автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка магнитно-мягких материалов с заданными свойствами для специальных электрических машин

министерство образования украины харьковский государственный автомобнльно-дорожный технический университет

На правах рукописи

Анисимова Элеонора Ромуальдовиа

Разработка магнитно-мягких материалов с заданными свойствами для специальных электрических машин

Специальность 05.02.01 - материаловедение в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1996

n - * - — —

институте

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Академик АЙИ Украины

A.М.Олейников.

Консультант - кандидат технических наук, доцент

B.А.Михайлиди.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники Украины С.С.Дьяченко. - доктор технических наук, профессор, заслуженный рационализатор ССОР А.И.Яковлев

Ведущая организация - Севастопольский завод им. В.Д.Калмыкова Защита состоится. "// " ¿l/f^l&iA 1996 г.

Л

час.

на заседании.Специализированного совета К 02.17.01 в Харьковском государственном автомобильно-дорожном техническом университете по адресу 310078 г.Харьков, ул.Петровского,25 Телефон:. 4.9-91-05

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке ХГАДТУ Автореферат разослан /7UstCt^pli^— 1396 г.

Ученый секретарь Специализированного Советафй. 17.01.

к.т.н. ,доц. Qj-iCuu^-^- Косьшш A.B.

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Хюугхыкхяь расатл. Наиболее оироко применяемыми электрически,«! меишами среди судовЕК двигателей являются асинхронные -двигатели (АД), которые составляют около 90% всего пар::а переменного тока. Домишфующее положение по количеству и установленной мощности занимают среди них АД с короткозамкну-таш ротора»,га (АДКР). Однако эти двигатели тлеют ряд недостатков, например: высокие пускоьые токи, которые вызывают значительные провалы напряжений особенно при пусках от сети соизмеримой мощности; большие потери энергии в переходных режимах, что ограничивает допустимое число пусков и реверсов; значительный нагрев двигателя в динамических режимах.

В связи с этим в настоящее время Сергее внимание групп'-' ученых под руководством В.С.Могильникова и А.М.Олейникова уделено созданию АД с массивными и двухслойными роторами, которые, по сравнен™ с АДКР, имеют более простую конструкцию, меньшую кратность пускового тока при высокой кратности пускового момента, малые пусковое и тормозные потери.

К их. недостаткам следует отнести низкие энергетические показатели при работе с номинальной нагрузкой в длительных режимах. Эти недостатки могут быть уменьшены не только путем модификации конструкции двигателя, но и за счет использования при их изготовлении новых материалов и новых технологий.

Указанные материалы долзены иметь вполне определенные электромагнитные характеристик;!. В.С.Мог;иьи::;-:с;и:,; созрмулиро-.вакы основные требования, предъявляемые к электромагнитным характеристикам материалов для массивных и двухслойных роторов АД малой и средней мощности, рассчитанных на продолжительный реяим работы:

- 2 -

р - (1,0...2,0)*10~7'0м*м и Иг- (20...50) при напряженности магнитного поля Н -(5...20)*103 А/и.

Для двигателей, работающих в повторно-кратковременных динамических режимах работы, значение удельного электрическог сопротивления должно быть увеличено до -

. р -=(2,0.. .6,0)*10""7 0м*м.

Над созданием такого материала работала группа ученых и результате В.А.Михайлвди и А.Н.Стрельниковым был создан литс железо-медный сплав типа СМ с нужными характеристиками.

Недостатком этих сплавов является трудность получена стабильных электромагнитных характеристик, так как они опред€ ляются не только основным химическим составом сплава, но и ле гирующими присадками и составом стального лома, используемых технологическом процессе литья. Кроме того эти сплавы склон? к ликвации, а технологический процесс отливок втулок роторе сопровождается большими отходами и требует их последующей м« ханической обработки.

В этом плане значительные преимущества имеют композициог дае материалы.

Цель работы. Создание магнитно-мягких материалов с задш ными электромагнитными свойствами для роторов специальш электрических малшн, способных работать в электроприводах с сложными динамическими режимами и в автономных знергетичесга установках.

Для достижения поставленной цели в работе были исследов; ны следующие основные вопросы:

1) теоретическое обоснование возможности создания магниг но-мягких композиционных материалов со структурой, обеспечив; ющей заданные электромагнитные свойства.

2) разработка материалов определенной составов и способ«

их получения.

3) исследование закономерностей ' влияния технологических факторов на структуру, механические свойства и электромагнитные характеристики предложенных материалов; выбор оптимальных параметров их получения и на этой основе разработка экономичной технологии изготовления из них деталей роторов асинхронных двигателей.

