Актуальность темы
Разработка новых материалов, необходимых для решения различных электротехнических задач, совершенствование уже известных материалов с целью получения более высоких эксплуатационных характеристик электротехнических изделий, являются важнейшими направлениями, определяющими развитие электротехники и электротехнической промышленности.
Магнитные материалы широко применяются в самых различных классах электротехнических изделий, их электромеханические характеристики в значительной мере определяют эксплуатационные характеристики электротехнических изделий, их механическую износостойкость, надежность, рабочую температуру и т. п.
Одним из прогрессивных методов формирования элементов изделий из магнитных материалов являются методы порошковой металлургии, которая на сегодня используется в основном для получения элементов конструкционных деталей, несущих в основном механические нагрузки.
Использование указанных технологических методов для рабочих элементов электротехнических конструкций (сердечников, магнитопроводов, магнитных шунтов и т. п.) поставило задачу проведения комплекса физических и технологических исследований по получению магнитных материалов с повышенными магнитными характеристиками.
Из-за неэффективной эксплуатации энергии и ресурсов образовался огромный резерв неиспользованного экономического и технического потенциала. Часто электротехнические изделия проектировались без расчета размеров магнитных систем, с нерациональным использованием электрической энергии, с большими отходами электротехнической стали в металлолом и непроизводительными расходами обмоточной меди, без учета магнитных характеристик для реальных изделий.
Проведение исследований, результаты которых изложены в диссертации, осуществлялось в соответствии с постановлением Правительства Российской.
Федерации № 80 от 25 января 1998 г. «О федеральной целевой программе «Энергосбережение России на 1998;2005 годы» и на основании Указа Президента РФ В. В. Путина № ПР-578 от 30 марта 2002 г. «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ и Перечень критических технологий РФ».
Созданию новой инновационной технологии получения магнитных материалов и посвящена настоящая работа и как показали проведенные исследования она позволяет сократить трудоемкость операций изготовления магнитных элементов, способствует снижению себестоимости изделий, экономии магнитных материалов, высвобождению прокатного, штамповочного, металлорежущего станочного оборудования, широко используемого в современной технологии производства элементов магнитных цепей.
Изделия, изготовленные по методу порошковой металлургии, найдут применение во многих отраслях промышленности. Особое значение в наших условиях имеет решение задач организация исследования технологий магнитных материалов, налаживания новых технологических процессов изготовления и создания новых конструкций изделий.
Актуальность работ можно выразить в следующей концентрированной форме:
1. Необходимость создания новых магнитных материалов, превосходящих по своим магнитным свойствам существующие материалы (по коэрцитивной силе, максимальной магнитной проницаемости, удельным потерям);
2. Необходимость развития теоретических положений взаимодействия доменных границ со структурными дефектами, влияющими на магнитные свойства;
3. Отсутствием эмпирических данных по специфике создания магнитных материалов методом порошковой металлургии.
Приведенная работа восполняет пробел, который имеет место в данной отрасли науки и техники.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Целью работы является установление реальной физической природы намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков, развитие теории и методов технологии изготовления магнитных материалов, позволяющих на основе энергои ресурсосбережения разработку новых конструкций электротехнических агрегатов и изделий с высокими электромеханическими характеристиками.
Научная новизна.
1. Разработана теория влияния структурных дефектов типа дислокаций и плотности доменов относительно их кинематических характеристик взаимодействия в порошковых магнитомяпсих материалах на коэрцитивную силу, максимальную магнитную проницаемость, удельные потери и удельное электрическое сопротивление.
2. Определение области изменения параметров разработанной теории для магнитомягких материалов, полученных методом порошковой металлургии.
3. Разработан матричный формализм процесса прессования слоистых магнитных материалов, который дает возможность формировать градиентные характеристики изделий электротехники по фазе и амплитуде.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
— развитие теоретических положений намагничивания и перемагничивания магнитомягких материалов;
— методологические закономерности формообразования и спекания порошковых магнитомягких материалов;
— результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических процессов изготовления магнитопроводов в отличие от известных технологических процессов;
— новые классы магнитных систем переменного тока.
