автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Разработка технологий изготовления порошковых магнитных материалов для электротехнических изделий

На правах рукописи

Тимофеев Игорь Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

.ыА*-7

Москва 2009

003459656

Работа выполнена в Тверском государственном университете и в Московском энергетическом институте (техническом университете).

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Действительный член академии инженерных наук им. A.M. Прохорова, доктор физико-математических наук, профессор

Кустов Евгений Федорович

Действительный член АЭН РФ, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Иньков Юрий Моисеевич доктор технических наук, профессор Малинина Раиса Ивановна доктор технических наук, профессор Зайцев Юлий Владимирович

ФГУП' «НПП ВНИИЭлектромеханнки»

г. Москва

Защита диссертации состоится й^-^еяя^я 2009г. в 13 часов в аудитории на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при

Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250. г. Москва, Красноказарменная ул., 13.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., 14. Ученый совет МЭИ(ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан « 3 »ЗЦ^Ьхф&С-С

2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

М. В.Рябчицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, магнитопроводоз, магнитных шунтов и т. п.) поставило задачу проведения комплекса физических и технологических исследований по получению магнитных материалов с повышенными магнитными характеристиками.

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.

Приведенная работа восполняет пробел, который имеет место в данной отрасли науки и техники.

Цель работы. Целью работы является разработка технологии получения магнитомягких материалов методами порошковой металлургии, теоретические исследования закономерностей магнитных характеристик, возникающих от новых методов приготовления, создания оснастки технологического процесса порошковой металлургии, позволяющей создавать магнитопроводы различной геометрической формы с

улучшенными амплитудно-фазофыми характеристиками и практическое внедрение изделий по порошковой магнитной технологии в агрегатах и изделиях электротехники.

Анализ литературных источников свидетельствует, что исследованию процессов изготовления деталей методом порошковой метачлургии, являющимся одним из новых прогрессивных технологий, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых и специалистов.

Вопросы теории и технологии, формообразования и спекания порошковых и гранулированных материалов, рассмотрены в работах Г.И.Аксенова, А.Б.Альтмана, Р.А.Андриевского, В.А.Анциферова, М.Ю.Бальшина, С.В.Белова, Б.А.Борок, Г.А.Виноградова, П.А.Витязя, Я.Е.Гегузина, Ю.Г.Дорофеева, С.С.Ермакова, В.Н.Еременко, Г.М.Ждановича, В.А.Ивенсена, В.ГГ.Каташинского, О.А.Катруса, С.С.Кипарисовэ, М.С.Ковальченко, А.Г.Косторнова. Г.С.Креймера. Ю.В.Левинского, Г.А.Либенсона, Е.Б.Ложечникова, Н.В.Манукяна, Г.А.Меерсона, Н.Н.Павлова, В.Е.Перельмана, Я.Б.Пинеса, И.Д.Радомысельского, В.С.Раковского, А.И.Рудского, О.В.Романа, Г.В.Самсонова. В.М.Сегала, В.В.Скорохода, А.В.Степаненко, И.М.Федорченко, И.Н. Францевича и других, а также ученых дальнего зарубежья: Айзенкольба, Джеймса, Джонса, Кучинского, Ленеля, Ояне, Ристича, Хауснера и других.

В значительной мере теоретические положения физики и металловедения, электрических машин и аппаратов базируются на результатах работ современных отечественных и зарубежных ученых, к которым принадлежат: Г.Н.Александров, П.А.Арсеньев. В.Г. Баженов, А.М.Балбашов, О.А.Банных, К.А.Боярчук, Г.А.Бугаев, Б.К.Буль,

A.М.Глезер, Ю.Н.Драгошанский, Ю.В.Зайцев, Ю.М.Иньков, А.В.Иванов-Смоленский, Г.С.Кандаурова, Н.Г.Колбасников, И.П.Копылов,

B.М.Кондратов, В,Д.Кочетков, В.А.Кузнецов, П.А.Курбатов, И.О.Леушин, А.С.Лилеев, М.А.Любчик, Л.А.Макриденко, Р.И.Малинина В.М.Матюнин, Б.М.Могутнов, В.А.Нестерин, А.Г.Никитенко, Н.И.Носкова, Ю.А.Осипьян,

A.Г.Пастушенков, И.И.Пеккер, Ю.К.Розанов, С.В.Серебрянников, Г.П.Станулевич, В.М.Строев, В.П. Чепарин, В.А. Жаринов, Е.Н.Шефтель,

B.Н.Шоффа, D.Broun, R.S.Tebble, T.Nozawa, T.Yamamoto и другие.

Научные труды этих ученых и специалистов в основном определили

направление и характер теоретических и практических разработок, выполненных в настоящей работе.

Научная новизна.

1. Разработана теория влияния структурных дефектов типа дислокаций и плотности доменов относительно их кинематических характеристик взаимодействия в порошковых магнитомягких материалах на коэрцитивную силу, максимальную магнитную проницаемость, удельные потери и удельное электрическое сопротивление.

2, Определены 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:

- основные теоретические положения процесса намагничивания и перемагничивания магнитомягких материалов;

- методологические основы формообразования и спекания порошковых магнитомягких материалов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических процессов изготовления магнитопроводов;

- методы оптимизации геометрических форм магнитопроводов постоянного тока;

- новые классы магнитных систем переменного тока, выполненные различными методами дискретного прессования.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоят в следующем:

- внедрение 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 магнитопр оводы 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;

- внедрение 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 7774005), 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-] 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 17000 и уменьшить коэрцитивную силу до 7,9 А/м;

- введением высокотемпературного отжига, примененного на магнитных системах, в технологический процесс производства реле ЭП-41В 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 аналогичными 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 аналогичных трансформаторов малой мощности снизить расход потребляемой мощности на 23%, повысить КПД на 24% и поднять Соэф на 27%;

- внедрение спеченных магнитопроводов, изготовленных по чертежам автора, с проведением опьпно-промышленных и эксплуатационных испытаний. Спеченные магншопроводы используются дая изготовления маталных систем сиюфонных двигателей типа ДВС-У1 на Чебоксарском предприятии ОАО «Завод электроники и механики». Внедрение разработанной конструкции позволило уменьшить затраты стали на 33%, увеличил. вращзоший момент га 13% и повысил. 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, доставил 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.

Реферируемая 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-техничесхой 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.), IH 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 теме диссертации составляет 59, в том числе монографий - 2, в рецензируемых журналах - 49. 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, канд. 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. Общий объем работы 300 страниц.

Первая глава посвящена обзору современных данных железокремнистых материалов спрессованных, спеченных магнитопроводов , способам их получения и определены основные направления проведения исследования с целью широкого применения данных материалов в электротехнических изделиях.

Проанализирован накопленный опыт результатов исследований, приведены результаты исследований различных авторов и установлено, что при 6,5% кремния наблюдается наибольшее значение максимальной магнитной проницаемости, при этом постоянные магнитострикции близки к нулю, а постоянная магнитной анизотропии составляет малую величину. На магнитные и электрические свойства материалов влияют способы изготовления магнитопроводов: давление прессования, температура и время спекания, скорость охлаждения и термомагнитная обработка. Повышению свойств магнитных материалов в значительной степени способствовало развитие теоретических явлений физики и металловедения магнитных материалов.

В данной главе также дан анализ и отмечена актуальность экспериментальных и теоретических работ, посвященных влиянию дефектов кристаллической решетки на свойства магнитных материалов, критически обсуждены выводы советских, российских и зарубежных авторов и указаны причины несовпадения данных при сопоставлении экспериментальных и теоретических результатов. Проведенный анализ литературы показал, что отсутствуют какие-либо данные исследований по дислокационной и доменной структуре железокремнистых сталей, содержащих 6,5 % Бь

Вторая глава «Экспериментальные методы исследования» содержит описание подходов в постановке эксперимента, способов и стадий получения исходных порошков и аттестации исследуемых образцов.

Методика изготовления магнитных систем включает в себя следующие операции: приготовление шихты, дозирование порошковой шихты,

тпошш тло ттпг»г\ттг1,"/мгл-и ттттт\"п.т /■»ч/тттг/'о т/гаттргшм

спекание прессовок, термическая обработка магнитных систем и получение монокристаллических материалов. Диагностирование магнитных систем состояло в измерении пористости, определении влажности, оценке формуемости, измерении свойств ферромагнитных материалов и определении удельных электрических потерь.