4) .проведение стендовых испытаний.асинхронного двигателя с ротором, изготовленным из предложенного материала.

Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований показана"принципиальная возможность создания магнитно-мягких композиционных материалов .с заданными свойствами. Установлены закономерности влияния технологических параметров на формирование структуры и свойств материалов. Определены оптимальные диапазоны основных параметров технологии получения материалов. Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать величину удельного электрического сопротивления при варьировании технологическими факторами и составом материала.

Практическая ценность работы. Получены магнитно-мягкие материалы с требуемым комплексом свойств для роторов асинхронных двигателей малой и- средней мощности, работающих в стационарных и динамических режимах. Отработана и доведена до промышленного внедрения технология изготовления втулок роторов АД. Выполнены лабораторные и стендовые испытания двигателя 2ДШ11252, в результате которых установлено, что характеристики двигателя, изготовленного из железо-медного магнитно-мягкого композиционного материала, не уступают двигателю с ротором из литого материала, но отличаются стабильностью характеристик. Сформулированы практические рекомендации по использованию же-

- леэо-алшин;я-во-ы?дных• ком&озициовных • материале®' для поверхностных покрытий роторов с цель» увеличения номинальной мощности двигателя с сохранением благоприятных пусковых свойств к изготовления.втулок роторов АД, работающих в динамических режимах . -

Работа выполнялась в соответствии с планом научно-иссле-. довательских работ Севастопольского Военно-Морского института.

Апробация. Основные положения диссертации обсуждены на научно-технических семинарах и конференциях: Республиканских научно-технических конференциях "Проблемы и опыт использования методов и средств при малоотходной и безотходной технологии" (г.Севастополь, 1985), "Создание и внедрение САПР технологических процессов и оснастки" (г.Севастополь, 1986), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы прочности композиционных материалов" (г.Севастополь, 1988), Международной научно-технической конференции "Механика и новая технология" (г.Севастополь, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано, 8 работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и общих'выводов, списка использованных источников из 105 наименований и приложения на 24 страницах, содержит 31 рисунок,-32 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Натериали и методика их исследований. Исследования выполнены на магнитно-мягких материалах, в основу которых положена железо-медная композиция. Это объясняется в первую очередь тем, что келезо. отличается довольно высоким удельным электрически.! сопротивлением р и высокой относительной магнитной про-

ницаемостьм 5. медь - низким удельны».', электрическим сопротивлением и приемлемой относительной магнитной проницаемостью. Поэтому для получения заданного сочетания электромагнитных характеристик требуется определенный диапазон по содержанию меди в железо-медной шихте. Для получения материала с повышенным р при сохранении оптимального (хг для двигателей, работающих в динамических режимах, предложена железо-алюминиево-медная композиция, т.к. получить необходимую магнитную проницаемость при повышенном р, которое получается изменением содержания меди в шихте, не представляется возможным.

Одним из требований к технологическому процессу при разработке материалов являлось возможность использования самого простого и доступного метода их получения. Установлено, что композиции на основе келеза вполне допустимо получать методом холодного прессования и последующего спекания. Свойства, в том числе и электромагнитные зависят не только от химического состава материалов, но и от технологических параметров процессов-их получения, формирующих структуру и пористость. Как известно, пористость порошковых материалов оказывает активное влия-

*

ние на их электромагнитные свойства, в частности она увеличивает удельное электрическое сопротивление и снижает относительную магнитную проницаемость.

Основными технологическими факторами, определяющими электромагнитные характеристики являются давление прессования, температура, время выдержки и атмосфера спекания.

Относительная плотность прессовки находится в прямо пропорциональной . зависимости от'давления прессования.. Для обеспечения прочностных и электромагнитных свойств плотность прессовок долита быть приближена к плотности компактного материала и для . прессовок на основе железа и меди должна быть не выше

10...12%.

Кроме того относительная плотность прессовки прямо пропорционально зависит как ог давления прессования так и ог объемного веса частш порошка и их формы, ""температуры и времени выдержи при спекании. Чем выше давление прессования тем выше плотность прессовки и материал по плотности ближе к компактному. Однако абсолютная величина давления прессования для получения максимальной плотности для каждого материала своя и зависит от формы, размера частиц порошка, его насыпной плотности и прессуемости. Анализ процесса уплотнения при прессовании порошковых материалов говорит о том, что лучшие результаты достигаются при средних давлениях прессования, не превышающих сопротивление, сжатию (бек) пластичного порошка; применении активных смазок, тщательной подготовке стенок лрессформы и др.

