CC BY
45
УДК 621.3.042.2
ПРИМЕНЕНИЕ АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ В АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
Н. И. Стаценко*, К. А. Васильченко Научный руководитель - Н. В. Юрковец
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: pnk-sibsau@mail.ru
В условиях научно-технического развития и постепенного истощения ископаемых ресурсов всё большое значение приобретают работы, связанные с повышением качества и эксплуатационных характеристик применяемых электрических машин и трансформаторов.
Ключевые слова: аморфные сплавы, нанокристаллические сплавы, двигатель, генератор, трансформатор.
THE USE OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE METAL ALLOYS IN AIRCRAFT
ELECTRICAL MACHINES
N. I. Statsenko*, K. A. Vasilchenko Scientific Supervisor - N. V. Yurkovets
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochiy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: pnk-sibsau@mail.ru
In terms of scientific and technological development and to the gradual depletion of fossil resources all become important work associated with improving the quality and performance of the applied electric machinery and transformers.
Key words: amorphous alloys, nanocrystalline alloys, motor, generator, transformer.
Известно, что потери энергии в магнитных сердечниках в электрических приборах, таких как двигатели, трансформаторы, обычно составляют 3,5 % от общего потребления электроэнергии. Применяемые в 95 % случаев в настоящее время магнитные стали приблизились к пределу, с точки зрения их магнитомягких характеристик. В связи с большой значимостью электрических машин в самолетостроении, а так же развитием концепции полностью электрического самолёта необходимо применять современныемагнитомягкие материалы с аморфной и нанокристалличе-ской структурой.
Аморфные сплавы это особый класс прецизионных сплавов, отличающихся от кристаллических сплавов структурой, способом изготовления и комплексом физических свойств. В структуре аморфных сплавов отсутствует периодичность в расположении атомов. Разрабатываемые сплавы в основном содержат недорогие материалы, такие как Fe (железо), B (бор), Cu (медь), Si (кремний). По сравнению с кристаллическим металлом аморфные сплавы в несколько раз прочнее, имеют более высокую коррозионную стойкость и лучшие электромагнитные характеристики. Однако одним из недостатков является то, что аморфные сплавы при большом нагревании переходят в кристаллическое состояние. Для стабильной работы изделий из аморфных сплавов необходимо, чтобы их температура не превышала для каждого сплава максимальной рабочей температуры.
Секция «Техническая эксплуатация электросистем и авионики»
Для изготовления аморфных сплавов в виде лент обычно используется способ охлаждения, при котором струя жидкого металла с определённой скоростью направляется на поверхность быстро вращающегося цилиндра, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью.
Нанокристаллическими называют материалы с размерами кристаллов (зерен или частиц) менее 100 нм. По комплексу свойств они существенно отличаются от обычных материалов такого же химического состава, даже если структура последних является мелкозернистой с размером зерен в поперечном направлении не более 5 - 10 мкм. В рассматриваемых материалах с нанокри-сталлической структурой кристаллиты расположены по всему объему ленты и имеют диаметр 10-20 нм. Благодаря этой структурной особенности достигается высочайшая магнитная проницаемость и самая маленькая коэрцитивная сила. Наряду с этим малая толщина ленты и относительно высокое удельное сопротивление (110-120 мкОм/см) обеспечивают низкие потери на вихревые токи и прекрасные частотные характеристики магнитной проницаемости.
В настоящее время наиболее распространённым методом получения наноструктуры является регулируемая кристаллизация из исходного аморфного состояния. Таким образом, основой нанокристаллического сплава является сплав аморфный.
Нанокристаллические и аморфные сплавы - ближайшие родственники. Их «родство» основано на двух обстоятельствах. Во-первых, это структурное сходство. Как известно, структура аморфных сплавов имеет ближний порядок, то есть состоит из упорядоченных микрогруппировок атомов, размеры которых близки к размерам нанозёреннанокристаллических сплавов. Во-вторых, это технология получения.
Независимо от варианта применения, при использовании аморфных и нанокристалличе-ских сердечников при проектировании индуктивных компонентов обычно обеспечиваются следующие преимущества:
• Уменьшенный вес
• Уменьшенные потери в обмотке благодаря сокращению числа витков
• Расширенный температурный диапазон от -60 до 125° С
• Повышенная стабильность свойств и надёжность
• Высокая точность для измерительных устройств
• Повышение КПД устройства
Из разработанных нанокристаллических материалов можно упомянуть сплавы ММ-1Н и ММ-11Н. Магнитные свойства данных сплавов определяются их уникальной однодоменной структурой с размером абсолютной однодоменной частицы 5-12 нм, которая достигается регулируемой термовременной обработкой аморфных лент из сплавов Ее-№-Си-81-Б (железо-ниобий-медь-кремний-бор) с возможными другими добавками. Подобная структура ленты обладает:
• высокой термической стабильностью (температура Кюри - 600 С°, кристаллизации -500 С°);
• высокой термической стабильностью значения потерь в сердечнике на перемагничива-ние РС. В широком температурном диапазоне РС имеет слабый отрицательный температурный коэффициент;
• высокой индукцией насыщения, равной 1,25 Т ± 15% в диапазоне температур -60... +130 С°
• низкой коэрцитивной силой и магнитострикцией насыщения ±0,5 ррт.
Благодаря уникальным свойствам, аморфные и нанокристаллическиесплавы уже получили распространение в современной радиоэлектронной аппаратуре,прежде всего, в трансформаторах вторичных источников питания РЭА на частотах до 100 кГц, широкополосных трансформаторах устройств связи, импульсных трансформаторах с мощностью импульса до десятков МВт на частотах от 0,5 МГц и выше, измерительных трансформаторах тока и напряжения, согласующих трансформаторах, магнитных модуляторах, высокочувствительных датчиках переменного и постоянного тока, в качестве «магнитных ключей», в магнитных экранах, дросселях фильтров, насыщения, накопительных и т.д.
На основе сказанного выше можно сделать вывод о перспективности развития данной области. Применение современных материалов в авиационных электрических машинахне только увеличит эффективность работы, но и улучшит прочностные характеристики и срок службы. Од-
нако создание таких материалов в нашей стране еще не налажено, но уже ожидается запуск производства первой партии объемных металлических стекол к 2021 году.
Библиографические ссылки
1. Стародубцев Ю.Н., Белозеров В.Я. Магнитные свойства аморфных и нанокристалличе-ских сплавов. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2002. 384 с.
2. Стародубцев Ю.Н. Магнитомягкие материалы. Энциклопедический словарь-справочник. М.: Техносфера, 2011. 664 с.
3. Нанокристаллические сплавы [Электронный ресурс]. URL: http://uas.su/books/ newmaterial/124/razdel124.php (дата обращения 27.10.16).
4. Сердечники из аморфных сплавов [Электронный ресурс]. URL: http://ferrite.com.ua/ amorphous/ (дата обращения 27.10.16).
5. Аморфные и нанокристаллическиемагнитомягкие сплавы [Электронный ресурс]. URL: http://www.mstator.ru/node/52(дата обращения 29.11.16).
© Стаценко Н. И., Васильченко К. А., 2017