Изготовление образцов в виде колец размером 034х025х5-1О'3 м производилось для измерения магнитных характеристик, приготовление

П-, Ш-, Г-, Т-, С-, Б-, Н-образных и других типов магнитопроводов - для исследований и промышленных испытаний.

Прессование кольцевых образцов осуществлялось на гидравлическом прессе типа П-472, позволявшем получить давление до 0,06 МН, а остальных типов магнитопроводов - на гидравлическом прессе колонного типа 2ПГ-500 с максимальным давлением на всю контактную поверхность до 0,5 МН. Формование полых магнитопроводов осуществлялось на магнитно-импульсной установке типа МИУ-80/10 с наибольшей запасаемой энергией, равной 80 КДж.

Спекание, термомагнитная обработка и отжиг кольцевых образцов производились в шахтной печи сопротивления типа СШВЛ-0,6.2/16 М01, рассчитанной на максимальную температуру спекания 1600°С и вакуум 13,3-Ю"4 Па (10'5 мм рт. ст.). Для проведения систематизированных исследований и промышленных испытаний различных вариантов магнитопроводов применялась камерная печь сопротивления типа СНВЛ-1.3.1/16-М2, а для спекания мелкосерийных партий изделий - СГВ 2-3/15-2.

Магнитные измерения в магнитопроводах переменного тока выполнялись по ГОСТ 12119-80 методом амперметра-вольтметра, при этом в качестве амперметра применялся электронный амперметр типа Ф-563, а в качестве вольтметра - электронный вольтметр типа Ф-534. При необходимости результаты измерений контролировались феррометром типа Ц-50, а также ферротестером типа ТР-9801/А. Исследование магнитных свойств при перемагничивании с частотой от 50 до 2000 Гц проводилось с помощью звукового генератора Г3-34 и двух электронных вольтметров типа

предела прочности на сжатие применяли образцы цилиндрической формы с диаметром рабочей части, равным 20-10"3 м и высотой 40-10'3 м.

Испытание на кручение проводились на испытательной машине модели 2014МК-50 с наибольшим крутящим моментом 490 Н-м (50 кГс-м). Объектом испытания служили образцы цилиндрической формы с диаметром средней части 10-10"3 м и высотой 50-1 О*3 м. Испытание проводилось по ГОСТ 3565-80.

Дня проведения испытания на изгиб образец устанавливался на цилиндрические роликовые опоры, оси которых перпендикулярны продольной оси образца, и прикладывали сосредоточенную нагрузку посредине. Объектом испытания служили образцы прямоугольного сечения размером 10х8х55-10"3 м. Расстояние между опорами при испытании составляло 40-10"3 м.

Испытания на ударную вязкость проводились согласно ГОСТ 9454-78 нй маятниковом копр? ККж'30, оборудованном шкалой, по которой отсчитывается энергия, затраченная на разрушение образца. Объектом испытания служили образцы прямоугольного сечения размером 10x10x50-10" 3 м.

Твердость порошковых материалов определялась прибором типа ТГ1П-2 с расчетным диапазоном измерения 8-1500 НУ с испытательной нагрузкой ЮН (ГОСТ 2999-75).

Для определения механической износостойкости магнитные системы устанавливались на электрические аппараты (контакторы, реле, магнитные пускатели и т.д.). Задание режима работы производились мультивибратором, позволяющим регулировать частоту срабатываний от 0,04 до 16 циклов в секунду и ПВ от 25 до 80 %.

В третьей главе «Влияние структуры материалов, полученных методом порошковой металлургии (МПМ), на магнитные свойства» раскрыты физические методы формирования дислокационной структуры, позволившие управлять магнитными свойствами для получения качественных электротехнических изделий.

Формирование оптимальной дислокационной и доменной структур является физической основой для получения максимальных магнитных свойств электротехнических материалов. Дислокации и их группировки возникают в процессе кристаллизации, механической и технологической обработки, при больших скоростях нагрева и охлаждения, а также при облучении ядерными частицами. Взаимодействие доменной и дислокационной структур не оказышет влияния на магнитную индукцию насыщения, но значительно влияет на начальную и максимальную магнитную проницаемости и коэрцитивную силу. Величина магнитной индукции насыщения определяется в основном химическим составом материала и не зависит от режима кристаллизации, механической и технологической обработки.

На рис. 1 представлены зависимости максимальной магнитной проницаемее™ (а), коэрцитивной силы (б) и скорости движения доменных границ (в) от плотности дислокаций для магнитных материалов из железа с

различным содержанием кремния (1 - 0,05%; 2 - 1,9%; 3 - 4%; 4 -6,5%). С увеличением плотности дислокаций максимальная магнитная проницаемость уменьшается (см. рис. 1,а).

Ц^.10-2

1 - Fe; 2 - Fe-1,9 % Si; 3 - Fe-4 % Si; 4 - Fe-6,5 % Si С повышением содержания кремния от 0 до 6,5% максимальная магнитная проницаемость увеличивается, константа магнитной анизотропии и постоянная магнитострикции стремятся к нулю, а максимальное значение магнитной проницаемости увеличивается. Чем меньше плотность дислокаций и чем выше содержание кремния в сплаве, тем выше максимальная магнитная проницаемость. Яс, А/м

300 200 100

40

20

10

5 3 2

1

7ЮП 2 3 -4 5 71012 2 3 4 5 710I3N,«'2

Рис. 1,6. Зависимость коэрцитивной силы от плотности дислокаций для различных магнитных материалов: 1 - Fe; 2 - Fe-1,9 % Si; 3 - Fe-4 % Si; 4 - Fe-6,5 % Si

V, м/с 300

250

200

150

100

50

4 5 1011 2 34 5 1012 2 34 5 1С13 2 3 Км'2

Рис. 1,в. Зависимость скорости движения доменных границ от плотности дислокаций для различных магнитных материалов: 1 - Бе; 2 - Ре-1,9 % Бц 3 - Ре-4 % 51; 4 - Бе-6,5 % 81

Из рис. 1,6 видно, что с увеличением плотности дислокаций коэрцитивная сила увеличивается. С повышением содержания кремния от 0 до 6,5% константа К магнитной анизотропии и следовательно, коэрцитивная сила непрерывно снижаются в соответствии с формулой: НС«КП. Чем меньше плотность дислокаций и чем выше содержание кремния в сплаве, тем меньше коэрцитивная сила.

Из рис. 1, в видно, что с увеличением плотности дислокаций скорость движения доменных границ уменьшается.

Эксперименты показали, что скорость движения доменных границ адекватно уменьшается с понижением содержания кремния. Чем больше плотность дислокаций и чем меньше содержание кремния в сплаве, тем ниже скорость движения доменных границ.

Скорость перемещения доменов находится в прямой зависимости от подвижности доменных границ. С повышением содержания кремния в сплаве подвижность доменных границ существенно повышается. Такое повышение подвижности доменных границ в диапазоне полученных пределов изменения плотности дислокаций коррелирует с близким к нулю значением двух физических констант: постоянной кристаллической магнитной анизотропии и постоянной магнитострикции.

Физическая сущность повышения магнитных свойств состоит в том, что дислокации определяют кинематические характеристики движения доменных границ.

Не меньший интерес представляют зависимости коэрцитивной силы и максимальной магнитной проницаемости от концентрации доменов.

N Л. г- - Ч.

Г V ,4

С "V фз 7

Г ¿к •■г

2 4 ЗгМ

1 1 II п ччч

Рис. 2,а. Зависимость коэрцитивной силы от концентрации доменов для различных магнитных материалов: 1-Ре; 2-Ре-1,9%5г; 3-Ре-4%51; 4-Ре-6,5%Б1

Рис. 2,6. Зависимость максимальной магнитной проницаемости от концентрации доменов для различных магнитных материалов: 1-Ре; 2-Ре-\SVoSv, 3-Ре-4%51; 4-Ре-6,5%51

На рис. 2,а представлены в логарифмическом масштабе результаты эксперимента по измерению коэрцитивной силы в зависимости от средней концентрации доменов для различных магнитных материалов.