Анализ влияния содержания меди на эксплуатационные свойства порошковых материалов пс.сазал, что процентное содержание меди в шихте'следует рассматривать как фактор, влияющий на уровень электромагнитных характеристик железо-медных композиций. Показано также, что для улучшения электрических свойств следует стремиться к пористости материала менее 10%, для чего предлагается проводить двухкратное прессование.

Для прессования железо-медных материалов, установлено минимальное удельное давление прессования Руд.» 0,4 ГПа. Для получения пористости равной приблизительно 10% его следует увеличить до 0,8...0,9 ГПа. Полученный в результате прессования брикет не обладает заданными механическими и физико-химическими свойствами и подлежит спеканию. Спекание может быть твердофазным ,и жидкофазным.

Железо-медные композиции относятся к системам, обладающим ограниченной растворимостью. При содержании меди около 20%,

что гораздо выше ее предельной растворимости в железе, верхний предел температуры спекания не долг.ен приводить к расплавлению и как следствие к вытеканию меди, а ее нижний предел ограничивается качеством спеченной прессовки. Исходя из этого, предварительный интервал температуры спекания Fe-Cu композиций должен составлять 1ООО...1050°С.

Поскольку структура и пористость являются важными факторами, определяющими уровень механических и электромагнитных характеристик'материала,.и в то же время зависят от процессов, протекающих во времени при высоких температурах, подлежит исследованию влияние времени выдержки при спекании на электромагнитные свойства железо-медных композиций.

Fe-Al-Cu магнитно-мягкие композиционные материалы спекались с использованием жидкой фазы, в качестве которой использовался доэвтектический сплав алюминия с медью, состояний из ос -твердого раствора Си в А1 и эвтектики при соотношении компонентов 1:2 и температуре плавления 548°С. Поскольку, образующиеся в результате диффузии при спекании интерметаллидные соединения типа Fe3Al; СиА1г повышают электросопротивление, желательно ограничить количество алюминия и меди до уровня-; обеспечивающего прочность заготовки после спекания, и время выдержки при спекании.

При спекании железо-алюминиево-медных композиционных материалов основные проблемы связаны с наличием на поверхности алюминиевого порошка оксидной-пленю? (AlvOa), являющейся серьезны},( препятствием контактообразозанию частиц. Разрушение ок-сщной пленки возможно, если использовать различные добавки, например, галогенидов типа СиС1г, ZnCle или флюсующих соединений типа NH4 С, I!aF. Однако необходимо рассмотреть их влияние на электромагнитные характеристики Fe-Al-Cu композиций.

К магнитно-мягким материала),!, предназначенным для изготовления втулок массивных и двухслойных роторов АД не предъявляется специальных требований по прочности и твердости. Однако в процессе работы асинхронных двигателей втулки роторов -испытывают определенные нагрузки, поэтому параллельно с,"электромагнитными свойствами проверялась и твердость материалов.

Все характеристики материалов проверялись на готовых образцах после их спекания.

Измерение твердости производилось на кольцевых образцах по методу Роквелла, использовалась шкала В, прочность определялась расчетным путем, исходя из показаний твердости, по эмпирической формуле б-0,34*НВ.

На таких же образцах измерялось удельное электрическое сопротивление прессовок. Измерения р на кольцевых образцах проводились с использованием известной методики - двойным мостом.

Относительная магнитная проницаемость определялась по статической.кривой намагничивания. Для получения кривых намагничивания --необходимо измерение магнитных потоков. Измерение магнитных потоков осуществлялось баллистическим методом. По полученным значениям индукции магнитного поля и соответствую-•шим им значениям напряженности построены статические кривые намагничивания B=f(H),a величина иг рассчитывалась как огноез-ние величины индукции к напряженности магнитного поля ii,r-B/(H*4*T)*10"""7).

Статистическая обработка результатов исследований проводилась по оригинальней программе, написанной на языке Basic, на ПВМ ЕС-1845.

получения

магнитно-мягких желэ-

Рззработка технологи;! зо-ыедшк материалов.

Влияние параметров прессования на ыехаюгчеашэ, мзпвггние к электрические свойства Ре-Си композ.чцяп.

