe sunt îndeplinite cel mai bine de aliajele de fier-siliciu.
Dopajul cu siliciu, care formează o soluție solidă de substituție cu fier, determină o creștere a rezistivității electrice. Influența siliciului asupra rezistenței electrice specifice este determinată de următoarea formulă empirică aproximativă [1]:
Aliajele de fier-siliciu cu valori scăzute ale rezistenței electrice specifice nu găsesc aplicații largi chiar și în cazul tehnologiei cu frecvență joasă din cauza valorilor crescute ale curenților turbionari. Mărimea și direcția curenților turbionari, pe lângă dimensiunile miezului magnetic, sunt afectați de rezistența electrică specifică, frecvența curentului electric și permeabilitatea magnetică. Corespunzător, curenții turbionari cauzați de inversarea magnetizării materialelor magnetice afectează pierderile electrice specifice.
Rafinarea formulei calculate
Formulele moderne pentru calcularea pierderilor specifice dau anumite erori. Să luăm în considerare exemplele.
A fost făcută o încercare de a calcula pierderile specifice pentru curenții turbionari într-un feromagnet în 1926. Vvedensky [2]. El a propus următoarea formulă:
unde d este grosimea plăcii;
ω este frecvența ciclică;
q este conductivitatea magnetică.
Cu toate acestea, formula (2) determină foarte mult pierderile specifice pentru curenții turbionari. Greselile lui Vvedensky au constat în faptul că valoarea conductivității magnetice q trebuie introdusă în numerotator și nu în numitor. În plus, în numărător a fost necesar să se introducă valoarea frecvenței ciclice nu în primul grad, dar în al doilea, adică w 2. și în numitor a fost necesar să se ia în considerare valoarea densității materiale.
Interesul pentru determinarea pierderilor specifice materialelor magnetice a apărut în legătură cu posibilitatea aplicării lor largi în crearea de oțel electric laminat la cald pentru mașinile electrice. După ce Goss [3] a descoperit proprietăți magnetice mari în oțelul electric laminat la rece de-a lungul direcției de rulare în 1935, interesul pentru studierea pierderilor specifice a crescut. În anii următori, cercetarea este intensificată pentru a îmbunătăți caracteristicile electrice ale oțelului.
Prima primă aproximație semi-fenomenologică pentru calcularea pierderilor totale într-un feromagnet conductor în 1937 a fost dată de Elwood și Legg [4]:
unde B este o constantă pentru o valoare dată a aliajului;
μ este permeabilitatea magnetică;
C este o cantitate independentă de B0 și w.
Verificarea experimentală a arătat că Elvuda și eroarea Legg rezidă în faptul că, în afară de greșelile care au fost făcute în Vvedenskii semiphenomenological ecuația aproximativă (3) a fost necesar pentru a introduce valorile densității materialului și a forței de constrângere. Parametrii introduși B0 3 și μ 3 din ecuația (3) denaturează suplimentar rezultatele de calcul.
Formula de mai sus (3) nu ia în considerare teoria dislocării proprietăților magnetice ale materialelor. Mishin [5] a dat o relație mai precisă între determinarea pierderilor de energie și a magnitudinilor fizice în timpul inversării magnetizării unui feromagnet:
unde este constanta magnetostrictiva;
l este grosimea medie a segmentului de dislocare;
δ este grosimea structurii domeniului;
în vectorul Burgers;
N este densitatea de dislocare;
S este zona de trecere a limitelor de domeniu;
n este numărul de domenii dintr-un volum unitar al unui feromagnet.
Această dependență ia în considerare absorbția energiei de către pereții domeniului îndoiți sub acțiunea câmpului elastic cu segmente de dislocare, însă componenta de histerezis a pierderilor nu este luată în considerare și rezistența electrică specifică a materialului nu este luată în considerare. Cu toate acestea, această dependență face posibilă determinarea pierderilor de energie din cantități fizice și nu permite determinarea practică a pierderilor specifice pe materiale magnetice industriale, în funcție de valorile tehnice.
Cercul [6] a propus o formulă practică pentru calculul tehnic al pierderilor electrice specifice pentru curenții turbionari. El, însumând o multitudine de circuite electrice închise, a luat în considerare pierderile de-a lungul tuturor contururilor și a dat următoarea expresie:
unde Bm este amplitudinea inducției magnetice, T;
f - frecvența curentului alternativ, Hz;
d este grosimea plăcilor, mm;
kf este coeficientul formei curbei de inducție magnetică;
γ - densitatea materialului plăcii, kg / m3;
ρ este rezistența electrică specifică a materialului plăcii, Ohm × m.