Из рис. 2,а видно, что чем выше концентрация доменов и содержание кремния в сплаве, тем меньше коэрцитивная сила.

На рис. 2, б представлены в логарифмическом масштабе результаты эксперимента по измерению максимальной магнитной проницаемости от средней концентрации доменов для различных магнитных материалов.

Из рис. 2,6 видно, что чем выше концентрация доменов и содержание кремния в сплаве, тем выше максимальная магнитная проницаемость.

Из анализа рис. 1 и 2 следует, 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 и уменьшению коэрцитивной силы в 5,6 раза.

Характер движения доменных границ, зависящий от присутствия в кристаллите дислокаций, определяет величину коэрцитивной силы: чем ниже плотность дислокаций и чем выше концентрация доменов, тем меньше величина коэрцитивной силы.

В общем случае коэрцитивную силу с учетом взаимодействия доменной и дислокационной структур, предлагается описать с помощью следующего уравнения:

Н,

, „ К-5

А-'-В » 2

N

где К - константа магнитной анизотропии;

5- толщина доменной стенки;

Ро - магнитная постоянная, }1о=4л-10"7Гк'м;

13- самопрошвольная намагниченности

О - диаметр кристаллита;

К-текущая плотностьдислокаций;

максимальная плотность даслокаций;

С1 - постоянная для отношения плотности даслокаццй;

п-текушдя концентрациядоменов;

По - максимальная концентрация доменов;

Сг - постоянная доя отношения концентрации доменов;

А и В - константы. Дтя образца из сплава Бе-бр % А= 3,7302 и В=0,9083.

Кроме того, характер движения доменных границ, зависящий от присутствия в кристаллите дислокаций, определяет уровень максимальной магншной проницаемости: чем ниже шошость дислокаций и чем выше кониенгоация доменов, тем выше величина мапмшой проницаемосш.

Следовательно, формулу максимальной магнитной проницаемости предлагается записать следующим образом:

с с

А -^п 5м 2ц

** I "п У \--/ л -

в ц ц

М-тах тте

ЦоН

Гм] 2 ( \ п

К;

где В - магнитная индукция;

Н - напряженность магнитного поля;

С1и - постоянная для отношения плотности дислокаций;

С2ц - постоянная дам отношения концентрации доменов;

А,, и Вр - константы. Для образца из сплава Ре-6,5%81 А„= 8,0272 и Вм=9,1912

Одной из главных задач является контроль магнитных характеристик, однако немаловажным фактором является также контроль удельных потерь.

Если удельные потери магнитных материалов имеют завышенные значения по отношению к удельным потерям традиционных магнитных материалов, то использование их в электротехнических устройствах найдет ограниченное применение или вообще станет нецелесообразным.

Наиболее конкурентоспособным становится то электротехническое изделие, магнитомягкий материал которого имеет высокие магнитные свойства и низкие удельные потери.

Практическую формулу для инженерных расчетов удельных потерь на вихревые токи предложил К.А. Крут. Он, суммируя множество замкнутых электрических контуров, учел потери по всем контурам и получил следующее выражение:

Зу-р

где Вм - амплитуда магнитной индукции, Т;

частота переменного тока, Гц;

ё - толщина пластин, мм;

кг - коэффициент формы кривой магнитной индукции;

у - плотность материала пластины, кг/м"';

р - удельное электрическое сопротивление материала пластины, Ом-м.

Применяя формулу (3), результаты практических вычислений становятся существенно заниженными.

Однако, чтобы исключить большую погрешность в формуле (3), реальным измерениям по потерям на вихревые токи, необходимо подставить в формулу толщину пластин в метрах и упразднить коэффициент Ю'10, т.е.:

Зур

Из работы Дружинина В.В. известно, что потери на гистерезис пропорциональны площади статического цикла гистерезиса, частоте перемагничивания и обратно пропорциональны плотности материала пластины, и определяются из следующего выражения:

Рг=—, (5)

У

где Б - площадь статического цикла гистерезиса, Т- а/м.

Преобразовав кривую статического цикла гистерезиса в виде геометрической фигуры прямоугольника с одинаковой коэрцитивной силой и максимальной магнитной индукцией, можно площадь статического цикла гистерезиса приблизительно определить по следующей простой формуле:

4ВЫНС, ' (6)

где Нс - коэрцитивная сила.

Следовательно, удельные потери на гистерезис с учетом формулы (6) можно определить по следующей формуле:

р _ 4ВМ • Нс • Г "Вт'1 ^

г у I кг ]'

Определив составляющие потерь по формулам (4) и (7), можно найти общие удельные потери на перемагничивание магнитомягких материалов:

Р = Рв+Рг = 4В"^

Зр

(8)

/

У

где Не - значение коэрцитивной силы (приведено без учета плотности дислокаций и концентрации доменов).

На коэрцитивную силу на основе дислокационной теории магнитных свойств материалов оказывает влияние взаимодействие доменной и дислокационной структур.

Следовательно, окончательно общие удельные потери с учетом формулы (1) предлагается описать следующей формулой:

Вм-Ь<12-к2

Зр

+ 1,5

К-5

А+В , 2

,

£2 2

(9)

Удельное электрическое сопротивление магнитного материала является структурно чувствительной величиной, поэтому запишем уравнение для зависимости удельного электрического сопротивления от плотности дислокаций и концентрации доменов в следующем виде:

р = (1,0+1,2%30-в где в - коэффициент, в=0,1...0,9;

м ч

V

^ Б

п

•ю-7

q - постоянная для отношения плотности дислокации;

(10)

е - постоянная для отношения концентрации доменов.

Таким образом, на удельное электрическое сопротивление магнитного материала существенно влияет взаимодействие доменной и дислокационной структур.

Исследовано влияние режима спекания на магнитные свойства спеченного магнитопровода с содержанием кремнистого железа с 6,5 % кремния. Большое значение имеет температура спекания. Показано, что с повышением температуры спекания с 1570 до 1670 К магнитная индукция в поле 100 А/м увеличивается с 0,53 до 0.92 Т, а коэрцитивная сила уменьшается с 40 до 16 А'м. Изменение этих свойств в связи с изменением температуры спекания обусловлены дислокационной структурой, впервые обнаруженной на материале этого состава. Механизм изменения магнитных свойств связан с тем, что с уменьшением плотности дислокаций смещение доменных границ происходит при меньших магнитных полях, в противном случае смещение доменных границ задерживается интенсивнее на дефектах кристаллического строения металлов, что вызывает ухудшение магнитных свойств. Измерения удельных потерь показали, что они уменьшаются с увеличением температуры спекания. Убывание удельных потерь энергии образцов на перемагничивание в 2,5 раза для частоты 50 Гц и в 3,6 раза для частоты перемагничивания 400 Гц с увеличением температуры спекания также связано с уменьшением плотности дислокаций. Дислокационная структура, наблюдаемая методом избирательного травления на этих образцах, представляет собой хаотически распределенные дислокации. Для измерения дислокационных структур на образцах впервые применялось высокотемпературное спекание в специальной вакуумной печи с вакуумом 0,065-Ю"2 Па(5-10'5 мм рт. ст.).

Другой важной операцией в технологии изготовления магнитопроводов является соблюдение времени выдержки при температуре спекания. С целью прогнозирования изменения магнитных свойств необходимо знать зависимость изменения концентрации дислокаций от времени спекания. С увеличением времени спекания плотность дислокаций

уменьшается, что вызывает уменьшение удельных потерь. Так, например, для слоистого магнитопровода с толщиной слоев 0,3 5-10'3 м с увеличением времени спекания с 0,5 до 4 ч удельные потери для 1 Т и частоты 50 Гц снизились с 1,7 до 0,8 Вт/кг, т.е. удельные потери на 0,25 Вт/кг меньше чем для электротехнической стали марки 1513 для толщины листов 0,35-10"3 м. Слоистые спеченные магнитопроводы по магнитным свойствам успешно конкурируют с электротехническими сталями.

