Способ обработки шихтованного магнитопровода броневого трансформатора

Способ обработки шихтованного магнитопровода броневого трансформатора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехнике, а именно к особенностям конструкции и технологии изготовления пластинчатых трансформаторов, и может быть использовано в электротехнической и радиотехнической промышленности.

Анизотропные электротехнические стали (сплав Fe-3% Si) широко применяются в качестве магнитопроводов, эксплуатируемых в переменных магнитных полях. Объемы их производства составляют более миллиона тонн ежегодно, а изделия из них, например электрогенераторы и силовые трансформаторы, работают в непрерывном режиме в течение десятков лет. По этой причине уровень их магнитных характеристик в значительной мере определяет возможности энерговооруженности страны в целом. В то же время при передаче электрической энергии к потребителям в процессе перемагничивания этих материалов теряется почти 3% всей вырабатываемой электроэнергии. Поэтому улучшение их электромагнитных свойств в настоящее время является актуальной проблемой.

Повышение магнитной проницаемости современных анизотропных электротехнических сталей за счет роста остроты ребровой кристаллографической текстуры (110) [001] приводит к формированию малых размагничивающих полей на поверхности материала и большой ширине полосовых 180-градусных доменов. Поэтому в таком сплаве наблюдаются повышенные скорости смещения доменных границ и существенное увеличение вихретоковой (Р_в) составляющей (до 80%) и полных магнитных потерь при перемагничивании.

Кроме того, и гистерезисная составляющая магнитных потерь возрастает на 10-15% по сравнению с ее величиной в материале при прохождении магнитного потока через отдельные участки сочленяемых элементов конструкции магнитопровода. Этот магнитный поток в этих участках отклоняется от направления легкого намагничивания, задаваемого направлением прокатки стального рулона, и испытывает рассеяние в зазорах, переходя в соседние пластины магнитопровода.

Таким образом, решения этих проблем требует комплексного подхода, направленного на разработку разных способов и технологий, в частности оптимизации кристаллической и магнитной структур электротехнических сталей, а также прохождения магнитного потока в сочленяемых элементах конструкции магнитопровода. Такой подход позволит обеспечить существенное превышение суммарного результата, достигаемого на отдельных этапах обработки материала и элементов конструкций плоских шихтованных магнитопроводов, предназначенных для изготовления трансформаторов, магнитострикторов и других электротехнических устройств.

Известен способ улучшения магнитных свойств рулонных анизотропных электротехнических сталей (сплав Fe-3% Si с ребровой кристаллографической текстурой (110) [001]) различных марок 3406-3410 заводского изготовления (ГОСТ 21427.1-83) за счет измельчения зерна, нанесения неорганического магнитоактивного электроизоляционного покрытия, а также узких поверхностных зон тепловой деформации с помощью локального лазерного воздействия равномерно и преимущественно поперек оси текстуры, в частности с использованием электроионизационного импульсно-периодического CO₂-лазера (λ=10,6 мкм) с постоянной регенерацией газа. В результате, было обеспечено снижение магнитных потерь в материале на 12-18%. Снижение магнитных потерь возрастает с ростом степени совершенства текстуры материала. В высокотекстурованных сталях (В₈₀₀~1,90 Тл) снижение магнитных потерь P_1,7/50 достигает 20-25% (стали марок 3408-3410, 3424-3425 толщиной 0,08-0,35 мм) [Драгошанский Ю.Н., Пудов В.И. Влияние лазерной обработки и неорганических магнитоактивных покрытий на динамические магнитные свойства магнитомягких материалов. Неорганические материалы, 2013, т. 49, №7, с. 714-722].