Aplicând formula (5), rezultatele calculelor practice devin subestimate în medie cu patru ordine de mărime, adică în 10 de 4 ori.
Cu toate acestea, cu formula generală (5) a fost pe deplin dezvăluite în unități SI și a corespuns aproximativ parametrilor efectivi ai pierderi datorate curenților turbionari, este necesar să se înlocuiască în grosimea plăcii de formula în metri și să elimine coeficientul de 10 -10. și anume
De la operație Druzhinin [1] este cunoscut faptul că pierderea de histerezis este proporțională cu pătrat statistic buclă de histerezis frecvenței magnetizare inversare și invers proporțională cu densitatea materialului plăcii și se determină din următoarea expresie:
unde S este zona ciclului de histereză statică, T.a./m.
Prin transformarea bucla de histereză drept dreptunghi, aria ciclului de histereză statică poate fi determinată aproximativ prin următoarea formulă simplă:
unde Hc este forța coercitivă.
Prin urmare, pierderile specifice de histerezis, luând în considerare formula (8), pot fi determinate prin următoarea formulă:
După determinarea componentelor pierderii conform formulelor (6) și (9), se pot găsi pierderile totale totale pentru inversarea magnetizării materialelor magnetice moi:
unde Hc - valoarea forței coercitive este dată fără a lua în considerare densitatea dislocațiilor și concentrația domeniilor.
Pe forța coercitivă, pe baza teoriei dislocării moderne a proprietăților magnetice ale materialelor, este afectată interacțiunea domeniului și a structurilor de dislocare. În acest caz, forța coercitivă poate fi reprezentată sub forma: [7]
Aici K este constanta anizotropiei magnetice; δ este grosimea peretelui de domeniu; μ0 este constanta magnetica, μ0 = 4p × 10-7 HN / m; IS este magnetizarea spontană; D este diametrul cristalitului; N este densitatea curentă de dislocare; N0 este densitatea maximă de dislocare; c1 - constantă pentru raportul de densitate a dislocării; n este concentrația actuală a domeniilor; n este concentrația maximă a domeniilor; c2 - constantă pentru raportul dintre concentrația domeniilor.
În consecință, în final, pierderile totale totale, luând în considerare formula (11), pot fi reprezentate de următoarea formulă.
Rezistența electrică specifică a materialului magnetic este o cantitate sensibilă din punct de vedere structural, scriem ecuația dependenței rezistivității electrice de densitatea dislocațiilor și concentrația domeniilor în următoarea formă, ținând cont de ecuația (1):
unde v este coeficientul, v = 0,1. 0,9;
q este o constantă pentru raportul densitate de dislocare;
ε este o constantă pentru raportul dintre concentrația domeniilor.
Rezistența electrică specifică a materialului magnetic este afectată de interacțiunea domeniului și structurilor de dislocare.
Obiecte și metode de cercetare
Teste pentru determinarea rezistivității electrice specimenelor circulare au fost supuse aliajele Fe-4% Si și Fe-6,5% Si de lungime 65 x 10 -3 m diametru 6+ 0,2 x 10 -3 m, tehnologia de fabricație, care se realizează conform metodei [8]. Eșantionarea a fost efectuată în conformitate cu GOST 20559.
Măsurarea rezistenței electrice specifice a fost efectuată în conformitate cu metoda descrisă în GOST 25947. Dispozitivul a utilizat un potențiometru de curent continuu tip P-4833 cu o limită de măsurare de la 1 × 10 -2 la 1 × 10 4 Ohm. Clasa de precizie a instrumentului a fost de 0,05.
Metoda de măsurare constă în trecerea prin aliaj a unui curent electric constant și determinarea căderii de tensiune la o porțiune cunoscută a lungimii sale. Rezistența electrică specifică a fost calculată prin formula:
unde U este căderea de tensiune între contacte, B;
S este aria secțiunii transversale a probei, mm 2;
I este curentul care trece prin eșantion.
L este distanța dintre contacte.
Studiul și modificarea defectelor structurale au fost efectuate prin iradierea probelor cu raze gama de elemente radioactive cu lungimea de undă cuprinsă în intervalul 1 × 10 -1 ¸3 × 10 -3 nm. În acest scop, a fost utilizat un aparat staționar de raze X de tip TUR-D-1500 cu o energie de radiație de 150 keV.
