CC BY
2УДК 620
Хохлов Д.А.
бакалавр кафедры электромеханических систем Смоленский филиал Национальный исследовательский университет «МЭИ» (г. Смоленск, Россия)
ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ИННОВАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Аннотация: в статье описаны методы и результаты исследований магнитных свойств инновационных сплавов для разработки трансформаторов и их преимущества по сравнению с традиционными материалами.
Ключевые слова: инновация, эксперимент, аморфные сплавы, нано-кристаллы, гистерезис, магнитные свойства, трансформатор.
Современная электротехника стремится к повышению эффективности трансформаторов, что является ключевым фактором в устойчивом развитии энергетических систем. Одним из наиболее перспективных направлений является использование новых материалов с улучшенными магнитными и тепловыми свойствами.
Исследования последних лет акцентируют внимание на аморфных и нанокристаллических сплавах. Данные материалы идеальны для применения в сердечниках трансформаторов.
Научная группа лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы» НИТУ «МИСиС» под руководством профессора Акихисы Иноуэ (индекс Хирша = 113) определила диапазон аморфных сплавов для создания инновационных сердечников трансформаторов. При использовании такого сплава потери электроэнергии могут снизиться втрое. Использование
трансформатора мощностью 1000 кВА с новым сердечником позволит сэкономить более 16 000 кВтч электроэнергии в год.
Аморфные металлические сплавы, также известные как металлические стекла, обладают неупорядоченной атомной структурой, отличной от кристаллической структуры традиционных металлов. Это придает им уникальные магнитные свойства, такие как высокая магнитная проницаемость и низкая коэрцитивная сила, что снижает потери на гистерезис.
Нано-кристаллические сплавы на основе железа и кремния, с другой стороны, содержат нанометровые кристаллы в аморфной матрице, что обеспечивает уникальное сочетание магнитной мягкости и высокой прочности. Они обладают уникальными магнитными свойствами, которые делают их идеальными для использования в сердечниках трансформаторов. Из ключевых преимуществ использования данных сплавов можно выделить: высокую магнитную проницаемость, низкие потери на гистерезис, высокую насыщаемость, и устойчивость к высоким температурам, потери на вихревые токи.
Были проведены эксперименты по измерению магнитных свойств новых материалов такие как:
Измерение кривых намагничивания. Этот метод позволяет определить, как материал намагничивается при различных уровнях приложенного магнитного поля. Это важно для понимания, как материал будет вести себя при реальных условиях эксплуатации. Такое измерение проводится в 4 этапа:
1. Из материала сердечника трансформатора изготавливается образец, который помещается в установку для измерения магнитных свойств.
2. К образцу прикладывается переменное магнитное поле с помощью катушки индуктивности. Интенсивность поля постепенно увеличивается от нуля до максимального значения.
3. С помощью датчиков, таких как катушки Роговского или датчики Холла, измеряется магнитный поток и намагниченность образца.
4. Полученные данные обрабатываются для построения кривой намагничивания, которая показывает зависимость намагниченности от приложенного магнитного поля.
Определение потерь на гистерезис. Потери на гистерезис возникают из-за необратимых процессов магнитного переориентирования в материале и являются важным фактором, влияющим на эффективность трансформатора. Измерение этих потерь позволяет оценить, насколько хорошо новый материал справляется с минимизацией энергетических потерь. Чтобы определить потери, с помощью датчиков Роговского или датчиков Холла измеряется магнитный поток в образце, а позже регистрируются петли гистерезиса. После обработки данных потери рассчитываются по формуле:
Где: Р}1 — потери на гистерезис, Н — напряжённость магнитного поля, а dB — изменение магнитной индукции.
Тепловые испытания. Поскольку трансформаторы могут нагреваться во время работы, важно понимать тепловые свойства материалов. Тепловые испытания помогают оценить, как материалы будут рассеивать тепло, что влияет на их способность поддерживать оптимальную рабочую температуру. Для начала трансформатор нагружают, а потом фиксируют повышение температуры.
Эксперименты показали, что нано-кристаллические сплавы снижают потери на гистерезис на 30-40% по сравнению с кремнистыми сталями. Аморфные сплавы показали еще более низкие потери, что делает их перспективными для использования в энергетических трансформаторах. Инновационный аморфный сплав, разрабатываемый научной командой лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы» НИТУ «МИСиС», по сути - металлическое стекло, не имеющее кристаллической
решетки. Благодаря аморфной структуре данный материал обладает более благоприятными магнитными свойствами по сравнению с традиционными электротехническими сталями.
Разработка трансформаторов с использованием новых материалов является перспективным направлением в области электротехники. Исследование и применение нано-кристаллических сплавов и аморфных металлов может привести к созданию нового поколения трансформаторов, которые будут более эффективными и экономичными. Дальнейшие исследования и разработки в этой области откроют новые возможности для улучшения энергетической инфраструктуры и снижения воздействия на окружающую среду.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Хабр [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/companies/misis/articles/401783/;
2. Шуляк И.В. Фурсанов М.И. Тенденции развития конструкции силовых трансформаторов // Актуальные проблемы энергетики - 2016. С. 82-85;
3. Wikipedia. Amorphous metal transformer [Электронный ресурс]. URL: https: //en. wikipedia. org/wiki/Amorphous_metal_transformer;
4. ООО «НПК «АВТОПРИБОР» // Электроэнергия. Передача и распределение;
5. Латипов С.Т. Инновационные разработки в энергетической отрасли // Молодой ученый
Khokhlov D.A.
National Research University "MEI" (Smolensk, Russia)
RESEARCH ON THE MAGNETIC PROPERTIES OF INNOVATIVE MATERIALS FOR THE DEVELOPMENT OF TRANSFORMERS
Abstract: the article describes the methods and results of research on the magnetic properties of innovative alloys for the development of transformers and their advantages over traditional materials.
Keywords: innovation, experiment, amorphous alloys, nanocrystal, hysteresis, magnetic properties, transformer.