Исследования влияния удельного давления прессования, температуры и времени выдержи при спекании на твердость, удельное электросопротивление и магнитные свойства проводились на кольцевых образцах, изготезленных из железного порошка Ш2М2 ■ (ГОСТ 9849-74) и медного порошок ПМ-2 (ГОСТ 4960-75) состава

НЯВ

45 40

35

ЯО'7 Ом'-м 1.4

1,3

1.2

и 1,0

/ ! ' 1 1

] У 1 /

. Руд

р.|0-7 752 Ре и 25% Си. Для

ОН'М

получения однородной

1.3 1,2 1,1

45

15 30

РиШ. Зависимость твердости НШ и удельного электрического сопротивления р от удельного давления прессования Руд. (а) и времени ныдеркки при спекании (б) Ре-Си композиционных материалов.

шихты применено механическое перемешивание в течение 4 часов при вращении смесителя с частотой вращения

150...200 об/мин с добавлением 1% олеиновой кислоты. Кольцевые образцы прессовались при различных давлениях от Р-0.4 ГПа до Р-0.9 ГПа с выдержкой времени в течении 1 • минуты. Спрессованные образцы подвергались спеканию"в защитной среде ( порошок окиси алюминия ) при температуре 1050°С с выдержкой времени при

спекании - 30 минут. Результаты испытаний на твердость получениих образцов показали, что с увеличением давления прессования при прочих одинаковых условиях, твердость, а следовательно и прочность, прессовок расте'йреднем составила 6-267...297

р

МПа, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к прочностным характеристикам втулок роторов АД, поэтому специальных исследований по прочности железо-медных материалов не проводилось. На этих же кольцевых образцах исследовалась зависимость удельного электрического сопротивления от давления прессования.

По результатам зависимости твердости от давления прессования выявлено, что при повышении давления прессования больше 0,8 ГПа наряду с увеличением р имеет место снижение твердости прессовок (Рис.1а) Это связано с упругим последействием, возникающим при высоких давлениях и вызывающим снижение величины остаточной поверхности. Таким образом, удельное давление прессования 0,8 ГПа является критическим, а твердость материала, полученная- при этом давлении НИ346 (НВ80) определяет максимальное критическое напряжение материала.

Влюхкке параметров спекашет ца элэггеромагшхтикз характе-рязпгш галозо-ыедшд: композщианнгп: материалов.

При исследовании влияния температуры спекания на удельное электрическое сопротивление'железо-медных ¡композиций прессование производилось при удельном давлении Руд.-0.6 ГПа, а спекание - при различных температурах: 1040°С и 1100°С (вблизи температуры плавления меди).

Температура 1050°С соответствует пластическому состоянию меди (^пл - 1083°С), температура 1100°С - ее расплавленному

состоянию.

Установлено, что повышение температуры спекания приводит к снижению р, однако увеличение температуры выше 1100°С нецелесообразно, так как это приводит к расплавлен™ меди, вытеканию ее из прессформы и выгоранию (подтверждено экспериментально). Учитывая погрешность термопар, следует остановиться на температуре спекания не превышающей 1050°С.

Обращает внимание и то,- что р меняется при изменении времени выдержки при спекании. -Это может быть объяснено тем, что 'процесс образования железо-медных брикетов при спекании связан с диффузией.

Экспериментальное исследование изменения удельного электрического сопротивления железо-медных прессовок в функции вре-. мени выдержки при спекании образцов, спрессованных' при одинаковом давлении ( Руд.-0,6 ГПа) и спеченных-при одинаковой температуре (1050°С), показало, что с увеличением времени выдержки при спекании удельное электросопротивление растет, а затем ( при X более 45 мин.) даде несколько падает (Рис.16). Это можно объяснить тем, что при спекании прессовок из разнородных .материалов (в нашем случае хелеза и меди) за счет активной диффузии меди в железо начинается рост пористости, который сопровождается разрывом металлических контактов, межчастичным скольжением частиц относительно друг друга и т.д., что приводит к росту удельного электрического сопротивления в начальный период спекания. Кроме того в процессе спекания за счет диффузии меди в железо образуется неупорядоченный твёрдый раствор замещения меди в железе при этом атомы меди, нарушая периодичность кристаллической решетки, сами действуют как новые центры рассеяния для электронов проводимости, что приводит к повыше-юсо электросопротивления. При увеличении времени выдержки при

спекании более 45 минут у Fe-Cu порошкового материала происходит естественное для уплотнения снижение удельного электросопротивления .

Результаты исследований по влиянию содержания меди на электромагнитные характеристики железо-медных композиционных материалов спрессованных при Руд.-О,6 ГПа, спеченных при tcn.-1050°C и тв-30 минут показали, что для обеспечения оптимальных значений удельного электрического сопротивления и относительной магнитной проницаемости материалов, предназначенных для изготовления втулок роторов АД, работающих в стационарных режимах, химический состав композиций должен быть Fe -70...80%; Cu - 20...30%.