Однако для изготовления шихтованных магнитопроводов рулонную сталь разрезают на листы, из них затем штампуют отдельные элементы, которые отжигают для снятия краевого наклепа. В результате уже при температурах 600-650°C положительный эффект от лазерной обработки может снижаться в 2 раза, а при 800-850°C он практически исчезает. Следует отметить и другой существенный недостаток, в частности даже при отсутствии конечной операции отжига материала магнитные потери могут возрастать на 10-15% из-за влияния несовершенства конструкций шихтованных магнитопроводов.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления пакета плоского шихтованного магнитопровода из анизотропной электротехнической стали, который содержит ярма и стержни, набранные из отдельных слоев ферромагнитных прямоугольных узких и широких пластин, ярмо состоит из узких и широких пластин, в местах сочленения ярем и стержней зазоры между пластинами расположены в двух параллельных плоскостях, удаленных одна от другой на величину перекрытия, стержень состоит из узких и широких пластин, слои с одинаковой шириной пластин имеют различный порядок их взаимного расположения. Причем слои чередуются между собой так, что во всех плоскостях, содержащих зазоры, между двумя ближайшими слоями с зазорами располагаются слои со сплошными пластинами [Зихерман М.Х. Пакет плоского шихтованного магнитопровода. Патент SU №1820951].

Однако эта конструкция не позволяет снизить магнитные потери магнитопровода, так как элементы его конструкции не подвергались оптимизационной обработке магнитной структуры, в частности снижению лазерной обработкой аномально большой ширины магнитных доменов, наблюдаемых в высокотекстурованных сталях. Кроме того, не решена в полной мере проблема оптимального прохождения магнитного потока в сочленяемых элементах конструкции шихтованного магнитопровода, в которых не проведено согласование направлений магнитных потоков с направлениями легкого намагничивания стали.

Таким образом, для повышения функциональных свойств шихтованных магнитопроводов требуется разработка новых перспективных способов их обработки и изготовления.

Задача, на решение которой направлено новое техническое решение, - снижение магнитных потерь пластин шихтованного магнитопровода стержневого трансформатора, изготовляемого из анизотропной электротехнической стали разных марок, при повышении уровня магнитной индукции и сохранении электросопротивления изоляционного покрытия.

При этом за счет применения новых способов и технологий обработки пластин, обеспечивающих максимальные показатели улучшения физико-механических свойств, достигается повышение марочности электротехнической стали, оптимальность функционирования конструкций и длительная устойчивость свойств материала при эксплуатационных воздействиях, экономия массы расходуемого металла и электроэнергии при перемагничивании шихтованных магнитопроводов стержневого трансформатора.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе обработки шихтованного магнитопровода броневого трансформатора, содержащего ярма и стержни, набранные из отдельных слоев ферромагнитных прямоугольных узких и широких пластин, согласно предлагаемому изобретению, для улучшения магнитных свойств плоского шихтованного магнитопровода броневого трансформатора, отдельные прямоугольные и Ш-образные пластины вырезают из рулонной ленты вдоль направления ее прокатки, осуществляют отжиг при 700-800°C в течение 60-20 минут, охлаждают до 20°C и поперек прокатки наносят зоны локального лазерного воздействия по всей длине отдельных пластин ярма, стержней и частей Ш-образного ярма, ориентированных вдоль прокатки, для стали с крупным зерном 15-50 мм с интервалом 5-2 мм, с мелким зерном 5-15 мм - 15-5 мм, в местах сочленения отдельных пластин ярма и стержней лазерное воздействие осуществляют ступенчато, формируя угловой фронт под углом 45 градусов к направлению прокатки пластин, причем на поперечно ориентированной к прокатке части Ш-образных ярем магнитопроводов наносят зоны локального лазерного воздействия вдоль направления прокатки, а в пластинах, предназначенных для отдельного ярма Ш-образного магнитопровода, в местах стыка ярма и стержней лазерное воздействие осуществляют вдоль направления прокатки ступенчато, затем формируют пакет замкнутого магнитопровода, укладывают концы пластин отдельного ярма встык к ярмам и стержню Ш-образной части под углом 90 градусов в каждом слое и в последующем слое внахлестку к предыдущему слою, перекрывая стыки между пластинами. Причем зоны лазерного воздействия на стали толщиной от 0,3 мм до 0,8 мм и с крупным зерном дополнительно наносят и на обратной стороне пластин.

