Магнитно-мягкий композиционный материал на основе железа для работы в переменных полях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.762

МАГНИТНО-МЯГКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ РАБОТЫ В ПЕРЕМЕННЫХ ПОЛЯХ

© 2011 г. Ю.Г. Дорофеев, В.В. Михайлов, В.О. Кривощеков

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Рассмотрен магнитно-мягкий композиционный материал. В лабораторных условиях проведены исследования и представлены его магнитные характеристики в зависимости от концентрации диэлектрика и температуры термообработки. Сделан вывод о возможности использования разработанного материала для производства магнитопроводов электрических машин малой мощности, работающих в переменных полях.

Ключевые слова: магнитно-мягкий композиционный материал; магнитная проницаемость; магнитная индукция; магнитные потери; железный порошок; диэлектрик.

The magnetic-soft composite material is studied. The laboratory investigation of the material was conducted and its magnetic characteristics depending on dielectric concentration and heat treatment temperature are presented. The conclusion is drawn on possibility to use the obtained material for manufacturing magnetic wire of electric machines of low power working in alternating fields.

Keywords: magnetic-soft composite material; magnetic permeability; magnetic induction; magnetic losses; iron powder; dielectric.

В настоящее время довольно широко используется изготовление различных устройств методом порошковой металлургии, работающих в переменных магнитных полях. Данный метод имеет значительные преимущества при создании прецизионных сплавов, к которым относится большинство магнитных материалов, так как позволяет воспроизводить химический состав в очень узких пределах, дает возможность вводить в материал наполнители, изолирующие прослойки и т.п. Кроме технологических особенностей экономические расчеты, произведенные рядом предприятий, показали, что стоимость порошковых магнитно-мягких деталей на 30 - 60 % ниже себестоимости тех же деталей, изготовленных обработкой компактного материала. Известно, что изготовление магнитно-мягких изделий трудоемко и связано со значительными потерями (до 60 %) материала, требует большого станочного парка и производственных площадей, привлечения рабочих высокой квалификации для операции сборки и механической обработки. Использование методов порошковой металлургии для изготовления магнитно-мягких деталей позволяет резко (до 50 %) снизить потери материала и исключить многие трудоемкие и ручные операции, повысить культуру производства, что дает возможность изготовлять узлы электродвигателей с большой экономической эффективностью [1].

Применение изделий из железного порошка в уст-

Химический состав и основные

ройствах переменного тока затруднено в связи с большими удельными потерями при работе в переменных полях. Решением задачи является введение в порошок изолирующего наполнителя, который способствует повышению электросопротивления и соответственно снижению удельных потерь [2, 3].

В последние несколько лет появился пристальный интерес к так называемым магнитно-мягким композиционным материалам (ММК). ММК-материалы представляют собой магнитно-мягкие частицы, обычно на основе железа, с элетроизолирующим покрытием. Использование методов порошковой металлургии позволяет производить материалы, дающие более высокую степень свободы в проектировании ММК-деталей по сравнению с использованием наборов стальных пластин, поскольку ММК-материал может переносить трехмерный магнитный поток [4].

Целью данной работы является изучение магнитных характеристик ММК-материала для работы в переменных полях низкой частоты.

Для изучения влияния температуры и концентрации диэлектрика на величину магнитных потерь, магнитную индукцию и проницаемость использовали железный порошок марки АВС100.30 (фирма Хёга-нес, Швеция). В качестве диэлектрика применяли высокомодульный водный раствор силиката № с модулем 2,8. Химический состав и основные свойства порошка марки АВС100.30 приведены в табл. 1.

Таблица 1

ойства используемого порошка

Марка порошка Насыпная плотность, г/см3 Текучесть, с Fe, % C, % Si, % Mn, % S, % P, % O, %

АВС 100.30 2,99 25 Осн. 0,002 - - - - 0,04

В железный порошок марки АВС100.30, добавляли высокомодульный раствор силиката № с модулем 2,8 в количестве 0,3; 0,5 и 1 % по массе (составы 1, 2 и 3 соответственно), образующий пленку за счет поверхностной адгезии. Компоненты тщательно перемешивали в естественных условиях электромеханической мешалкой в течение 10 - 15 мин до полного высыхания порошка, в результате покрытие приобретает высокую прочность. В, Тл ....................................... |ы

500

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Н, А/м

В, Тл

В, Тл

Н, А/м

В(Н) Состав 1 X В(Н) Состав 2 Х В(Н) Состав 3 X М(Н) Состав 1 ^ м(Н) Состав 2 X м(Н) Состав 3

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Н, А/м

б

Ц

450 400 350 300 250 200 150 100

0,0 ....................................... 50

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

X В(Н)Состав 1 X В(Н)Состав 2 X В(Н) Состав 3 >4 м(Н) Состав 1 V.. н(Н) Состав 2 Х м(Н) Состав 3

\В(Н) Состав 1 Х В(Н) Состав 2 X В(Н) Состав 3 X» Н(Н) Состав 1 X М(Н) Состав 2 X М(Н) Состав 3

Состав 1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 тт д /..3Состав2

Н, А/м Состав 3

а

X Состав 1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 тт д /., ^ Состав2

Н, А/м Состав 3

б

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

X. Состав 1 X Состав2

Н, А/м Х Состав 3

Рис. 1. Зависимость магнитной индукции В и магнитной проницаемости ц от напряженности магнитного поля Н материалов различного состава: а - 7=350°С, б - 7=500 °С, в - 7=700 °С

Рис. 2. Зависимость магнитных потерь Жуд от напряженности магнитного поля Н материалов различного состава: а - 7=350°С, б - 7=500°С, в - 7=700°С

Затем полученный порошок просеивали через сито. После чего в него добавляли 0,5 % (по массе) неметаллсодержащей органической смазки Кепо1иЬе® и вымешивали смесь в течение 30 мин.