В четвертой главе «Разработка технологического процесса для изготовления элементов магнитных систем на основе МПМ» исследованы технологические режимы и свойства спеченных магнитных систем. На характеристики магнитных материалов влияют не только температура спекания, время выдержки, скорость нагрева и охлаждения, но и скорость дискретного охлаждения, а также термомагнитная обработка (ТМО) спекаемого материала. Это подтверждается большим числом экспериментов, проведенных в различных режимах.

Весьма существенный результат был достигнут при ступенчатой дискретной скорости охлаждения магнитных систем. По первому варианту термообработки магнитные системы охлаждали до температуры 1110 К со скоростью 0,116 К/с, затем до температуры 970 К со скоростью 0,108 К/с, далее до температуры 370 К со скоростью 0,124 К/с, после чего до температуры окружающей среды - с произвольной скоростью охлаждения. По последнему варианту термообработки магнитные системы охлаждали до температуры 1110 К со скоростью 0,096 К/с, затем до температуры 970 К со скоростью 0,083 К/с. далее до температуры 370 К со скоростью 0,104 К/с, после чего до температуры окружающей среды - с произвольной скоростью охлаждения. По первому варианту термообработки плотность дислокаций в среднем составляла 10 1 м'2, а по последнему варианту термообработки плотность дислокаций в среднем составляла 1,5-10п м'2, однако при этом магнитная проницаемость соответственно увеличилась с 6900 до 17300, а коэрцитивная сила уменьшилась с 56,4 до 6,36 А/м.

Еще более высокую эффективность имеют магнитные системы при совмещенном способе спекания и термомагнитной обработки. ТМО начинают производить с температуры 970 К при напряженности магнитного поля одного направления 500 А/м, длительности импульса 0,075 с и частоте повторения импульса 2 цикла в секунду до температуры 370-290 К со скоростью охлаждения 0,105-0,117 К/с. Применяя указанный технологический комплекс режимов обработки, была получена максимальная относительная магнитная проницаемость, равная 18500, а коэрцитивная сила, равной 5,6 А/м.

Исследовано влияние электроизоляционных' покрытий (оксида магния MgO, марганеццинкового феррита Mn-Zn и кварцевого стекла Si02) на магнитные свойства спеченных слоистых магнитопроводов). Установлено, что неплохими электрическими и высокими магнитными свойствами обладает магнитопровод с диэлектрическими прослойками из марганеццинкового феррита, у которого удельные потери несколько хуже,

чем у магнитопроводов с диэлектрическими прослойками из оксида магния и кварцевого стекла, но магнитная индукция насыщения такого магнитопровода выше, чем у магнитопроводов, диэлектрические прослойки которых выполнены из оксида магния и кварцевого стекла, поскольку феррит является магнитным материалом.

Весьма успешно был применен совмещенный способ антикоррозийного покрытия к пропитки магнитных систем переменного тока для увеличения механической износостойкости и защиты магнитопровода от коррозии. Пропитку осуществляли чистым ингибированным маслом К-17 на ультразвуковой установке, состоящей из ультразвукового генератора УЗГ-10 и ультразвуковой ванны УЗВТ-З. Износостойкость слоистых магнитопроводов из кремнистого железа (6,5% 81) для величины износа 8-10" 5 м при применении совмещенного способа обработки увеличилась в 3,7раза по сравнению с износостойкостью обычных магнитных систем. Испытания магнитопроводов, проведенные в тропических условиях, показали, что они выдерживают влажность, равную 94-100%, при общей продолжительности испытания в пределах 9 суток.

Особенно перспективным является метод магнитно-импульсного формирования изделий, который был впервые применен для магнитомягких материалов, изделия из которых обладают чрезвычайно структурно-чувствительными свойствами. Метод основан на воздействии сильных импульсных электромагнитных полей на порошковую массу на основе непосредственного преобразования электромагнитной энергии в механическую работу.

Таким методом были изготовлены магнитопроводы для ответственных узлов электроизмерительных приборов. Среди факторов, обусловливающих магнитные свойства порошковых магнитомягких материалов и влияющих на показание прибора, одно из главных мест занимает пористость. Пористость изменяется по экспоненциальному закону. Как показали испытания, при увеличении энергии разряда с 14,5 до 60 КДж, пористость снизилась с 27,5 до 1,8%, Это связано с тем, что в большинстве случаев при разностороннем приложении давления достигается более высокая плотность неспеченной прессовки по сравнению с односторонним и двухсторонним формованием на прессе. Плотность неспеченной прессовки более однородна во всех направлениях и не зависит от размеров и формы изделий. Кроме того, на величину уплотнения не сказываются фрикционные эффекты.

Особенность критической технологии состоит в том, что сначала получают сплав ферросилиция Ее-20 % затем способом распыления расплава получают порошок, после чего для приготовления необходимого состава сплава Ре-6,5 % 81 смешивают сплав ферросилиция с железным порошком и производят прессование при давлении (1,0-1,8)Р, вместо достигнутого ранее давления прессования Р=1500 МПа. Жидкофазное спекание проводят при высокой температуре (1,0—. 1,11 )ТПЛ, вместо достигнутой ранее температуры спекания (0,67—1,0}ТПЛ, где Тпл - температура плавления легкоплавкой лигатуры (Тпл = 1523 К).

Различают три последовательные стадии спекания: начальная -происходит образование жидкого металлического контакта между отдельными частицами, промежуточная - перенос через жидкость вещества тугоплавкой фазы, завершающая - твердофазное спекание и формирование кристаллической структуры.

Сравнительные данные магнитопровода для толщины слоя (листа) 0,510° м, изготовленного из спеченного материала Ре-6,5 % 51 с нулевой пористостью, и магнитопровода из материала марки 3412 (Э-320), применяемого в магнитных пускателях ПМ 12-040152, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные Аизические параметры магнитопровода, изготовленного

из спеченного материала Ре —6,5 % 81, и из электротехнической стали марки 3412 (Э-320)

Материал Нс, А'м Мм Вюо- Т р, мкОм-м р 1,0/50, Вт/кг Р,.5/50, Вт/кг у, кг/м3

Ре-6,5 % 1,39 269450 1,63 1Д2 0,23 0,5 6930

3412 (Э-320) 47,8 11500 1.52 0,5 0,95 2,1 4650

Из таблицы видно, что магнитные характеристики магнитопроводов, изготовленных из сплава Ре-6,5 % Б! методом жидкофазного спекания по коэрцитивной силе и максимальной магнитной проницаемости имеют в несколько раз более высокие свойства по сравнению с магнитопроводами, изготовленными из холоднокатаной анизотропной стали марки 3412.

Физико-механические свойства магнитных материалов, применяемых в электротехнических изделиях, необходимо учитывать при проектировании деталей и разработке технологических процессов, при выборе сплавов и обосновании конструкторских разработок, при расчетах на прочность деталей и узлов, а также при анализе и сопоставлении условий эксплуатации деталей в различных режимах работы.

Для определения параметров механических свойств деталей электротехнических изделий и механизмов при действии различных видов нагрузок проводились статические и динамические испытания по пределу прочности при статических деформациях сжатия, кручения, изгиба и растяжения, а также данные по проверке твердости сплава, относительного удлинения и относительного уменьшения площади поперечного сечения представлены в таблице 2. Кроме того, в этой таблице представлены значения по ударной вязкости.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что сплав Ре- 6,5 % может быть успешно применен в качестве конструкционного материала для изготовления магнитопроводов электротехнических изделий.

Таблица 2

Механические свойства сплава Ре-6,5 % _

№№ п/п Показатели Температура спекания

0,84ТПЛ 0,88Т„Л 0,92ТПЛ

1 Предел прочности при сжатии, МПа 515 658 787

2 Пред прочности при кручении, МПа 372 503 619

3 Предел прочности при изгибе, МПа 94 122 137

4 Предел прочности при растяжении, МПа 73 102 118

5 Твердость, НУ 140 210 250

6 Относительное удлинение, % 0 0 0

7 Относительное уменьшение площади поперечного сечения, % 0 0 0

8 Ударная вязкость КСИ, Дж/см"1 2 3,8 6

Пятая глава «Разработка технологических методов изготовления элементов магнитных систем, полученных МПМ» посвящена в основном дискретным режимам прессования магнитных систем и экспериментальному исследованию серии Г1-, 111-, Г-, С-, Т-, Б- и Н-образных магнитных систем. На основе сравнительного испытания магнитомягких спеченных и шихтованных магнитных систем показана возможность замены листовой электротехнической стали на прессованный материал для изготовления магнитных систем электрических аппаратов следующих типов: РПУ-1, ПМЕ-221, РПУ-4, ПМА-2000,' ПМЕ-111, ПМ-12, РПК-1. Проведенные исследования показали, что для получения аналогичных характеристик электрических аппаратов с магнитными системами из прессованного магнитного материала и листовой электротехнической стали необходимо для спеченной магнитной системы создавать напряженность магнитного поля в два раза меньше, и следовательно число ампер-витков должно быть заложено в два раза меньшей величины, что позволяет экономить обмоточную медь. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость спеченной магнитной системы в средних полях выше, чем для листовой электротехнической стали.