Физическая суть предлагаемого способа обработки стержневого магнитопровода заключается в следующем. В магнитомягких сплавах, из которых изготовлены пластины шихтованного магнитопровода, в целях повышения плотности магнитного потока создают высокую степень совершенства ребровой кристаллографической текстуры (110)[001], что сопровождается уменьшением магнитных полей рассеяния и ростом размеров кристаллического зерна. Это, в свою очередь, вызывает укрупнение полосовых 180-градусных магнитных доменов - структура доменов типа А, см. рис. 1, и, следовательно, рост скорости движения их границ при перемагничивании. При этом растет до 80% от полных магнитных потерь их вихретоковая компонента, пропорциональная квадрату скорости движения доменных границ. Эффективный способ снижения этой части магнитных потерь связан с формированием с интервалами меньшими размеров зерна, узких зон тепловой деформации путем локальной лазерной обработки. Нанесение их на поверхность вырубленных из рулонных лент стальных пластин поперек направления прокатки приводит к дроблению полосовых 180-градусных доменов, уменьшению ширины и, следовательно, скоростей движения их границ, и полных магнитных потерь. Такой обработке подвергаем поверхность тех пластин магнитопровода, которые ориентированы вдоль направления прокатки стали, то есть отдельные пластины ярем и стержни в Ш-образных магнитопроводах, см. рис. 2.

Значительная доля магнитных потерь в магнитопроводе связана также с тем, что часть замкнутого в нем магнитного потока проходит, отклоняясь от направления прокатки, то есть от направления легкого намагничивания [001]. Это имеет место в угловых участках замкнутого Ш-образного магнитопровода, образованных краями пластин с продольной ориентацией относительно направления прокатки, а также по всей длине того участка Ш-образной пластины, который ориентирован поперек направления прокатки. Эффективный способ уменьшения магнитных потерь в этих участках магнитопроводов связан с формированием в них новой доменной структуры типа B - комплекса доменов, имеющих намагниченность, ориентированную по другим возможным направлениям легкого намагничивания, то есть вдоль других ребер куба [010] и [100], как показано на рис. 3. Эту структуру доменов типа B в названных участках магнитопровода формируем локально-лазерной обработкой, зоны тепловой деформации которой ориентируем вдоль направления прокатки стали. Напряжения сжатия в указанных зонах, выделяя новые указанные направления легкого намагничивания в межзонных промежутках, приводят к перестройке доменов из структуры A в структуру B, обеспечивающую прохождение магнитного потока и в этих участках магнитопровода по направлениям легкого намагничивания, то есть с меньшими магнитными потерями энергии.

В результате, формируя локальной лазерной обработкой узкие зоны сжатия в стальных пластинах магнитопровода, которые при соответствующей ориентации в разных его участках перестраивают тип доменной структуры, ориентируя магнитный поток по направлениям легкого намагничивания, и в других участках уменьшают ширину полосовых 180-градусных доменов, снижая скорости движения их границ при перемагничивании, обеспечивают существенное снижение магнитных потерь. Дроблению полосовых доменов способствует и появление растягивающих напряжений в промежутках между сжатыми зонами лазерного воздействия, так как материал обладает положительной магнитострикцией, а также и образование вблизи зон лазерного воздействия клиновидных 180-градусных замыкающих доменов - зародышей перемагничивания. При этом прохождение магнитного потока во всех участках магнитопровода только вдоль направлений легкого намагничивания обеспечивает повышение магнитной индукции в любом заданном поле и полностью компенсирует ее некоторое снижение, создаваемое в узких зонах лазерного воздействия.

Отметим, что эффект от данной обработки заметно возрастает в сталях с большими толщинами от 0,3 мм до 0,8 мм и с крупным зерном в случае нанесения зон лазерного воздействия и на обратной стороне пластин (см. таблицу).

Таким образом, заявляемый способ обработки пластин анизотропной трансформаторной стали позволяет изготовлять шихтованные магнитопроводы броневых трансформаторов с высоким уровнем электромагнитных свойств, более устойчивых к эксплуатационным воздействиям. Данный эффект достигается за счет применения новых комплексных технологий обработки материала и не требует больших технических затрат.

Следовательно, новый технический результат заключается в улучшении электромагнитных свойств шихтованного магнитопровода броневого трансформатора, изготовляемого из разных марок анизотропной электротехнической стали, включая повышение уровня магнитной индукции, сохранение электросопротивления покрытия и снижение магнитных потерь.

