История электротехники - Коллектив авторов

Огромное значение в исследовании магнитных материалов имели работы В.К. Аркадьева и его школы [10.23]. Еще в 1913 г. В.К. Аркадьев создает учение о магнитодинамике, которое имело большой научный интерес в связи с изучением атомных и ядерных процессов. Под руководством В.К. Аркадьева были решены вопросы, связанные с магнитной проницаемостью, позволившие исследовать характеристики магнитных материалов, проводить расчет магнитных цепей и создать основы магнитной спектроскопии, имеющей широкое применение в современной радиоэлектронике.

Фундаментальные основы технического намагничивания были исследованы в работах советских ученых, и в первую очередь Н.С. Акулова [10.25], который в 1928 г. открыл закон магнитной анизотропии ферромагнитных кристаллов, при помощи которого он впервые дал теоретическое объяснение кривых намагничивания, кривых магнитострикции, термо-, гальвано- и магнитоупругих явлений. Закон анизотропии позволил понять роль текстуры в ферромагнетиках и на годы определил развитие науки и техники магнитных материалов. Н.С. Акулов показал, что обменные силы, ответственные за самопроизвольную намагниченность, не объясняют природу магнитной анизотропии, кривых намагничивания и гистерезиса. Магнитная анизотропия по Н.С. Акулову объясняется магнитным спин-орбитальным взаимодействием. Магнитокристаллическая анизотропия и магнитострикция являются свойствами, от которых в значительной степени зависит кривая намагничивания. Согласно правилу Акулова — Кондорского высокую магнитную проницаемость могут иметь ферромагнетики, у которых константы анизотропии и магнитострикции малы [10.24].

Дальнейшее развитие теория ферромагнетизма нашла в работах Е.И. Кондорского [10.26]. В частности, он впервые показал зависимость коэрцитивной силы от формы частиц ферромагнитного тела, разработал теорию зародышей, теории обратимых процессов смещения и др.

Работы С.В. Вонсовского [10.29] позволили уточнить критерии ферромагнетизма, теории высокой коэрцитивной силы, квантово-механической теории магнитострикции и др.

10.4.1. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

На протяжении многих лет для массивных магнитопроводов применялась конструкционная низкоуглеродистая сталь марки Ст10 с содержанием углерода 0,1%. Требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели к разработке технически чистого железа, соответствующего марке «армко» в США, Швеции и других странах [10.28, 10.32].

Промышленные опыты по производству железа «армко» были проведены на заводе им. А.А. Андреева в конце 1932 г. Развитию производства этого железа в значительной степени способствовали исследования, проведенные в 1933 г. на московском заводе «Серп и молот», который с тех пор является основным поставщиком высококачественного технически чистого железа.

Впервые в СССР технология производства специальной низкоуглеродистой стали под маркой ВИТ-железа была разработана в начале 30-х годов. По своему составу ВИТ-железо близко к железу «армко», но отличается от последнего большим содержанием кремния и имеет более низкие магнитные свойства.

Фундаментальные исследования кремнистых сталей связаны с именем английского инженера Р.А. Гадфилда, подробное сообщение об этих работах опубликовано в 1902 г. [10.22]. Оптимальным является легирование железа до 6% Si. Однако присадки кремния снижают магнитную индукцию в средних и сильных магнитных полях и повышают хрупкость железа.

На протяжении десятилетий работы ученых и металлургов были направлены на совершенствование технологии плавки, горячей прокатки и термообработки листовых электротехнических сталей с целью получения сплавов, максимально свободных от вредных примесей, неметаллических включений и обладающих зернами максимального размера. В результате за период с 1931 по 1958 г. удалось почти вдвое снизить гистерезисные потери энергии в горячекатаной трансформаторной стали.

Задача освоения и внедрения в производство трансформаторной стали ставится перед ВИМЗ. Работа ведется под руководством С.С. Штейнберга, и с конца 1928 г. начинается выпуск этой стали. В первые годы сталь имела невысокие магнитные свойства, но в результате совместной работы коллективов ВИМЗ, ВЭИ и Ленинградского института металлов качество стали улучшалось из года в год, ив 1941 г. удается выпустить сталь на уровне зарубежных аналогов.

Во время и после Великой Отечественной войны продолжается разработка и внедрение новых марок электротехнических сталей. Появляются стали с улучшенными свойствами, предназначенные для работы в слабых магнитных полях и на повышенных частотах.

В 1935 г. Н.Р. Госсом (Германия) разработана технология холодной прокатки и термообработки так называемой малотекстурованной динамной стали, позволяющая получить исключительно высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки [10.28, 10.32, 10.33].