— методы оптимизации параметров магнитопроводов постоянного тока;
— результаты внедрения технологических процессов изготовления магнитопровода и магнитных систем в производство, практику проектирования и учебный процесс.
Практическая ценность и реализация результатов работы состоят в следующем:
— внедрении прессованных и спеченных магнитопроводов с проведением опытно-промышленных и эксплуатационных испытаний на контакторах типа МПМК-1, изготовленных по чертежам ГЛЦИИ 757.235.002 в соответствии с представленными чертежами автора. Спеченные магнитопроводы изготавливаются на Кинешемском заводе «Электроконтакт» и используются на указанных контакторах с 1999 г. Внедрение разработанной технологии позволило повысить максимальную магнитную проницаемость, снизить коэрцитивную силу и повысить механическую износостойкость аппарата;
— внедрении прессованных и спеченных магнитопроводов с проведением опытно-промышленных и эксплуатационных испытаний на Броварском заводе порошковой металлургии. Спеченные магнитопроводы монтируются и комплектуются с другими деталями и затем собираются в кнопочные элементы типа ВП-51 (ЦМ 7 774 005), которые в последствии устанавливаются в порталах для автоматического управления высотными гражданскими лифтами типа У-0,71 МС. Спеченные магнитопроводы позволяют повысить физико-механические свойства, исключить трудоемкие операции обработки и получать сложные конструктивные формы деталей практически без потерь исходного сырья;
— использование технологического процесса изготовления спеченных слоистых магнитопроводов. Спеченные слоистые магнитопроводы используются для изготовления магнитных систем на реле типа РПУ-1 во Всесоюзном научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте релестроения (ВНИИР), что позволило снизить электрические потери до 0,5 Вт/кг для магнитной индукции 1,0 Т и частоте перемагничивания 50 Гц, увеличить относительную магнитную проницаемость до 17 000 и уменьшить коэрцитивную силу до 7,9 А/м;
— введением высокотемпературного отжига, примененного на магнитных системах, в технологический процесс производства реле ЭП-41 В Тырныаузского завода низковольтной аппаратуры. В результате указанного высокотемпературного отжига уменьшилось время технологического цикла на 37,5%, улучшились магнитные характеристики реле и повысилась механическая износостойкость магнитных систем в 1,5−2 раза по сравнению с аналоговыми системами;
— использование разработанных спеченных магнитопроводов для трансформаторов напряжения малой мощности на основе безотходной технологии взамен аналогичного магнитопровода для трансформатора напряжения малой мощности типа ТБС-2. Разработанные спеченные магнитопроводы используются на Сарапульском радиозаводе, что позволило по сравнению с магнитопроводами аналоговых трансформаторов малой мощности снизить расход потребляемой мощности на 23%, повысить КПД на 24% и поднять Coscp на 27%;
— внедрение спеченных магнитопроводов, изготовленных по чертежам автора, с проведением опытно-промышленных и эксплуатационных испытаний. Спеченные магнитопроводы используются для изготовления магнитных систем синхронных двигателей типа ДВС-VT на Чебоксарском предприятии ОАО «Завод электроники и механики». Внедрение разработанной конструкции позволило уменьшить затраты стали на 33%, увеличить вращающий момент на 13% и повысить КПД на 14%.
Общий экономический эффект от внедрения спеченных магнитных систем для электротехнических агрегатов и изделий, разработанных в соответствии с предложенными в представленной работе технологическими процессами изготовления, составил 3976,9 тыс. руб. (в ценах 2002 года).
Научные положения диссертации используются в учебном процессе:
— при чтении лекций и подготовке лабораторных работ по курсам «Электродинамика», «Магнитные материалы и элементы», «Теоретическая физика», «Теоретическая электротехника»;
— при подготовке аспирантских и магистерских диссертаций, выпускных работ бакалавров, выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов;
— при издании двух учебных пособий.
Проведенная работа является частью комплекса работ, проведенных автором на кафедре «Магнетизма» Тверского государственного университета и на кафедре «Физики и технологии электротехнических материалов и компонентов и автоматизированных электротехнических комплексов» Московского энергетического института (технического университета).