Пример осуществления способа

С целью улучшения электромагнитных свойств шихтованного магнитопровода броневого трансформатора, содержащего ярма и стержни, набираемые из отдельных слоев ферромагнитных прямоугольных узких и широких пластин, эти отдельные прямоугольные и Ш-образные пластины вырезают из рулонной ленты вдоль направления ее прокатки, осуществляют отжиг при 700-800°C в течение 60-20 минут, охлаждают до 20°C и поперек прокатки наносят зоны локального лазерного воздействия по всей длине отдельных пластин ярма, стержней и частей Ш-образного ярма, ориентированных вдоль прокатки, для стали с крупным зерном 15-50 мм с интервалом 5-2 мм, с мелким зерном 5-15 мм - 15-5 мм, в местах сочленения отдельных пластин ярма и стержней, лазерное воздействие осуществляют ступенчато, формируя угловой фронт под углом 45 градусов к направлению прокатки пластин, причем на поперечно ориентированной к прокатке части Ш-образных ярем магнитопроводов наносят зоны локального лазерного воздействия вдоль направления прокатки, а в пластинах, предназначенных для отдельного ярма Ш-образного магнитопровода, в местах стыка ярма и стержней лазерное воздействие осуществляют вдоль направления прокатки ступенчато, затем формируют пакет замкнутого магнитопровода, укладывают концы пластин отдельного ярма встык к ярмам и стержню Ш-образной части под углом 90 градусов в каждом слое и в последующем слое в нахлестку к предыдущему слою, перекрывая стыки между пластинами. Причем на сталях с толщинами от 0,3 мм до 0,8 мм и с крупным зерном дополнительно наносят и на обратной стороне изготовленных пластин зоны лазерного воздействия (см. таблицу).

Таким образом, заявляемый способ изготовления и обработки пластин шихтованного магнитопровода броневого трансформатора позволяет снизить магнитные потери магнитопровода, изготовляемого из разных марок анизотропной электротехнической стали, при повышении уровня магнитной индукции и сохранении сопротивления электроизоляционного покрытия. Существенное увеличение качества магнитопровода стержневого трансформатора, при относительно малых технических и энергетических затратах на его обработку, характеризует данный способ как перспективный для широкого внедрения на производстве, что позволяет развивать электротехнические устройства на новом качественном уровне.

1. Способ обработки шихтованного магнитопровода броневого трансформатора, содержащего ярма и стержни, набранные из отдельных слоев ферромагнитных прямоугольных, узких и широких пластин, отличающийся тем, что отдельные прямоугольные и Ш-образные пластины вырезают из рулонной ленты вдоль направления ее прокатки, осуществляют отжиг при 700-800°C в течение 60-20 минут, медленно охлаждают до 20°C и поперек прокатки наносят зоны локального лазерного воздействия по всей длине отдельных пластин ярма, стержней и частей Ш-образного ярма, ориентированных вдоль прокатки, для стали с крупным зерном 15-50 мм с интервалом 5-2 мм, с мелким зерном 5-15 мм - 15-5 мм, в местах сочленения отдельных пластин ярма и стержней, лазерное воздействие осуществляют ступенчато, формируя угловой фронт под углом 45 градусов к направлению прокатки пластин, причем на поперечно ориентированной к прокатке части Ш-образных ярем магнитопроводов наносят зоны локального лазерного воздействия вдоль направления прокатки, а в пластинах, предназначенных для отдельного ярма Ш-образного магнитопровода, в местах стыка ярма и стержней лазерное воздействие осуществляют вдоль направления прокатки ступенчато, затем формируют пакет замкнутого магнитопровода, укладывают концы пластин отдельного ярма встык к ярмам и стержню Ш-образной части под углом 90-градусов в каждом слое и в последующем слое внахлестку к предыдущему слою, перекрывая стыки между пластинами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что и на обратной стороне изготовленных пластин дополнительно наносят зоны лазерного воздействия на стали толщиной 0,3-0,8 мм и с крупным зерном.