Для построения кривых намагничивания материалов, полученных при различных технологических параметрах прессования и спекания исследовалась зависимость B-f(H) железо-медных композиций. По результатам зависимости р и |ir от технологических параметров выявлено, что оптимальные электромагнитные характеристики . р-(1,23...1,6)*10"7 0м*м и Иг"36...40 при Н-20000 А/м имеют указанные композиции, спрессованные при Руд.-О,б...0,8 ГПа и спеченные в среде AI2O3 при температуре 1050°С в течение 45...60 минут и имеющие структуру oc-твердого раствора Си в т-келезе предельного насыщения и включения меди.

Некоторые сравнительные экспериментальные данные железо-медных магнитно-мягких материалов приведены в таблице 1.

Выведено эмпирическое уравнение, позволяющее рассчитывать удельное электрическое сопротивление предлагаемых магнитно-мягких железо-медных материалов, в зависимости от параметров технологического процесса их получения и химического состава, которое имеет следующий вид:

- 13 -

р -(1,661+0,404*Р+1,84*10-2*Т-3,4*10~2'*Си-1,247*10~2*Р*Т--0,477*Р2+6,392*10~5*Г2)*10~7 0м*м

Таблица 1

Электромагнитные и механические характеристики железо-медных кошозиционных материалов.

ММ п/п Состав Марка ¡келез. порошка Руд ГПа °С •Св. мин Твердость НЮ р*10~7 0м*м в, Тл Н*103 А/М

Си%

1 75 25 ПЖЗ 0,6 1050 30 41 1,25 -- --

2 75 25 ПЖЗ 0,6 1050 45 — 1,40 0,940 20,3

3 75 25 ПЖЭ 0,6 1050 60 — 1,36 1,255 41,6

4 75 25 пжэ 0,6 1100 30 — 1,04 1,060 45,0

5 75 25 ПЖЭ 0,6 1100 60 — 1,40 1,060 39,4

6 75 25 пжэ 0,7 1050 30 — 1,165 — --

7 75 25 ПЖЭ ■ 0,8 1050 30 46 1,10 — —

8 75 25 ПЖЭ 0,9 1050 30 43 1,38 — --

9 70 30 ПЖЭ 0,6 1050 30 44 1,11 1,280 58,0

10 80 20 ПЖЭ 0,6 1050 30 44 1,11 1,260 61,0

11 75 25 пкм 0,6 1050 60 — 1,46 1,056 31,5

12 75 25 ПЕ5ВМЗ 0,6 1050 60 — 1,56 1,080 31,5

13 75 25 2013 0,6 1050 60 — 1,69 .1,120 31,5

Разработка технологий получешгя га лоз о - а ш:! п п п е о- м о ди ыг иомпоз12Ц5о:пкгк нстерзгалоз для кзготевлеиет втулок роторов АД с улучпэкшпускоплш хгргхкзркзязхьах.

Вл:аип:э н ие&г ва >.:аг1гг:х'пь:э и электргпсскиэ

свойства железо-алмшшиево-медных кокпозиционкыг материалов.

Исследования влияния некоторых добавок (NH4CI, NaF, NaCl, CuCl¿ ), разрушающих оксидную пленку на поверхности алюминиевых частиц, на удельное электрическое сопротивление железо- алюминиево-медных прессовок проверялось на составе Fe -Q7Z; Al- 2%; Cu - 1Z. Для изготовления образцов использовались: 'железный порошок марки 1ШМ ГОСТ 9849-74, изготовленный СКВ института органической химии АН СССР, алюминиевая пудра, порошок медный МП ГОСТ 4960-75.

Прессо'вга прессовались при Руд.-0,7 ГПа и спекались при температуре-на 30...50°С выше температуры плавления эвтектики, то есть -600°С, время выдержки при спекании - 3 часа. Расчет веса составляющих шихты во всех случаях производился исходя из необходимости получения образцов с пористостью не более 10%, что должно". обеспечить требуемую высокую плотность прессовок, например у - б.З... 6.5 г/см3.

Анализ результатов показал, что добавка NaCl создает наименьшее р," но повышает склонность спеченного брикета к коррозии.