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на международных и всероссийских конференциях, в том числе: международной научно-практической конференции «Современные технологические процессы и оборудование в машиностроении» (г.Чебоксары, 1999 г.), международной научно-практической конференции «Метрологическое обеспечение испытаний и сертификации» (г. Москва, 1999 г.), VIII международном семинаре «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 1999 г.), международной научно-технической конференции «Энергосбережение, экология и безопасность» (г. Тула, 1999 г.), VI Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (г. Москва, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Диагностика веществ, изделий и устройств» (г. Орел, 1999 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (г. Пенза, 2004 г.), общероссийской юбилейной научной конференции с международным участием «Современные проблемы науки и образования» (г. Москва, 2005 г.), IV общероссийской научной конференции с международным участием «Новейшие технологические решения и оборудование» (г. Москва,.
2006 г.), международной научной конференции «Современные проблемы науки и образования» (Болгария, г. София, 2006 г.), I международной научной конференции «Приоритетные направления развития науки» (США, г. Нью-Йорк, 2007 г.), Ш Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (г. Пенза, 2007 г.), VIII Всероссийской научной конференции «Успехи современного естествознания» (г. Москва, 2007 г.).
Публикации. Общее количество опубликованных печатных работ по тематике диссертации составляет 59, в том числе монографий — 2, в рецензируемых научных журналах — 19. Новизна и оригинальность разработок конструкций и технологических процессов изготовления спеченных магнитных материалов и электротехнических изделий защищена 15 авторскими свидетельствами и 3 патентами на изобретения.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту доктору физ.-мат. наук, проф. Е. Ф. Кустову, а также д.т.н., проф. М. В. Петрову, кандидату физ.-мат. наук, доц. А. Ю. Мирошниченко за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения и результатов работы, списка литературы из 253 наименований и включает 251 страницу машинописного текста, 146 рисунков, 42 таблицы и приложение. Общий объем работы 300 страниц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Основные научные и практические результаты, выполненных исследований, могут быть сформулированы следующим образом:
1. Разработаны физические основы методов управления электромагнитными характеристиками магнитных систем новыми технологическими режимами порошковой металлургии.
2. Впервые разработаны качественная и количественная теория зависимости комплекса электромагнитных характеристик (коэрцитивной силы, максимальной магнитной проницаемости, удельных потерь и удельного электрического сопротивления) от взаимодействия доменных границ со структурными дефектами типа дислокаций. Установлено, что при увеличении концентрации доменов и уменьшении плотности дислокаций на один порядок скорость движения доменных границ увеличивается в 1,73 раза, что соответственно приводит к увеличению максимальной магнитной проницаемости в 5,1 раза, к уменьшению коэрцитивной силы в 5,6 раза и к снижению удельных потерь Р 1,5/50 в среднем на 2,3 Вт/кг.
3. Исследованы четыре новых технологических режима дискретного прессования магнитных материалов для магнитных систем. Предложена следующая классификация эффективных магнитных систем на основе созданного впервые дискретных режимов прессования слоев:
I класс подразделяется на магнитные системы, выполненные с безвариационным давлением прессования;
П класс — с эквидистанционной вариацией давления прессования;
III класс — с дифференциальным давлением прессования;
IV класс — из композиционных материалов на основе периодического сочетания элементов слоев МММ и МТМ.
4. Разработана критическая технология спекания магнитной системы. Магнитная система, изготовленная по этой технологии, обладает малой коэрцитивной силой, равной 1,39 А/м, высокой магнитной проницаемостью, равной более 269 000, и малыми удельными потерями, равными Pi>0/5o~0,23 и Pi, 5/50=0,5 Вт/кг.
5. Предложена, изготовлена и запатентована эффективная конструкция синхронного двигателя на основе композиционной магнитной системы переменного тока из чередующихся слоев МММ, с дискретно увеличивающимся ингредиентом кремния, и МТМ. Разработанный двигатель уменьшает затраты стали на 33%, повышает КПД на 14%, снижает потребляемую электрическую энергию на 17%, повышает cos ср на 11% и снижает ток XX на 24% по сравнению с аналоговым синхронным двигателем.