Тип смазки очень важен и выбирается из органических смазочных веществ, которые испаряются при температурах выше комнатной и ниже температуры разложения неорганического электроизолирующего покрытия, не оставляя каких-либо остатков, которые являются вредными для неорганической изоляции, например оксидов металлов.

а

в

в

Затем проводили прессование в пресс-форме то-роидных образцов различных составов, имевших внутренний диаметр 25 мм, внешний 35 мм и высоту 5 мм, при давлении прессования 600 МПа.

Термообработку образцов проводили в окислительной атмосфере при температурах 350, 500 и 700 °С, в течение 30 мин для снятия внутренних напряжений в частице порошка и восстановления структуры кристаллической решетки. Таким образом, достигается повышение магнитной индукции и проницаемости и уменьшение магнитных потерь.

Затем на образцы нанесли намагничивающую и измерительную обмотки (№] = 100 витков, = 100 витков). Провели исследования, результаты которых представлены в табл. 2.

Результаты испытания м

диэлектрической прослойки. Проанализировав полученные результаты, можно с уверенностью сказать, что оптимальной является термообработка при Т = = 500 °С. Низкие температуры термообработки не позволяют снять внутренние напряжения в частицах порошка и таким образом повысить магнитные характеристики. Применение высоких температур (выше 700 °С) ограничено термостойкостью диэлектрического покрытия. Таким образом, результаты испытаний показывают, что по своим магнитным характеристикам разработанный материал не уступает зарубежным аналогам, в частности Somaloy 500 фирмы Хёга-нес, и может использоваться для производства магни-топроводов электрических машин малой мощности, работающих в переменных полях.

Таблица 2

нитно-мягких образцов

Состав Т=350°С Т=500°С Т=700°С

В, Тл при Н = 9000 А/м Ц W, Вт/кг при Н = 9000 А/м, f = 50Гц В, Тл при Н = 9000 А/м Ц W, Вт/кг при Н = 9000 А/м, f = 50Гц В, Тл при Н = 9000 А/м Ц W, Вт/кг при Н = 9000А/м, f = 50Гц

1 1,35 480 12,0 1,38 450 11,6 1,35 400 12,0

2 1,40 430 11,5 1,40 480 11,1 1,35 450 12,0

3 1,35 300 10,0 1,35 320 11,0 1,30 350 11,8

Так же были построены зависимости магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н и магнитной проницаемости ц от напряженности магнитного поля Н, а так же магнитных потерь ^уд от напряженности магнитного поля Н для различных составов при указанных температурах (рис. 1, 2).

Состав 2 имеет лучшее сочетание магнитных характеристик. Низкое содержание диэлектрика (менее 0,3 % по массе) не снижает магнитные потери, так как диэлектрическая пленка имеет слишком малую толщину, а также не происходит полного обволакивания частиц порошка диэлектриком, но положительно влияет на магнитную проницаемость. Высокое содержание диэлектрика отрицательно влияет на магнитную проницаемость, но положительно на магнитные потери. Это объясняется слишком большой толщиной

Поступила в редакцию

2

Литература

1. Панасюк О.А. Порошковые магнитомягкие материалы // Порошковые магнитные материалы. Киев. 1984. С. 90 - 110. Панасюк О.А. Порошковые магнитомягкие материалы для работы в постоянных и переменных полях // Порошковые магнитные материалы. Киев, 1987. С. 108 - 121.

3. Влияние способа изолирования частиц на характеристики магнитомягких композиционных материалов / А.Э. Ритсо [и др.] // Труды Таллинского политехнического ин-та, 1984. № 506.

Пат. 2389099 РФ, МПК Н0Ш/24. Магнитно-мягкие композиционные материалы / Б. Скорман, Е. Чжоу, П. Янссон. Опубл. 10.05.2010, Бюл. № 13.

4

13 сентября 2011 г.

Дорофеев Юрий Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Материаловедение и технология материалов», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-4-09.

Михайлов Владимир Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий и городов», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 22-28-02.

Кривощеков Валентин Олегович - аспирант, кафедра «Материаловедение и технология материалов», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Тел. (8635) 255-4-09. E-mail: mitm2010@rambler.ru, valentin87novosh@mail.ru

Dorofeev Yuriy Gregorievich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Materials Science and Technology of Materials», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-4-09.

Mihailov Vladimir Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical supply of the industrial enterprises and cities», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 22-28-02.

Krivoshchekov Valentin Olegovich - post-graduate student, department «Materials Science and Technology of Materials», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Ph. (8635) 255-4-09. E-mail: mitm2010@rambler.ru, valentin87novosh@mail.ru