- Прессование и спекание следующей группы образцов выполнялось с целью определения содержания Си и Al, образующих жидкую фазу в прессовке, в количестве необходимом для получения прочной прессовки и минимальной величины удельного электросопротивления. В результате исследования влияния алюминия и меди на электрические и ,магнитные свойства - железо-алюминиево-медных композиционных материалов установлено, что в среднем р -2,725*10~7 0м*м имеют прессовки состава: 98,5%Fe; 1%А1; О,5%Си,. и при этом обеспечиваются требования, предъявляемые к р.г материала ротора АД. Установлено также, что с повышением.в составе материала содержания алюминия до 4% и меди до 2% моно-

тонно растет его удельное электртгаеское сопротивление магериа-

0м*м (Рис.2).

На этих же

ла в среднем до р-9,84*10

рм'7

С-.-м ".О

5.С 3.0

г^/ тУ

№ Г

I»5 2,5 3,5 - /о Ркс.2. Зависимость удельного электрического сопротивления р от состава Ре-А1-Си композиционных материалов.

кольцевых образцах определялась зависимость В-Г(Н) и построены кривые намагничивания , которые показали, что магнитные Ж* Си характеристики железо-алюмшшево-медных композиций соответствуют заданным.

Влияние дк$$узконних процессов, вознипакхцих при спекании, па удельное электркческсэ сопротлвлэшта кслезо-алиминиево-нед-Н!П композиций.

Благодаря активной диффузии компонентов, возникающих при спекании железо-азпошпшево-медных композиций, на их структуру образуются прослойки интерметаллидов увеличивающие, согласно зависимостям Курнакова, твердость и удельное электрическое сопротивление всей прессовки. Толщина этих-прослоек растет с увеличением времени выдержки при спекании от 15 минут до 2-х часов, что приводит к росту удельного электрического сопротивления материала б среднем от 3,9*10~7 0м*м до 9,8*10-7 Ом*м у образцов состава Ре - 95,5%; А1 - 3%; Си - 1,5%, спрессованных при Руд.=0,7 ГПа к спеченных при температуре 580...6С0°С. В исследуемых материалах этот процесс шкяо связать только с об-

'разованием Fe-Al и Cu-Al кнтерметаллидов, при этом чем больше время выдержки, тем активнее процесс их образования и соответственно выше электрические характеристики материала. Таким образом, установлено, что изменяя время выдержки при.спекании от 30 до 90 минут и состав материала, можно менять его удельное электрическое сопротивление в пределах заданного для рото^ ров АД, работающих в динамических режимах, при сохранении необходимой относительной магнитной проницаемости.

Рассмотрение возможности использования математической модели для расчета электрической проводимости многофазных композиционных .материалов.

При рассмотрении возможности использования математической модели для"расчета электрической проводимости многофазных композиционных. . материалов установлено, что использовать уравнение , применяемое .в практике расчета проводимостей статистических систем' не представляется возможным, гак как определение объемного'содержания фаз матрицы затруднительно, кроме того отношение., проводимостей фаз, образующихся при спекании желе-зо-алюминиево-медных прессовок, равно приблизительно 8 при допустимом для расчета отношении проводимостей 0,5...1,75. Это связано в первую очередь с тем, что образующиеся интерметалли-ды имеют высокое электросопротивление, например, у Fe3Al -р-8*10-7 Ом*м, а, рассчитанное с помощью зависимостей Курнако-ва, удельное электрическое сопротивление Сшйг приблизительно составляет 16*10-7 Ом*м. Поэтому для расчета удельного электрического сопротивления предлагается использовать полученную в результате обработки эксперт,(ентальных данных математическую модель p-f(Cu,Al) в виде неполной квадратичной зависимости ви-

да:

р-(5,146-3,433*А1-1,937*Си+ 3,964*А1*Си)*10 ~7 См*м

Исследования показали правильность ЕЫбранкой математической модели, а также возможность ее использования для прогнозирования изменения удельного электрического сопротивления при изменении состава железо-алюминиево-медкзго магнитно-мягкого композиционного материала.

Разработка технологии изготовления злэуентос роторов АД композиционного I!агнигио-мягкого материала.

Приведена методика, по которой производился расчет насыпного веса составляющих шихты, размеров деталей прессформы, их прочностные расчеты, разработаны рабочие чертежи деталей прессформы, приведена технология изготовления втулок роторов, включающая последовательно все операции технологического цикла, начинал от подготовки порошков к прессованию и заканчивая допрессовкой после спекания спрессованных заготовок для получения. пористости материала менее 10%. Показано, что на. основе предлагаемой технологии отработана зкожжичная технология из-, готовления втулок двухслойных роторов целиком с массивным цилиндром. Для корабельных двигателей типа 22,£311232 изготовлены опытные образцу двухслойных роторов с применением описанной технологии из прессованного когагазгщиокного материала состава-22,5%Си остальное Ге с толщиной массивного цилиндра 12 мм. В результате лабораторных исследований и опытной эксплуатации установлено, что характеристики двигателей-с роторами, изготовленными из композиционного материала не уступают двигателям с роторами из литого материала, но имеют более стабильные характеристики, является более экономичными с точка грешга кс-