На электромагнитах переменного тока проведено систематизированное исследование в зависимости от давления прессования следующих характеристик: магнитной индукции магнитопровода, кратности пускового тока катушки, коэффициента мощности, тяговой характеристики и времени срабатывания электромагнита. Показано, что с увеличением давления прессования величина магнитной индукции магнитопровода возрастает, кратность пускового тока увеличивается, коэффициент мощности снижается, тяговая характеристика повышается и время срабатывания уменьшается, что позволяет широко регулировать параметры электротехнических изделий.

Разработка новой технологии изготовления спеченных слоистых мапштопроводов показала, что данные магнитопроводы могут заменить магнитопроводы из листовой электротехнической стали. Это имеет особенно большое значение с точки зрения возможности упразднить трудоемкие операции по прокатке заготовок, резке листов, штамповке и изолированию

листов, окончательной сборке и клепке, а также значительно уменьшить отходы и снизить стоимость изготовления магнитопроводов из спеченных материалов.

Разработаны матричные схемы прессования и расчета магнитных систем. Структурная матричная схема прессования универсальна, она применима как для призматической формы, так и для цилиндрической формы магнитопроводов. Важным достоинством структурных матричных схем прессования является возможность анализа общих свойств сложных конструкций магнитных систем. Поэтому для облегчения расчета и анализа сложных конструкций магнитных систем необходимо производить расчеты с помощью компьютера, при этом достоинства матрично-топологических методов прессования проявляются в полной мере.

Начатая работа по исследованию дискретного способа прессования изделий позволит в будущем расширить функциональные возможности, выявить новые характеристики и раскрыть новые неизвестные свойства магнитных систем. Получены слоистые дискретные магнитопроводы с различными магнитными проницаемостями. Осуществляя монодкскретный и полидискретный способы прессования магнитопроводов, получены электромагниты с постепенным сдвигом магнитных потоков по фазе. Для расчета и изготовления сложных магнитопроводов переменного тока могут быть применены матричные схемы прессования. Прессование слоев для магнитных систем переменного тока производилось в виде структурной матричной схемы следующего вида:

Р., Р.2 Р.з . Рц . ■ Р.п,

р2, Р22 Р23 • ■ • р2т

!рз1 Р32 Рзз • Р^ • • Рз™

Ри Р* Р(3 . Р„ . ■ Рйа

р„| ?П2 РлЗ • ■ Р * ПТГ1

Компоненты структурной матричной формы схемы представляют собой слои из магнитомягких материалов для магнитопроводов. Общее число строк в структурной матричной схеме равно числу пакетов магнитопроводов. Число столбцов структурной матричной схемы равно числу слоев из магнитомягких материалов для магнитопроводов.

Простое слоистое прессование магнитопровода осуществляется при следующих коэффициентах структурной матричной схемы:

Коэффициенты строк:

рп = Р.2 = II Р.п,

Р21 = ?22 = Р2з = Р2И

Рз« = Р32 = рзз = Рзш

Р,1 = Р,2 = Р|3 = Р. * иа

Рщ= рп2= Р„3 =

Коэффициенты столбцов:

.= Р„ = Р.

Р21 = р31 = ри = Рщ

Р.2 = Р22 = Р32 = Р|2 = Р,2

Р13 = Р23 = ?33 = Р>з = РпЗ

Рц- рг Ри = Р"]

Р,ш = Ргт = Р пт

(12)

(13)

При монодискретном прессовании магнитопроводы выполнялись в виде периодически прессованных пакетов, причем каждый слой, начиная с первого, прессовали с последовательным уменьшением усилия прессования. Таким образом, каждый последующий слой отличался от предыдущего на величину постоянного давления прессования. Давление прессования, соответствующее ^му дискретному слою, можно рассчитать по формуле:

РгРи-ДР(т-1), (14)

где Ру - давление прессования .¡-го слоя;

Рп - давление прессования 1-го слоя;

АР - снижение давления.

Монодискретное прессование магкитопровода осуществляется при следующих коэффициентах матрицы:

Коэффициенты строк:

р„> Р12> р13> ... > Р,ш

р21> Р22> Р23> р2га

р3!> ?32> Рзз> ... > Рз;> Рзт

ра> Р;2> Р>3> ... > р«> Р|И

р„1> Рл2> Р„3> Р пт

нты столбцов:

Рп = р2.= Рз> = р,.= Рп,

т> г12 = г» г 22 - п _ 1 32 - г> _ 41 - Р п2

II ¿Г ?23 = Рзз = ...- Р>3 = РпЗ

а _ рч = Рз,= р„=

Р!т = р2т = Р3щ = ^шп

(16)

Для более равномерного сдвига магнитных потоков прессование можно осуществлять полидискретным способом. Полидисретное прессование магнитопровода можно выполнять в соответствии со следующей формулой:

Ри=(Ри±е,)-ДР(ш-1), (17)

где е[ - величина смещения давления прессования, е,е7.;

2 - множество чисел.

Полидискреткое прессование осуществляется при следующих коэффициентах матрицы

Коэффициенты строк:

Рп > Р.з > р15 > ри> Р.т

Р21 > Р2з > Р23 > Р23>

рз. > Рзз > Р35 > рз;> Рзт

Рп > Р;3 N Р|5 > Р«> Рщ,

Рп. > РпЗ > Р.5 > р,з> Р™

(18)

Коэффициенты столбцов:

24

Рц > P21> P31 > ... > Pil > Pnl

Pl3 > P23> P33> Pi3 > Pn3

Pl5 > P25> P35> Pi5 > Pn5

Plj > P2J> P3j> PU > P . * nj

Plm > P2m> P3m> P. r im > P x nm

Слои, выполненные дискретным способом с большим давлением прессования, можно осуществить в соответствии со следующей формулой:

PrPnq"1"', (20)

где q - разность давления прессования.

Прессуя магнитопровод при переменном давлении, получим магнитопровод, имеющий неодинаковое контактное сопротивление между прессуемыми частицами, что ведет к различной магнитной проницаемости слоев. Составим матричную схему для структурной схемы магнитных проницаемостей слоистого магнитопровода:

Mü М, 2 М21 М22 Мъ, /"32

Мл Мя Мл М. 2 Мпг •■• M,j Мш

С целью расширения функциональных возможностей магнитопровода разработана спеченная дискретная композиционная магнитная система, обладающая магнитомягкими и магнитотвердыми свойствами. Для этого магнитопровод был выполнен из слоен с чередованием слоев из магнитомягкого материала (МММ), в частности, железокремнистого материала и слоев из магнитотвердого материала (МТМ), преимущественно, SmCo5 при следующей периодической последовательности материалов и ингредиентов дискретного содержания кремния в слоях из железокремнистого матешала: Fe; МТМ; FeSi (0,5± 0,03% Si); МТМ; FeSi (1,5± 0,05% Si); МТМ; FeSi (2,5± 0,06% Si); МТМ; FeSi (3,5±0,08% Si); МТМ ; FeSi (4,5± 0,1% Si); МТМ; FeSi (5,5± 0,12% Si); МТМ; FeSi (6,5+0,15% Si).