Studiile metalografice, precum și înregistrarea structurii dislocare a fost realizată la microscop metalografic MIM-8 și „Neofot-32“, și utilizat pentru controlul microscop electronic dislocare BS-613 cu o tensiune de accelerare de 100 kV.
Obiectele pentru studierea pierderilor electrice specifice au fost probe de 0,28 m lungime, lățime 0,03 m, grosime 0,5 × 10 -3 m. Caracteristicile au fost luate pentru o amplitudine de inducție dată de 1,0 și 1,5 T. Eroarea a fost de 3%.
Determinarea pierderilor electrice specifice a fost efectuată în conformitate cu GOST 12119 pe o mașină mică Epstein (probe cântărind 1 kg) la o frecvență industrială scăzută de 50 Hz. Aparatul utilizat în kit cu următoarele instrumentație: wattmetru electronic F-585, PP-sunet generatorului 34, un milivoltmetru electronic F-564 și tubul milivoltmetru OT-38.
Pentru fizica materialelor magnetice, este de interes teoretic să studiem efectul densității de dislocare asupra rezistenței electrice specifice.
Testele experimentale au arătat că rezistența electrică specifică a probelor cu o măsurătoare de înaltă precizie este sensibilă structural la apariția defectelor din ele. Cu o creștere a densității de dislocare, rezistența electrică specifică crește corespunzător. Cu o creștere a densității de dislocare cu o singură ordine de la 6 × 10 11 la 6 × 10 12 m -2, rezistivitatea electrică crește pentru o probă de aliaj Fe-4% Si de la 0,9 la 2,2 ohm × m, adică De 2,4 ori și pentru o probă de aliaj Fe-6,5% Si de la 1,2 la 2,6 ohm × m, adică de 2,3 ori.
De interes practic este determinarea dependenței pierderilor specifice de densitatea dislocațiilor și a conținutului cantitativ de siliciu la diferite inducții de magnetizare. Influența structurii de dislocare asupra pierderilor specifice a fost studiată în câmpuri magnetice alternante cu frecvența industrială de 50 Hz. În figură, coordonatele logaritmice arată rezultatele măsurării pierderilor specifice ca funcție a densității de dislocare. Cu o creștere a densității de dislocare ordinul unu până la 2 × 10 noiembrie și 10 decembrie 2 x m -2 creșteri specifice de pierdere în următoarele intervale: o probă de Fe-4% Si aliajul la o inducție magnetică de 1,5 T la 3,3 la 9, 0 W / kg, adică de 2,7 ori, pentru o probă a aliajului Fe-6,5% Si cu o inducție magnetică de 1,5 T de la 1,8 la 5,8 W / kg, adică în 3,2 ori; pentru o probă de aliaj Fe-4% Si cu o inducție magnetică de 1,0 T de la 1,2 la 3,6 W / kg, adică De 3,0 ori pentru o probă de aliaj Fe-6,5% Si cu o inducție magnetică de 1,0 T de la 0,7 la 2,4 W / kg, adică de 3,4 ori.
Studiul efectului concentrării domeniului asupra rezistivității electrice nu are nici un interes practic. Cu o creștere a concentrației de domenii de la 6 × 10 4 la 6 × 10 5 m -2, rezistența electrică specifică scade pentru o probă de aliaj de Fe 4% Si de la 2,3 × 10 -6 la 0,37 × 10 -6 Ω × m, și anume de 6,1 ori și pentru o probă a aliajului Fe-6,5% Si de la 3,45 × 10-6 la 0,65 × 10-6 Ω × m, adică în 5,3 ori.
Fig. 1. Dependența pierderilor electrice specifice ale aliajelor de fier-siliciu asupra densității de dislocare pentru diferite inducții de magnetizare
1-Fe-4,0% Si (1,5 T); 2-Fe-6,5% Si (1,5 T);
3-Fe-4,0% Si (1,0 T); 4-Fe-6,5% Si (1,0 T);
Discutarea rezultatelor experimentale
Modificarea concentrației defectelor din material poate fi evaluată indirect prin modificarea rezistivității electrice.
