CC BY
16
ИННОВАЦИОННЫМ ПОДХОД К ИЗГОТОВЛЕНИЮ МАГНИТОПРОВОДОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Тимофеев Игорь Александрович
Д.т.н., профессор кафедры машиноведения, г. Чебоксары
Пташков Сергей Владимирович
Инженер по КИПиА предприятия Газпром, г. Чебоксары
Андрианов Бронислав Аристархович
Ведущий конструктор Всероссийского научно-исследовательского, проектно-конструкторского института
релестроения, г. Чебоксары
Шумилов Владиян Федорович
Старший инженер Проектно-конструкторского бюро, г. Чебоксары
AN INNOVATIVE APPROACH FOR THE CONSTRUCTION MAGNETIC CIRCUIT
FOR ELECTROTECHNICAL ARTICLES
АННОТАЦИЯ
Целью исследования состояло в разработке технологии изготовления магнитопроводов для электротехнических изделий методом магнитно-импульсного прессования. Приведены физико-механические свойства порошковых железокремнистых магнитопроводов, а также их испытания. Описаны требования, предъявляемые к магнитопроводам. Магнитно-импульсное прессование может найти применение в таких изделиях, как приборы, аппараты, датчики и магнитные шунты.
ABSTRACT
The aim of the research is to develop a technology of manufacturing magnetic cores for electrical items by method of magnetic-pulsed pressing. The article presents the physico-mechanical properties of powder iron-silicon magnetic cores and their teeing. The article describes the requirements for the magnetic cores. Magnetic-pulsed pressing may find application in such items as appliances, devices, sensors and magnetic shunts.
Ключевые слова: порошковая металлургия, магнитно-импульсное прессование, энергия разряда конденсатора, спекание, термический отжиг, коэрцитивная сила, магнитная индукция, магнитный поток, постоянный магнит, изготовление электроизмерительных приборов.
Keywords: powder metallurgy, magnetic-pulsed pressing , energy capacitor discharge, sintering, annealing , coercive force , magnetic induction, magnetic flux, permanent magnet , production of electrical measuring appliances.
Традиционно детали магнитопроводов изготавливают из проводящем элементе, уплотняющем порошок. В качестве
сплошного материала методом литья, прессования, штам- такого элемента использовали электропроводящую оболоч-
повки или методом механической обработки на токарных ку из отожженной меди.
станках. Магнитное поле во всех случаях связано с электрическим
В последнее время наиболее распространенным мето- током. Эти два разных явления существуют в едином физи-
дом изготовления изделий является двустороннее и реже ческом процессе, находятся в движении, постоянно меняясь
одностороннее статическое пластическое прессование по- и преобразовываясь как по величине, так и по направлению.
рошкового материала в жесткой пресс-форме [3]. Однако При разрядке конденсатора энергия электрического поля пе-
такой метод не обеспечивает равномерную плотность прес- реходит в индуктор. Однако разряд конденсатора в цепи с
совок как по высоте, так и по сечению, что приводит к боль- активными сопротивлением и индуктивностью имеет свои
шому разбросу характеристик и к низкой эффективности характерные особенности. Характеристическое уравнение,
изделия. составленное для этой цепи методом входного сопротивле-
Магнитно-импульсный метод изготовления изделий при- ния, имеет вид
меняется для конструкционных деталей [4]. Этот метод был p2+(r/R)p+1/LC=0(1)
применен для исслед°гания магнитно-мягких матер^^ где р - корень характеристического уравнения;
изделия из которых обладаюг струкгурно-чувствительными r - активное сопротивление индуктора;
свойствами. Данный метод обеспечивает равномерный и ди- l - индуктивность индуктора'
намический характер разностороннего приложения нагруз- с - емкость конденсатора
ки а также позволяет расширить номенклатуру изделий Решение этого уравнения можно представить следую-
сэкономить ресурсы и энергию, упростить технологический щим образом-
процесс изготовления изделий и упразднить большое коли- p =-r/2L+Vr2/4LM/LC (2)
чество технологической ^тастки избавиться от дорогого и рассмотрим различные возможные случаи:
сложного оборудования. 1. Если корни характеристического уравнения веще-
В основу этого метода положен принцип действия маг- ственны и отличны друг от друга, то такой разряд конденса-
нитно-импульсного пластического прессования. Здесь им- тора носит апериодический характер. Это имеет место при
пульсное магнитное поле индуктора взаимодействует с условии r/2L>1/^LC магнитным полем вихревых токов, наведенных в электро-
2. Если корни характеристического уравнения вещественны и равны друг другу, то такой разряд конденсатора носит также апериодический характер. Это имеет место при условии
3. Если корни характеристического уравнения являются комплексными, то в цепи совершаются затухающие колебания тока и напряжения. Это имеет место при условии r=2^L/C.