Запишем спрессованные слои композиционного магнитопровода в виде структурной матричной схемы следующего вида:

M» ■ Мы

Мгз • ■■ Mij №2 m

Мгг ■ ■■ My

Mi,

(21)

р.,; С12; Р,З; с14; • с1т

р21; с22; Р23; С24; . ■ р2и-.; С2т

Рз.; С32; р33; • Р3.Т.-1 > С3т

Сц! Pj.i» Ci4;

Р • С

1 im-l' — irr

с„

^nl' ^n2> Pji3' "• Pnm-i'

Компоненты матричной формы схемы прессования представляют собой слои композиционных материалов для машитопроводов. Общее число строк в структурной матричной схеме равно числу пакетов магнитопровода. Число столбцов матричной схемы равно числу слоев из композиционных материалов для магнитопроводов.

В реферируемой работе приводятся результаты исследования реле со спеченными магнитопроводами. Одна из задач проведенных исследований заключалась в проведении испытаний на механическую износостойкость и проверке реле на ресурсный срок службы. В результате проведенных испытаний установлено, что при 90°-ной разности углов направления обработки якоря и сердечника износ магнитной системы становится наименьшим, с увеличением частоты срабатывания магнитных систем интенсивность износа уменьшается.

Эффективность работы магнитных систем в основном зависит от применяемых материалов. С этой целью были исследованы различные магнитные системы, применяемые в реле, так как от магнитны?: свойств материалов зависят характеристики реле. Исследованию подвергнуты в основном магнитные системы реле передовых иностранных фирм. По характеристикам кривых намагничивания магнитных систем на переменном токе частотой 50 Гц в порядке снижения магнитной индукции насыщения исследованные типы реле расположились в следующей последовательности: 1. CA2-DN131 фирмы «Telemecanique Electric» (Франция); 2. РАК-1 OUR фирмы «Togami electric» (Япония); 3. SRC3631 фирмы «Fuji electric» (Япония); 4. DSL 6-44 фирмы «Metzenauer jung» (ФРГ); 5.РПУ-1 (Россия); 6. ЗТА69 фирмы «Siemens» (ФРГ); 7. GO-31 фирмы «Scverde» (США); 8.HSA-0 фирмы «Broun Bovery» (ФРГ); 9. MV-2 фирмы «Danfoss» (Дания); 10. UCO 510 фирмы «МТЕ» (Англия).

Самую высокую индукцию насыщения имеет магнитная система pe.neCA2-DN131 и самую низкую магнитную индукцию насыщения -магнитная система реле UCO 5-10/ Опытная слоистая магнитная система реле РПУ - 1, содержащая 6,5% Si в кремнистом железе, по магнитной индукции насыщения отстает от реле типов CA2-DN131, РАК-1 OUR, SRC3631, DSL 6-44, но превосходит магнитные системы реле ЗТА69, GO-31, HAS-O, MV-2, UCO 5-10.

При этом для намагничивания магнитной системы реле РПУ-1 требуется ампер-витков в два раза меньше, чем для намагничивания

магнитной системы реле CA2-DN131 фирмы «Telemecanique Electric» (Франция) и в 6 раз меньше, чем для намагничивания магнитной системы реле UCO 5-10 фирмы «МТЕ» (Англия), что позволяет значительно экономить обмоточную медь.

В шестой главе «Применение элементов технологии изготовления магнитопроводов МПМ в современных электротехнических устройствах» рассмотрен анализ и обобщены материалы по проблеме оптимального проектирования магнитных систем, который свидетельствует еще о незаконченности проведенных исследований в этом направлении. Например, изучение традиционных электромагнитов промежуточных реле показало, что магнитный поток по высоте сердечника распределяется крайне неравномерно и по меньшей мере отличается в полтора раза в верхней и нижней его части. Такое положение приводит к тому, что рассеяние магнитного потока достигает больших величин.

В работе представлены разработанные оригинальные конструкции электромагнитов постоянного тока, причем магнитные системы изготовлялись с учетом технологических возможностей прессования магнитомягких материалов. Конструкция сердечника в электромагнитике постоянного тока, позволившая добиться постоянной магнитной индукции B=const по всей своей высоте, выполнена в виде усеченного параболоида. Геометрическая форма сердечника, выполненная в виде усеченного параболоида, сложна, поэтрму для его упрощения можно применить форму усеченного конуса, образующая которого является линейной аппроксимацией параболы, максимально приближающая к ней.

Магнитная индукция в верхней части выбранного сердечника увеличена на 75%, а масса сердечника по сравнению с применяемым сердечником на серийных конструкциях электромагнитов уменьшена на 34%. Для распространенных электромагнитов постоянного тока с внешним поворотным якорем клапанного типа разработана новая конструкция управляющей катушки, позволившая сохранить равномерную коллимацию магнитного потока по высоте сердечника и одновременно снизить массу обмоточной меди катушки по сравнению с применяемой катушкой на серийных конструкциях электромагнитов на 16%, уменьшить потребляемую электрическую энергию электромагнитом на 18%. Такая конструкция сердечника и катушки позволяет уменьшить средний диаметр обмотки, что одновременно приводит к уменьшению сопротивления среднего витка катушки, к увеличению добротности катушки, к снижению потребляемой энергии, к возрастанию относительной магнитной проницаемости, к уменьшению расхода обмоточной меди для катушки, к уменьшению расхода материала для сердечника, к повышению индуктивности электромагнита, что можно описать следующей системой уравнений:

4U

D =

(IW)2 = w2 _ SM p ~ Ro6 P-lc,

м

(24)

(25)

|i=B/|A>H.

(26)

(27)

(28) (29)

с — CP

1000 8"

Gc=Scp-1c-gc

L=(iuoW2TTR^/1c,

lc>

где RcP - сопротивление среднего витка катушки;

Р — удельное сопротивление материала провода;

dnp - диаметр намоточного провода;

D - добротность катушки;

A W- намагничивающая сила катушки;

Ro6-сопротивление обмотки;

SM - суммарное сечение проводников обмотки;

Р - мощность катушки;

S0K - площадь окна обмотки;

К3 — коэффициент заполнения обмотки;

¡л - относительная магнитная проницаемость;

Цо~ абсолютная магнитная проницаемость;

Н - напряженность магнитного поля;

GM - масса обмоточной меди;

g м- удельный вес провода на единицу длины;

Gc - масса спеченного порошкового материала сердечника;

Scp - среднее сечение сердечника;

gc- удельный вес спеченного порошкового материала сердечника на единицу объема;

- длина сердечника;

L - индуктивность.

При постепенном уменьшении угла наклона образующей сердечника к его основанию магнитный поток в воздушном зазоре вначале увеличивается, затем при коэффициенте отношения диаметров сердечника, равного 0,84, магнитный поток становится максимальным, при дальнейшем уменьшении угла наклона образующей сердечника магнитный поток уменьшается, что вызвано постепенным увеличением насыщения сердечника. Эти исследования показывают, что, изменяя угол наклона образующей сердечника к его основанию, можно оперативно видоизменять тяговую характеристику электромагнита. На рисунке 3 для сравнения показана кривая 9, соответствующая характеристике электромагнита с цилиндрическим

сердечником. Различное отклонение кривых 1,2, 3,4, 5 и 6 вниз от кривой 9 в конце хода якоря связано с влиянием различной степени насыщения усеченного конического сердечника. Хотя в начале хода якоря тяговые характеристики электромагнитов 5, 6, 7 и 3, магнитные системы которых намагничены до насыщения, проходят выше кривой 9.

Разработана новая эффективная конструкция электромагнита переменного тока. Ш-образные магнитные системы были изготовлены таким образом, что позволили устанавливать магнитные шунты без изменения габаритов магнитных систем. Применение магнитного шунта из спрессованного магнитомягкого материала привело к улучшению тяговой характеристики электромагнита переменного тока.

/ 2 з 4 5 $ ? г<Р° Рис..З. Статические тяговые характеристики электромагнита с внешним поворотным якорем клапанного типа 1 - сердечник Кл =0,44; 2 - сердечник Кд =0,48; 3 - сердечник Кд =0,52; 4 - сердечник Кя =0,6; 5 - сердечтпс Кд =0,68; 6 - сердечник Кд =0,76: 7 - сердечник Кд =0,84; 8 - сердечник Кд =0,92;

9 - сердечник Кд =1,0

Замена традиционной листовой электротехнической стали на спеченный магнитный материал из порошкового кремнистого железа в асинхронных двигателях переменного тока является важной проблемой современного электромашиностроения.