Esența fizică a fenomenului examinat este după cum urmează. Sub influența câmpului electromagnetic, dislocările se relaxează, care diferă brusc sub formă de oscilații sinusoidale armonice. Miscarea intensa intr-un metal de electroni liberi duce la disiparea energiei de la coliziuni elastice cu dislocatii si la excitarea acesteia din urma. Acestea din urmă inhibă trecerea electricității prin metal, mărind astfel rezistivitatea electrică. Prin urmare, apariția în aliaj a oricărui tip de dislocații conduce la o creștere a rezistenței electrice specifice, scăderea lor reducând rezistența electrică specifică. Astfel, cu o creștere a densității de dislocare cu o ordine de mărime, rezistivitatea electrică crește pentru o probă a aliajului Fe-4% Si cu un factor de 2,4 și pentru proba Fe-6,5% Si cu un factor de 2,3.
Creșterea pierderilor specifice se datorează creșterii densității de dislocare. Cu toate acestea, cu o creștere a densității de dislocare, ceea ce duce la o deteriorare a structurii, deplasarea pereților domeniului, care apar la inducerea de magnetizare mai mică, devine mai dificilă. Pe procesele de rotație a pereților de domenii care apar la inducția de magnetizare mare, o asemenea creștere a densității dislocațiilor se reflectă cu o multiplicitate mai mică. Prin urmare, dacă structura aliajului se deteriorează datorită unei densități crescute de dislocare, creșterea pierderilor P10 / 50 are loc cu o multiplicitate mai mare decât pentru pierderile P1.5 / 50.
Luați în considerare efectul concentrării domeniului asupra pierderilor specifice. Datele de mai sus prezentate în [9, 10] sunt contradictorii. Conform datelor din [9], în tijă pătrată erau doar două domenii. Pierderile de curenți turbionari au fost de câteva ori mai mari decât cele calculate fără participarea structurii de domeniu a eșantionului. În conformitate cu [10], au existat patru domenii în grosimea foii. Pierderea de energie din curenții turbionari a fost de 1,5 ori mai mare decât cea calculată de formula binecunoscută (5).
investigații sistematice au arătat că odată cu creșterea concentrațiilor de domenii pe aceeași ordine a rezistenței electrice specifice scade pentru o probă dintr-un aliaj de Fe-4% Si de 6,1 ori, iar proba de Fe de 6,5% Si 5,3 ori mai mare decât în agregatul rezultatele la o inducție de 1,0 Tesla magnetizare pentru a crește scurgerile electrice specifice pentru un eșantion dintr-un aliaj de Fe-4% si 3,0 ori, și o probă dintr-un aliaj Fe-6,5% si de 3,4 ori, iar la inducție magnetizarea a 1,5 T la o creștere a pierderii specifice pentru o probă de aliaj de Fe 4% Si de 2,7 ori și pentru o probă de aliaj de Fe-6,5% Si de 3,2 ori.
1. Formula calculată pentru pierderile specifice pentru materialele magnetice este derivată ca o funcție a densității dislocațiilor și a concentrației domeniilor.
2. Sa determinat că creșterea densității de dislocare ordinul unei rezistențe electrice specifice este crescută pentru un eșantion de aliaj Fe-4% Si de 2,4 ori pentru specimenul Fe-6,5% Si de 2,3 ori, în timp ce creșterea concentrației de domenii una ordinea descrescătoare a rezistivității electrice a aliajului probei Fe-4% Si de 6,1 ori pentru specimenul Fe-6,5% Si de 5,3 ori mai mare decât în agregatul care rezultă în inducerea magnetizarea 1,0 T o creștere a pierderii specifice pentru o probă de aliaj de Fe 4% Si cu un factor de 3,0, pentru o probă de aliaj de Fe-6,5% Si de 3,4 ori și prin magnetizare prin inducție O creștere a pierderilor specifice pentru o probă de aliaj de Fe-4% Si a fost crescută cu un factor de 2,7, pentru o probă de aliaj de Fe-6,5% Si de 3,2 ori.
Vă aducem la cunoștință jurnale publicate în editura "Academia de Istorie Naturală"
(Factor de impact ridicat al RINC, subiectul jurnalelor acoperă toate domeniile științifice)
Probleme moderne ale științei și educației
Jurnal științific electronic ISSN 2070-7428 | E. FS77-34132
Serviciul de asistență tehnică - [email protected]
Secretarul executiv al revistei Bizenkov M.N. - [email protected]
Materialele revistei sunt disponibile sub licența Creative Commons "Attribution" 4.0 World.