пользования исходных материалов, технологии изготовления и отсутствия необходимости в последующей механической обработке. Показано, что использование газопламенного напыления на по- -верхность ротора материала с высоким р позволяет повысить энергетические показатели двигателей. Для напыления втулок роторов АД; работающих в продолжительных режимах предлагается использовать железо-алюминиево-медную композицию с удельным электрическим сопротивлением р-(2,2...9,7)*10-70м*м. Отмечено, что магнитная проницаемость таких композиций имеет более низкое значение по сравнению с материалом втулки ротора, что в конечном результате обеспечивает улучшение номинальных данных двигателя с сохранением благоприятных пусковых свойств. Показано изменение во времени пускового тока двигателя 2Д112МА4 с различными роторами, изготовленными из железо-ашоминиево-го-медного'композиционного материала, литого сплава СМ25 и ко-роткозамкнутого ротора, при этом величина пускового тока двигателя с ротором, изготовленным из железо- алюминиево-медной композиции почти в два раза меньше, чем у двигателя с коротко-замкнутым ротором и приблизительно на 30% ниже, чем у двигателя с "ротором, изготовленным из литого сплава СМ25.

ОБЩИЕ-ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснованы возможность создания и способ получения магнитно-мягких композиционных материалов с заданными электромагнитными свойствами.

2. Установлены закономерности влияния основных технологических параметров и химического.состава материалов на формиро-. вание их структуры и свойств. Определены .оптимальные диапазоны технологических параметров, создающие необходимую пористость (менее 10%), и обеспечивающие требуемые свойства, в следующих

пределах:

состав Fe-Cu . Fe-Al-Cu

- удельное давление

прессования Руд.-0,6...0,8 ГПа; Руд.-0,6...0,8 ГПа;

- температура спекания tCn.~1040...1050°С; ten.-580...600°С;

- время выдержки

при спекании тв-45...60 мин. тв-30...90 мин.

3. Экспериментально определено влияние марки используемых порошков железа и меди на электромагнитные свойства композиций, сформулированы предложения по использованию марок порошков.

4. Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать величину удельного электрического сопротивления при варьировании технологическими факторами и составом железо-медного и железо-алюминиево-медного магнитно-мягких композиционных материалов.

5. Для роторов АД малой и средней мощности, работающих в стационарных режимах, созданы композиционные железо-медные материалы состава: Fe- 70...80% и меди 20.^.30% с оптимальными электромагнитными характеристиками р-(1,1.. .1,64)*10~7 Ом*м и Иг-20...50.

6. Для изготовления втулок роторов АД малой и средней мощности, работающих в динамических режимах и их газопламенного напыления с целью увеличения номинальной мощности двигателей с сохранением благоприятных пусковых свойств, рекомендуется полученный Fe-Al-Cu композиционный материал состава Си-0,25...1,51, Al- 1,0...3,0%, остальное Fe с удельным электрическим сопротивлением р-(2,23.. .5,б)*10~7 0м*м и ¡j.r-20.. .50.

7.Созданные материалы имеют, по сравнению с литыми сплавами СМ аналогичного химического состава следующие преимущест-

ва:

- стабильные электромагнитные свойства;

- отсутствие ликвации;

- отсутствие потерь и затрАт при механической обработке.

8. Лабораторные к стендовые испытания двигателя 2ДМШ112Б2 показали; что двигатели с ротором, изготовленным из композиционного материала не уступают двигателю с ротором из литого материала, но отличаются стабильностью характеристик, а процесс их изготовления является более экономичным с точки зрения использования исходных материалов, технологии изготовления втулок роторов и отсутствия необходимости их .механической обработки.

9. Отработана технология изготовления втулок роторов 2ДМШ11252: и внедрена на НПО "МУССОН", что дало экономический эффект "около 72 млн.крб. в ценах 1995 года.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1." Олейников A.M., Анисиыова Э.Р. Направления совершенствования конструкции и технологии изготовления асинхронных двигателей с массивным ротором. У/Брошюра, Киев, Общество "Знание", 1990г., 2...6с.

2..„Анисимова Э.Р., Олейников A.M., Сердюк Г.Г. Порошковые . материалы с заданными электрическими и магнитными свойствами для массивных и двухслойных роторов асинхронных двигателей. //Ж. Порошковая металлургия", N9, 1990г., 87...91с.