Разработана новая конструкция синхронного двигателя на основе инновационной технологии, не имеющей аналогов в

электромашиностроении. Технический результат достигается тем, что указанная технология дозирования состоит в одновременной подаче в пресс-форму по винтовой линии магнитомягкого материала, содержащего железокремнистый материал с дискретно увеличивающимся ингредиентом кремния, и магнитотвердого материала, содержащего редкоземельный материал самарий с кобальтом, с чередованием слоев по длине ротора в следующей периодической последовательности:

Ре; БшСо5; Ре-81(1,5 ± 0,05 % 81); БтСо«;

Ре-Б^О ± 0,05 % Б!); БтСо5; Ре-81(4,5 ± 0,1 % 80;

БтСоз; Ре-81(6.0 ± 0.15 % 81).

0 /1 А 16

9 || /3| 4$ /7

щ

УОЛ4

Рис. 5. Ротор однофазного синхронного двигателя Однофазный синхронный двигатель (рис. 4) содержит явнополюсный статор 1 с обмотками возбуждения 2, короткозамкнутый ротор 3, дополнительный магнитопровод 4, который находится внутри ступицы 5, выполненной путем заливки из немагнитного материала, а также вал 6, подшипники 7 и подшипниковые щиты 8. Ротор состоит из многозаходных (в частности, девятизаходных) винтовых композиционных слоев (рис. 5).

Слои 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 к 17 расположены с чередованием магнитомягкого материала с магнитотвердым материалом. Слой 9 выполнен из железного порошка, а слои 11, 13, 15 и 17 выполнены из порошка кремнистого железа, причем с различным содержанием кремния. Слой 11 содержит 1,5 + 0,05 % Б!, слой 13 содержит 3,0 ± 0,05 % 81, слой 15 содержит 4,5 ± 0,1 % 81, а слой 17 - 6,0 ±0,15 % Би

Сравнительное исследование синхронного двигателя показало, что использование предлагаемого синхронного двигателя по сравнению с традиционным синхронным двигателем позволяет уменьшить затраты стали на 33 %, повышает КПД на 14 %, снизить потребление электрической энергии на 17 %, снизить ток холостого хода на 24 %, повысить соэф на 11 %, и увеличить вращающий момент на 13 %., что в целом позволит улучшить его энерго- и ресурсосберегающие показатели.

Наряду с исследованием магнитных систем, работающих в динамическом режиме, проводились исследования магнитных систем, работающих в статическом режиме. К магнитным системам, работающим в статическом режиме, относится трансформатор напряжения, имеющий самое большое распространение в электротехнике. В отличие от электрических машин трансформатор не имеет движущихся частей, поэтому он не имеет и механических потерь при работе.

Были изготовлены трансформаторы следующих конструктивных исполнений: стержневые, .броневые, кольцевые. Исследование магнитных свойств производилось на трансформаторах со стержневыми сердечниками следующих размеров: общая ширина составляла 80-10"3 м, высота 120-10'"' м,; ширина каждого керна 25 -10"3 м. Все сердечники были выполнены одинаковой толщины 40-10'3 м, имели 80 слоев толщиной 0,5-10'3 м.

После проведения опыта холостого хода ставили трансформатор под нагрузку. Различная нагрузка устанавливалась плавным перемещением движка реостата. Затем проводили опыт короткого замыкания. Для этого вначале снимали нагрузку с трансформатора, после чего закорачивали вторичную обмотку трансформатора. Далее плавно увеличивали ЛАТРом напряжение на первичной обмотке до тех пор, пока ток на вторичной стороне не становился равным номинальному.

Исследования показали, что трансформаторы, изготовленные по методу порошковой металлургии, обладают рядом преимуществ по сравнению с трансформаторами, изготовленными по базовой технологии: уменьшена, масса магнитомягкого материала на 21,8%, снижен расход обмоточной меди на 24%, снижены удельные магнитные потери в два раза и соэф увеличен на 23 %.

На основе критического технологического процесса порошковой металлургии создан индукторный генератор. На примере традиционного серийного генератора Г-700 показано, что использование предлагаемого индукторного генератора в номинальных режимах позволяет уменьшить

падение напряжения в 3,4 раза, снизить ток возбуждения б 1,58 раза и повысить нагрузочный ток на 16 %.

Предложена инновационная энергосберегающая технология изготовления асинхронного двигателя на основе порошковых материалов, которая позволила превысить уровень физико-механических свойств аналогичного двигателя УАД-54, изготовленного по методу традиционного металлургического процесса. При штамповке идет в металлолом в виде отходов листовая электротехническая сталь, которая удаляется при формировании внешних контуров статора и ротора асинхронного двигателя. Реально норма расхода листовой электротехнической стали составляет 0,34 кг, а норма расхода порошковой массы - 0,19 кг, т.е. отход металла в металлолом составляет 44 %.

Использование предлагаемого асинхронного двигателя по сравнению с традиционным асинхронным двигателем позволяет снизить потребление электрической энергии, поднять КПД, снизить ток XX, повысить cos ф и увеличить вращающий момент, что в целом дает возможность улучшить его энерго- и ресурсосберегающие показатели.

В электротехнической промышленности имеется большая группа сложных изделий, изготовление которых связано со значительными техническими трудностями и высокой трудоемкостью. Такая проблема существует при изготовлении магнитных систем для однофазного индукционного счетчика электрической энергии, точность и надежность работы которого зависит от технологии изготовления деталей.

Исследование индукционных счетчиков производилось на магнитных системах Ш-, Б-, Н-, С-, П- и Т-образных форм. Затем для испытания и эксплуатации были изготовлены магнитные системы Б-, Ш- и П-образных форм, как наиболее конструктивные и технологичные системы.

В магнитных системах, изготовленных методом порошковой металлургии, создается магнитный поток большей величины, образуются малые потери и обмотки имеют меньшее потребление энергии по сравнению с аналогичными магнитными системами. Исследования показали, что чем меньше потребление энергии и ниже потери имеет индукционный счетчик, тем выше его точность и, следовательно, ниже его погрешность. Погрешность индукционного счетчика, детали которого изготовлены методом порошковой металлургии, для номинальной нагрузки 5А составляет 0,03 %, что примерно на 1,8 % меньше погрешности индукционного счетчика, изготовленного по базовой технологии.

Изучение электромагнита с внешним поворотным якорем клапанного типа с цилиндрическим сердечником показало, что такой электромагнит имеет следующие недостатки: малая величина рабочего магнитного потока и большая величина магнитного потока рассеяния, высокая температура нагрева сердечника и катушки, увеличенный расход электротехнической стали и обмоточной меди, низкая механическая износостойкость и увеличенные габариты электромагнита, высокая индуктивность и большое время срабатывания электромагнита. Для устранения этих недостатков была

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 времени срабатывания от 16-10"'1 до 7- 10"J с и 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 с0,11-10"3до 0,003-Ю-Зм.

10. Созданы энерго- и 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 традиционной 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 ср 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 серийно выполненным 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.

СПИСОК

основных печатных работ и изобретений по теме диссертации

1. Мишин, Д. Д. Зависимость характеристик электромагнитов переменного тока от режима прессования металлоксрамических магиитопроводов / Д. Д. Мишин, И. А. Тимофеев // Электротехника. -1979. - № 1. - С. 46-48.

2. Тимофеев, И. А. Особенности инновационной технологии изготовления маломощного синхронного двигателя / И. А. Тимофеев, Н. Н. Павлов // Автоматизация и современные технологии. -1999. - № 3. - С. 11-15.

3. Тимофеев, И. А. Электромагнитный аппарат с полым сердечником на основе безотходной технологии / И. А. Тимофеев, В. Н. Мадеев, В. Д. Максимов // Электротехника. -1999.-Ksl.-C. 24-30.

4. Тимофеев, И. А. Физико-механические свойства железокремнистых сплавов / И. А. Тимофеев, Н. Н. Павлов // Литейное производство. - 1999.- №12.- С. 17-19.

5. Тимофеев, И. А. Разработка асинхронного двигателя на основе энергосберегающей технологии / И. А. Тимофеев, Е. И. Ефименко Н Электротехника. - 2001. - № 8. - С. 38-44.