Практика показывает, что в первых двух случаях происходит качественное формование прессовок, так как конденсатор в одностороннем порядке полностью и безвозвратно разряжается на индуктор. Процесс, происходящий в третьем случае, приводит к браку прессовок, так как в этом случае происходит неоднократный колебательный обмен энергией между конденсатором и индуктором до полного ее исчезновения, что не способствует качественному формованию прессовок.
Простая по конструкции пресс-форма изготавливалась и собиралась следующим образом. Стальная ступенчатая оправка с рабочим диаметром 19,52-10"3 м, высотой 35-13 м и нарезной резьбой М10 на стержне вытачивалась на токарном станке. Снаружи устанавливалась и фиксировалась в основании электропроводящая оболочка из отожженной меди с внутренним диаметром 23-10"3м и толщиной 0,5-10-3 м. Для придания пресс-форме при прессовании необходимой прочности с боковых сторон устанавливались две обой-
мы полуцилиндрической формы с внутренним диаметром 24-10-3 м и толщиной 6-10-3 м. После заполнения пресс-формы порошком все детали скреплялись широкополой металлической шайбой с помощью навинченной гайки. Готовая для прессования пресс-форма оборачивалась несколькими слоями фторопластовой ленты (для надежной электроизоляции) и помещалась в индуктор. Для мелкосерийного производства деталей была изготовлена разборная пресс-форма.
На рис. 1 показан фрагмент спрессованного ферромагнитного шунта (размер 40х34х65-10-3 м) в пресс-форме для магнитно-импульсного прессования.
Формование прессовок осуществлялось на магнитно-импульсной установке типа МИУ-80/10 с наибольшей энергией, равной 80 кДж. Установка состоит из 1140 конденсаторов, образующих батарею общей емкостью 17100 мкФ [4]. Индуктор, выполненный из семи витков сечением (20-7)10-6 м2, силовым кабелем подсоединялся к установке.
Металлические порошки для магнитопроводов опытного образца поставлялись фирмой «ХЭГАНЕС» (Швеция). Технологический процесс изготовления изделий производился по следующей схеме: гомогенизирующий отжиг, автоматическое дозирование, прессование, спекание и термический отжиг. Магнитно-импульсное прессование осуществлялось при энергии разряда конденсатора, равной 80 кДж. Прессовка формировалась в течение 10-3 секунд, после чего извлекалась из пресс-формы.
Рис. 1. Фрагмент спрессованного ферромагнитного шунта (размер 40х34х65-10-3 м) в магнитно-импульсном поле
Спекание и термический отжиг прессовок производили в вакууме (13,3-10-3 Па) в двухколпаковой камерной печи типа СГВ2-3/15-2. Высокотемпературное спекание магнитопро-водов осуществлялось по следующему режиму: нагревали прессовки до температуры 1073-1173 К со скоростью 10,8 -11,2 К/с, затем до температуры 1653-1673 К со скоростью 6,3-6,4 К/с с выдержкой в течение 1080-2160 с, а охлаждение велось до температуры 1203-1303 К со скоро-
стью 4,56-4,57 К/с. По такому режиму проводили 2-3 цикла операций спекание-охлаждение [1].