3. Анисимова Э.Р. Алгоритм обработки результатов пассивного эксперимента по отработке технологии получения порошковых материалов для АД. \\ В сборнике статей Оптимизация рабочих параметров производственных конструкций: Севастополь, 1993г.,

С.7.

4. Анисимова Э.Р. Железо-алюминиево-медные порошковые электротехнические материалы. //В сборнике статей Оптимизация рабочих параметров производственных конструкций: Севастополь, 1993г., с.6.

5. Анисимова Э.Р. Электротехнические порошковые материалы, легированные алюминием. //В научно-техническом сборнике Оптимизация производственных процессов., Севастополь-Alliance-Francaise, 1994г., с.52...53.

6. Анисимова Э.Р., Олейников A.M., Сердюк Г.Г. Порошковые материалы с заданными электрическими и магнитными свойствами для массивных и двухслойных роторов асинхронных двигателей. // Деп. в ЦСИФ, 1989, Сб. реф. деп. рукописей,. вып.10, сер.Б, N В 1320,-1989г.

7. Олейников A.M., Анисимова Э.Р., Бондарчук О.Л., Максимович Б.И., Рассошинский А.Р. Направления совершенствования технологии производства двухслойных роторов асинхронных двигателей. \\ Деп. в ЦСИФ, 1989, Сб.реф.деп. рукописей, вып.11, сер.Б, N В 1465, 1989г.

- 8. Анисимова Э.Р.,к.т.н.Олейников A.M. Опыт проектирования технологии изготовления двухслойных роторов асинхронных двигателей. //Создание и внедрение САПР технологических процессов и оснастки: 'Тезисы докл. Респуб. НТ кокф. Севастополь,~ 1986г., с.25...26.

9. Анисимова Э.Р. Опыт использования новых технологий получения электротехнических материалов для корабельных асинхронных двигателей (АД). \\Механика и новые технологии: Сообще-' ние на Мекдунар. НТ конф., Севастополь, 1995г.

Личный вклад. Проведаны исследования влияния текнологических Факторов, состава, ' марок используемых порошков на электромагнитные свойства кэлезо-мэдно'го и жадезо-алюминие-во-медного композиционных материалов. Е результате обработки экспериментальных данных получены математические зависимости,* позволяйте рассчитывать величину удельного электрического сопротивления материалов .при варьировании технологическими Факторами и составом материалов. Отработана технология получения магнитно-мягких материалов с заданными электромагнитными свойствами.

АН0ТАЦ1Я

Анисимова Э. Р. Розробка магнатом'яких материалов 1з зада-ними властивостями для спец!альних електричних машин.

Дисертац1я на, здобуття наукового ступеня кандидата техн1чних наук за фахом 05.02.01 - матер:алознавство в машино-будуванн!. Харк1аський державний автомобхльно-дорожний техн!чний ун1верситет. Харк1в, 1996 р.

В дисертац!йн1й робот! досл!джено: моздив1сть отримання

композиШйних матер1ал1в з заданими електричними 1 магнз.тними

властивостями, а також вшщуе результата експериментальних

досл1джень. Установлено, що отриманий зал1зо-м!дний магни-

то-м'який материал може використовуватися для виготовлення

втулок масивних та двухшарсвих ротор1в асинхронних двигунйв,

■ . . ^ .

працюючих в статичних умовах, а зал13о-алюм1тевом1дний - для напилення втулок роторов АД з ц1ллю зб1льшення номшально! по-тужност1 двигун1в 1 виготовлення втулок двухшарових роторов АД, лрацкэчих в динамачних режимах;

Ключьов1 слова: композит йний матер1ал, електротехн1чн1 властпвост!, ротор.

ABSTRACT

Anisimova E. R. Creation of magnet-soft materials with pre-set characteristics for special electric machines.

The thesis for "Master of Technical Sciences" academic dogree on speciality 05.02.01 C Machine building materials). Kharkov State Motors and Highway Technical University, Kharkov, 1996.

The dissertation includes theoretical researches of manufacturing possibility of the composition materials with inteded electrical and magnetic characteristics and results of experimental researches as well. It has been stated that ironcopper magnet-soft materials can be used for manufacturing massive and double - layer rotor liners for asynchronous motor rotors that work under static conditions. Iron - aluminum -copper materials can be used for covering AM rotor liners to increase motor rated power, and to manufacture double-layer AM rotor liners that work under dinamic conditions.' Key words: composition material, electrical characteristics.

rotor.

Соискатель