6. Обоснована возможность альтернативного метода прессования магнитных материалов со структурно-чувствительными свойствами. На основе магнитно-импульсного прессования были изготовлены магнитопроводы для приборов измерительной техники, которые показали при испытании снижение расхода электрической энергии на 38%, уменьшение расхода материала на 43%, уменьшение коэрцитивной силы в 5,5 раза, увеличение рабочего магнитного потока примерно в 3 раза, снижение чувствительности к внешним магнитным полям, что в совокупности привело к повышению класса точности приборов с 1,5 до 1,0 и к уменьшению магнитных вариаций показаний приборов.
7. Разработан способ пропитки волокнистым материалом Ш-образных магнитных систем переменного тока, что позволило. увеличить механическую износостойкость магнитных систем до 16 млн. циклов срабатываний вместо 5 млн циклов срабатываний, установленных стандартом, и уменьшить механический износ кернов в 2 раза.
8. Установлено, что технологический режим простого прессования в диапазоне давлений от 500 до 2000 МПа, обеспечивает изменение комплекса технических характеристик в следующих пределах: увеличение магнитной индукции от 0,9 до 1,8 Т, снижение коэффициента мощности электромагнита от 0,7 до 0,45, повышение кратности пускового тока от 1,12 до 1,73, уменьшение.
3 3 времени срабатывания от 16−10″ до 7−10″ си повышение уровня тяговой характеристики электромагнита в 2,4 раза.
9. Разработана технология механической обработки торцовых рабочих поверхностей магнитных систем. Установлено, что при 90°-ной разности углов направления механической обработки рабочих поверхностей якоря и сердечника механический износ магнитной системы снижается с 0,11−10″ до 0,003−10″ 3 м.
10. Созданы энергои ресурсосберегающие инновационные сердечники и управляющие катушки оригинальных конструкций, что позволило обеспечить равномерную коллимацию магнитного потока по всей высоте сердечника для электромагнитного аппарата с внешним поворотным якорем клапанного типа. Несмотря на уменьшение массы сердечника на 34% по сравнению с аналоговой конструкцией магнитный поток в его верхней части увеличился на 15%, масса обмоточной меди снизилась на 16% и потребление электрической энергии уменьшилось на 18%.
11. Обоснована возможность существенного повышения надежности магнитной системы и улучшения тяговой электромагнитной характеристики путем разработки новой конструкции Ш-образной магнитной системы переменного тока с магнитным шунтом. Разработанный электромагнит позволяет повысить cos ф на 20−22% для замкнутой и на 13−15% для разомкнутой системы, а также снизить потребление энергии в 1,26−1,33 раза для замкнутой и в 2−2,1 раза для разомкнутой системы.
12. На основе разработанного технологического метода порошковой металлургии создан индукторный генератор, который по сравнению с аналоговым генератором позволяет уменьшить падение выходного напряжения в 3,4 раза, снизить ток возбуждения в 1,58 раза и повысить нагрузочный ток на 16%.
13. Магнитопроводы, изготовленные по разработанным методам порошковой металлургии, позволили решить целый ряд технических проблем по созданию следующих новых типов электрических машин, трансформаторов, приборов и аппаратов с улучшенными характеристиками:
— асинхронный двигатель;
— малогабаритный трансформатор напряжения;
— однофазный индукционный прибор электрической энергии;
— электромагнитный аппарат, сердечник которого выполнен полым с переменным по высоте внутренним диаметром параболической формы и переменной толщиной стенки.
Комплекс теоретических и практических результатов, полученных в диссертационной работе, имеет чрезвычайно важное значение для развития науки, значительно расширяет диапазон технологических режимов изготовления электротехнических материалов и магнитных систем, изготовленных методом порошковой металлургии, и создает большие перспективы использования предложенных автором инновационных конструкций электротехнических изделий в различных отраслях народного хозяйства.