На магнитопроводе предусмотрено резьбовое отверстие МЗ на высоте 10,5-10-3 м для его крепления к обойме. Ранее резьбовое отверстие получали при радиальной схеме прессования, однако в последнее время для надежности резьбу нарезают в кондукторе непосредственно после спекания.
В серийных приборах магнитоэлектрической системы типа М 4250, используемых в качестве амперметров и воль-
тметров, применяются магнитопроводы из материала марки В10, имеющей следующий состав в %: 98,11 Fe; 0,65 Мп; 0,37 Si; 0,26 Си; 0,24 Ni; 0,15 Сг; 0,14 С; 0,045 S; 0,035 Р. Между магнитопроводом и полюсами постоянного магнита ЮН14ДК24Т2 имеется кольцевой воздушный зазор, равный 1,6-10-3м, в котором создается магнитная индукция, примерно равная 0,13 Т. Магнитопровод изготавливали из заготовки в виде трубы на токарном станке, что нерентабельно, так как 43 % материала идет в отход в виде стружки. Взамен
традиционного материала предложен железокремниевый сплав, имеющий следующий состав в %: 94,8 Fe; 5,0 Si; 0,16 Р; 0,02 Мп; 0,01 С; 0,01 S.
Среди факторов, обусловливающих магнитные свойства порошковых магнитомягких материалов и влияющих на показание прибора, главное место занимает пористость [2]. На рис. 2 представлена зависимость пористости от энергии разряда.
Рис. 2. Зависимость пористости порошкового магнитомягкого материала от энергии разряда
Как видно из рисунка 2, при увеличении энергии разряда от 14,5 до 60 кДж пористость снизилась с 27,5 до 1,8 %. Пористость изменяется по экспоненциальному закону. Это связано с тем, что в большинстве случаев при магнитно-импульсном прессовании достигается более высокая плотность неспеченного порошка по сравнению с односторонним и двусторонним формованием на прессе. Плотность неспеченного порошка более однородна во всех направле-
ниях и не так сильно зависит от размеров и формы изделий. Кроме того, на уплотнение порошка не сказываются фрикционные эффекты.
Интерес представляет влияние энергии разряда на коэрцитивную силу, так как она влияет на магнитную вариацию показаний прибора. На рис. 3 представлена зависимость коэрцитивной силы железокремниевого сплава с различным содержанием кремния от энергии разряда.
Нс,А/м
т
по то 80 бО
ьо 20 о
\
X
N. * О
ч
о* . д
ч + 7
т
20
30
50 \У,нДж
Рис. 3. Зависимости коэрцитивной силы железокремнистого сплава с различным содержанием кремния от энергии разряда: 1 -2 % Si; 2-3 % Si; 3 - 4 % Si; 4 - 5 % Si; 5- 6 % Si; 6 - 7% Si
Испытания показали, что чем меньше величина коэрцитивной силы, тем меньше она оказывает влияние на магнитную вариацию показаний прибора. С увеличением энергии разряда от 10 до 60 кДж для железокремниевого сплава с содержанием 2 % Si величина коэрцитивной силы уменьшилась с 144 до 83 А/м. При энергии разряда 50 кДж с увели-
чением содержания кремния от 2 до 7 % коэрцитивная сила также уменьшилась с 91 до 12 А/м.
На погрешность электроизмерительных приборов существенно влияют магнитные свойства. На рис. 4 представлены сравнительные кривые намагничивания опытного и серийного образцов магнитопроводов.
Рис. 4. Кривые намагничивания магнитопровода: 1 - опытный образец; 2 - серийный образец
Кривая намагничивания для опытного образца магнито-провода проходит выше и круче, чем кривая намагничивания для серийного образца, что позволяет увеличить магнитную проницаемость, уменьшить напряженность магнитного поля, а, следовательно, уменьшить ампер-витки катушки.