В результате совместной работы коллективов ВИМЗ и Нижнетагильского завода в 1937 г. выпускается сталь ХВП (холоднокатаная с высокой проницаемостью, имеющая свойства, аналогичные свойствам заграничной стали «гайперсил» [10.34].

Принципиально новой явилась технология изготовления анизотропной трансформаторной стали с ребровой текстурой. Железо и сплавы железа с кремнием имеют объемно центрированную кубическую решетку, оси легкого намагничивания которой совпадают с ребрами куба. В обычной горячекатаной стали в плоскости листов зерна расположены хаотически, в результате чего получаются некоторые усредненные магнитные свойства, примерно одинаковые во всех направлениях. При изготовлении холоднокатаной стали с содержанием кремния 2,8–3,2% холодная прокатка чередуется с промежуточными отжигами, после чего проводят рекристализационный отжиг. При определенных режимах термической обработки и проката удается получить направленное расположение кристаллитов (текстуру). В этом случае в плоскости листа лежит плоскость грани куба (110) и большинство кристаллитов имеет ребро куба вдоль направления прокатки (отсюда «ребровая текстура»). Сталь с ребровой текстурой обладает лучшими магнитными свойствами вдоль листа, худшими под углом 55° к направлению прокатки и некоторыми промежуточными свойствами во всех остальных направлениях. Сталь с ребровой текстурой освоена в нашей стране и выпускается в промышленном масштабе с 1949 г. Анизотропия потерь энергии отечественной стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90° к потерям под углом 0) равна примерно 2, тогда как соответствующее отношение удельных магнитодвижущих сил — от 3 до 8. Поэтому при конструировании магнитопроводов необходимо, чтобы направление магнитного потока возможно ближе совпадало с направлением прокатки. Для маломощных трансформаторов эта задача успешно решена созданием витых ленточных магнитопроводов. Таким образом удалось полностью использовать высокую магнитную проницаемость стали, резко повысить рабочую магнитную индукцию, уменьшить массу и габариты трансформаторов почти на 30%.

Большой интерес представляет трансформаторная сталь с кубической текстурой. Определенные технологические режимы разливки, холодной прокатки и термообработки позволяют получить рулонную сталь, в которой в плоскости прокатки лежит плоскость куба. Ребра куба направлены как вдоль, так и поперек прокатки. Таким образом, в листах стали имеется не одно, а два направления легкого намагничивания: вдоль и под углом 90° к направлению прокатки. В каждом из них электромагнитные свойства стали с кубической текстурой аналогичны свойствам стали с ребровой текстурой в направлении прокатки. Сталь с кубической текстурой успешно выпускается и отечественной промышленностью.

В табл. 10.1 приведены параметры некоторых промышленных магнитомягких материалов.

Таблица 10.1. Некоторые параметры промышленных магнитомягких материалов Материал Начальная магнитная проницаемость μнач Максимальная магнитная проницаемость μmax Коэрцитивная сила НC, А/м Индукция насыщения BS, Тл Удельное электрическое сопротивление ρ, Ом∙м Технически чистое железо 250 3500–4500 40–100 2,18 10—7 Электротехническая сталь 200–600 3000–8000 10–6 5 1,89 (6–2,5)∙10—7 Пермаллой: низконикелевые (примерно 40–50%Ni) 2000–4000 15 000–60 000 5–32 1,3–1,6 (2,5–6)∙10—7 высоконикелевые (примерно 79% Ni) 15 000–100 000 70 000–300 000 0,65–4 0,7–0,75 (1,6–8,5)∙10—7 Ферриты: никель-цинковые 10–2000* 40–7000 1700–8 0,2–0,44 108–10 марганец-цинковые 700–20 000[7] 1800–35 000 28–0,25 0,35–0,40 20–10—3 Магнитодиэлектрики на основе: альсифера 20–65 — 100–500 0,2–0,5 — карбонильного железа 5–15 — — — — молибденового пермаллоя 60–250 — — 0,6–0,7 —

В настоящее время широким фронтом продолжаются исследования магнитных материалов с целью достижения экстремальных характеристик. Направлениями повышения качества этих материалов являются уменьшение вредных примесей в стали, разработка методов выплавки стали при малых скоростях кристаллизации, разработка оптимальных режимов термической обработки, применение термомагнитной обработки, уменьшение констант магнитной анизотропии и магнитострикции, разработка технологии получения электротехнических сталей с повышенным содержанием кремния, применение методов порошковой металлургии и другие способы.