Присутствие углерода в материале магнитопровода марки В10 сильно снижает магнитную индукцию и увеличивает коэрцитивную силу. Магнитопровод серийного образца содержит 0,14 % углерода и его магнитная индукция равна 0,49 Т, а коэрцитивная сила - 220 А/м, в то время как желе-зокремниевый материал магнитопровода опытного образца
содержит 0,01 % углерода и его магнитная индукция равна 1,58 Т, а коэрцитивная сила - 40 А/м. Кроме того, первый образец сильно подвержен магнитной вариации показаний по сравнению с последним.
От распределения магнитного потока по высоте сердечника зависит эффективность работы электроизмерительных приборов. На рис. 5 представлены зависимости величины магнитного потока в магнитопроводах опытного и серийного образцов от угла расположения полюсов постоянного магнита ЮН14ДК24Т2.
Рис. 5. Зависимости магнитного потока в магнитопроводе от угла расположения полюсов постоянного магнита: 1 - опытный образец; 2 - серийный образец
Магнитные потоки в обоих образцах распределены по убывающей величине от оси симметрии магнитных полюсов. Однако магнитный поток в центре оси симметрии магнитопровода опытного образца имеет примерно в 3 раза большую величину по сравнению с магнитным потоком магнитопровода серийного образца, так как первый имеет большую проводимость по сравнению с последним. На
окраинах от оси симметрии полюсов эта разница увеличивается до 10 раз.
Результаты испытаний электроизмерительных приборов сведены в таблицу 1. Для сравнительного определения приведенной погрешности выбран образцовый прибор класса 0,2. Из таблицы видно, что приведенная погрешность серийных приборов составляет 1,5 %, в то время как приведенная погрешность опытных приборов - 1,0 %.
Таблица 1
Определение погрешности приборов
Исполнение Предел Показания прибора Погрешность прибора
прибора образцового серийного опытного серийного опытного
абсолютные деления деления шкалы %
величины шкалы
Миллиам- 0 -5, мА 0 0 0 0 0 0
перметр 1 20 19,5 20,0 -0,5 0
2 40 41,0 40,0 +1,0 0
3 60 62,5 60,5 +1,5 +0,5
4 80 81,0 80,0 +1,0 0
5 100 99,5 99,5 -0,5 -0,5
Амперметр 0 -5, А 0 0 0 0 0 0
10 30 29,5 30,0 -0,33 0
20 60 60,5 60,0 +0,33 0
30 90 92,0 90,0 +1,32 0
40 120 121,0 119,5 +0,66 -0,33
50 150 149,5 149,0 -0,33 -0,66
Вольтметр 0-300, В 0 0 0 0 0 0
100 50 50,5 50 +0,33 0
200 100 99,5 100,5 -0,33 +0,33
300 150 148,0 150,0 -1,33 0
В процессе эксплуатации и транспортирования приборы, подвергаются воздействию различных механических и климатических факторов. Способность приборов надежно выполнять свои функции (после воздействия указанных факторов) и сохранять товарный вид проверяются испытаниями.
Для этого все испытываемые приборы оснащены магни-топроводами, изготовленными по методу магнитно-импульсного прессования, покрытие которых выполнено по способу парофазного оксидирования (рис. 6).
Рис. 6. Полые магнитопроводы для электроизмерительного прибора
Механические нагрузки, которые испытывают приборы в процессе эксплуатации и транспортирования, проявляются в виде вибраций, сотрясений, одиночных и многократных ударов. Максимально приближенные к эксплуатационным параметры воздействующих механических нагрузок создаются при испытаниях на вибростендах и ударных стендах (копрах). Испытания, проведенные на вибростенде типа ВЭДС-200 с ускорением от 2 до 20 м/с2, частотой от 10 до 40 Гц в течение 3600 с, показали, что погрешность приборов не превысила 1,0 %. Ослабления и самоотвинчивания крепежных деталей за время испытания не наблюдалось.
Режим испытания приборов на ударопрочность был следующий: ускорение 100 и 150 м/с2, частота 100 ударов в минуту, число циклов 108 тыс. ударов. Испытания проводились на ударном стенде типа SPS-80, при этом погреш-
ность приборов после испытания не превысила 1,0 %. Ослабления и самоотвинчивания крепежных деталей за время испытания также не наблюдалось. После того, как приборы выдержали механические испытания, их подвергли климатическим испытаниям.
Испытания на влагопрочность проводили в камере влаги типа ТВК-2 при температуре +40°С, относительной влажности 98 % в течение 864-103 с и с выдержкой в нормальных условиях. После изъятия приборов из камеры в течение не более 180 с проверяли электрическую прочность и сопротивление изоляции. Изоляция между корпусом и изолированными от корпуса по постоянному току электрическими цепями при испытании на установке УПУ-10 выдержала действие испытательного напряжения в 1,2 кВт в течение 60 с. Сопротивление изоляции между корпусом и изолиро-
ванными по постоянному току электрическими цепями при измерении мегаомметром М4100 составило более 0,5 МОм. Следов ржавчины и коррозии на деталях приборов не обнаружено.
В условиях эксплуатации фактическая температура окружающей среды, при которой работают приборы, изменялась от -50 до +65 °С. Это может привести не только к ухудшению временных характеристик прибора, но и к его отказу. Изменение температуры окружающей среды влияет на сопротивление прибора, плотность магнитного потока в воздушном зазоре и упругие свойства пружин, создающих противодействующий момент. Однако два последних обстоятельства компенсируют друг друга. Например, повышение температуры вызывает ослабление магнитного потока в воздушном зазоре, т.е. вращающий момент уменьшается, снижается упругость пружин, примерно на столько же уменьшается и противодействующий момент. Продолжительность цикла испытания в камере КРК-3522 в диапазоне обозначенных температур составила 7200 с при количестве циклов, равном 3. Затем прибор находился в нормальных условиях. Сопротивление изоляции между корпусом и изолированными по постоянному току электрическими цепями при температуре +65 °С составило более 5 МОм. Испытания показали, что погрешность приборов не превышала 1,0 %, в деталях приборов не было нарушений покрытий и механических повреждений.
Для определения влияния внешних магнитных полей испытание проводили на установке постоянного тока РР-479. Для этого каждый испытываемый прибор устанавливали в центре катушки с наружным диаметром 0,3 м, имеющей число витков, равное 104. Испытание, проведенное на воздействие внешнего однородного поля напряженностью 400 А/м и индукцией 5-10"2 Т, показало, что погрешность приборов не превысила 1,0 % и они обладают достаточной электромагнитной помехоустойчивостью. Опытный образец
прибора имеет меньшую чувствительность к внешним магнитным полям по сравнению с серийным, так как магнитная проницаемость первого значительно выше последнего.
Разработанная ресурсосберегающая технология магнитно-импульсного прессования материала для магнитопрово-дов позволила уменьшить отход материала на 43%, снизить расход электроэнергии на 38%, увеличить рабочий магнитный поток примерно в 3 раза, снизить коэрцитивную силу в 5,5 раза. Класс точности прибора при этом повысился с 1,5 до 1,0 и уменьшились магнитные вариации показаний прибора.
Магнитно-импульсное прессование может найти применение в той области, где требуются длинные полые магнито-проводы с тонкими стенками, например датчики, приборы, магнитные шунты.
Список литературы:
1. А.с. № 986596. Способ изготовления спеченного многослойного магнитопровода / И.А. Тимофеев // Открытия. Изобретения. - 1983. - № 1. - 4 с.
2. Альтман А.Б., Гладышев П.А., Ростанаев Н.Д. Электротехнические металлокерамические изделия. - М.: Информэлектро, 1965. - С. 22-31.
3. Либенсон Г. А. Основы порошковой металлургии. -М. : Металлургия, 1975. - 207 с.
4. Миронов В. А. Магнитно- импульсное прессование порошков. - Рига: Зинатне, 1980. - 196 с.
5. Нестерин В.А. Оборудование для импульсного намагничивания и контроля постоянных магнитов. - М.: Энер-гоатомиздат, 1986. - 88 с.