6. Тимофеев, И. А. Ресурсосберегающая инновационная технология изготовления магиитопроводов / И. А. Тимофеев,

Н. Н. Павлов // Автоматизация и современные технологии. - 2000. - № 7. - С. 17-22.

7. Тимофеев, И. А. Применение матричной схемы для создания технологии спеченных композиционных магнитных систем / И. А. Тимофеев // Технология металлов. - 2003. - № 12. -С.18-22.

8. Тимофеев, И. А. Технологические возможности изготовления дискретных спеченных магнитных систем / И. А. Тимофеев // Автоматизация и современные технологии. - 2003. - № 10. -С. 32-36.

9. Тимофеев, И. А. Технология производства магнитных материалов и изделий / И. А. Тимофеев. - М.: Издательство МЭИ(ТУ), 2004.-176 с.

10. К динамике процесса намагничивания и перемагничиванмя Fe-Si ферромагнетика / И. А. Тимофеев и др. // ФММ. - 2005. - Т. 100.-№4.- С. 35-39.

11. Тимофеев, И. А. К теории динамического намагничивания и перемагничивания ферромагнетика / И.А. Тимофеев, Е. Ф. Кустов // Известия ВУЗов. Физика, г. Томск. - 2006. - Т. 49. -№ 3. - С.26-33.

12. Тимофеев, И. А. Разработка магнитной системы индукционного счетчика на основе энерго- и ресурсосберегающей технологии / И. А. Тимофеев, Е. Ф. Кустов // Электричество. - 2006. - № 2. - С. 22-28.

13. Тимофеев, И. А. К теории намагничивания и перемагничивания ферромагнетика / И.А. Тимофеев, Е. Ф. Кустов // Инженерная физика. - 2007. - № 3. - С.2-7.

14. Тимофеев, И. А Разработка критической технологии для производства магнитных систем / И. А. Тимофеев, Е. Ф. Кустов, М. В. Петров // Технология металлов. - 2007. - № 2. -С. 25-31.

15. Влияние дислокаций на магнитные свойства железокремниевых сплавов / И. А. Тимофеев и др. // Вестник МЭИ. - 2007. - № 5. - С. 41-44.

16. Влияние изменения концентрации доменов на магнитные свойства ферромагнетиков / Е. Ф. Кустов и др. // Инженерная физика. - 2007. - № 6. - С.34-35.

17. Тимофеев, И. А. Экономическая эффективность технологии изготовления автомобильного электрогенератора / И. А. Тимофеев, А. Ю. Мирошниченко // Автомобильная промышленность. - 2007. - № 9. - С. 6-8.

18. Тимофеев, И. А. Диагностика удельных потерь в ферромагнетике / И. А. Тимофеев // Известия вузов. Физика, г. Томск. - 2008. - Т. 51. - Jft 1. - С. 23-29.

19. Тимофеев, И. А. К разработке магнитопровода для маломощного трансформатора напряжения / И. А. Тимофеев, Е. Ф. Кустов // Электротехника. - 2008. - № 3. - С. 38-44.

20. Тимофеев, И. А. Порошковая магнитная система индукторного генератора / И. А. Тимофеев //Автомобильная промышленность. - 2008. - № 1. - С. 3-7.

21. Мишин, Д. Д. Изготовление металлокерамических магнитопроводов для систем переменного тока / Д. Д. Мишин, И. А. Тимофеев // Э.П. Технология электротехнического производства. - М., 1978.- вып. 1(104). -С.1-3.

22. Тимофеев, И. А. Влияние структуры металлокерамического магнитопровода на сдвиг магнитных потоков по фазе / И. А. Тимофеев // Физика магнитных материалов : сб. науч. тр. -Калинин, 1977. - вып. 4. - С. 97-99.

23. Тимофеев, И. А. К вопросу об оптимальной форме сердечника магнитной системы. / И. А. Тимофеев, В. И. Кудрявцев // Э.П. Аппараты низкого напряжения. - М., 1971. - вып. 8. - С. 9-11.

24. Тимофеев, И. А. Механическая износостойкость спеченных слоистых магнитных систем / И. А. Тимофеев, Д. Д. Мишин // Э.П. Аппараты низкого напряжения. - М., 1979. -- вып. 2 (78). - С. 8-11.

25. Кудрявцев, В. И. Сочетание антикоррозионного покрытия и пропитки магнитных систем аппаратов переменного тока / В. И. Кудрявцев, И. А. Тимофеев // Э.П. Технология электротехнического производства. - М., 1974. - вып. 8 (64). - С. 11-14.

26. Мишин, Д. Д., Металлокерамические магнитопроводы / Д. Д. Мишин, И. А. Тимофеев, А.Н. Болотов // Физика магнитных материалов: сб.науч.тр. - Калинин, 1977. - вып.4.-С.21-23.

27. Кудрявцев, В.И. Испытание путевых датчиков серии ДПЭ для управления лифтами / В. И. Кудрявцев, И. А. Тимофеев, В. Д. Михайлов // Э.П. Аппараты низкого напряжения. - М., 1972. -вып. 5 (13). - С. 24-28.

28. Тимофеев, И. А. Дислокационная и доменная структура металлокерамического кремнистого железа / И. А. Тимофеев, Е. И. Никольская, А. И. Беляев // Физика магнитных материалов : сб. науч. тр. - Калинин, 1978. - вып. 5. - С. 64-70.

29. Кудрявцев, В. И. Пути повышения износостойкости магнитных систем переменного тока / В. И. Кудрявцев, И. А. Тимофеев // Э.П. Аппараты низкого напряжения. - М., 1973. - вып. 7 (26). -С. 11-14.

30. Тимофеев, И. А. Влияние структурных дефектов на механические свойства нанокристаллических структур железокремнистых сплавов / И. А. Тимофеев // Структура и свойства нанокристаллических материалов : сб. науч. тр. - Екатеринбург:

УрО РАН. 1999. - С.203-208.

31. Тимофеев, И. А. Инновационная технология изготовления электротехнических изделий / И. Л. Тимофеев. - Чебоксары: Чуваш, гос. пед. ун-т, 1997. - 217 с.

32. Тимофеев, И.А. Динамика движения доменных границ в ферромагнетике / И. А. Тимофеев // Современные наукоемкие технологии. - М, 2004. - № 6. - С. 33-35. - (Материалы заочной электрошюй конференции «Современные проблемы науки и образования» 15-20 ноября 2004 г. (г.Москва))

33. Металлические порошки и порошковые материалы: справочник / И. А. Тимофеев и др., под ред. Ю.В.Левинского. - М.: Экомет,

2005. - 520 с.

34. Тимофеев, И. А. Инновационная теория процесса намагничивания и перемагничивания ферромагнетика / И. А. Тимофеев // Современные наукоемкие технологии. - 2005. - № 11. — С. 84-86. -(Материалы Юбилейной научной общероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы науки и образования» 5-6 декабря 2005 г. (г. Москва)).

35. Тимофеев, И. А. Моделирование процесса динамического намагничивания и перемагничивания ферромагнетика / И. А. Тимофеев // Современные наукоемкие технологии. - М., 2005. - № 11. С. 86-88. - ( Материалы Юбилейной научной общероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы науки и образования» 5-6 декабря 2005 г. (г. Москва)).

36. Тимофеев, И. А. О критической технологии изготовления слоистых магнитопроводов / И. А. Тимофеев // Фундаментальные исследования. - М„ 2006. - № 5. -С.89-90. - (Материалы IV общероссийской научной конференции с международным участием «Новейшие технологические решения и оборудование» 11-13 мая 2006 г. (г. Москва)).

37. Тимофеев, И. А. Влияние дуговых дислокаций на деформацию изгиба / И. А. Тимофеев // Фундаментальные исследования. - М,

2006. - № 5. - С.90-92. - (Материалы IV общероссийской научной конференции с международным участием «Новейшие технологические решения и оборудование» 11-13 мая 2006 г. (г. Москва)).

38. Тимофеев, И. А. Критическая технология изготовления спеченных магнитопроводов / И.А. Тимофеев //Современные наукоемкие технологии. - М, 2006. - № 6. _ С. 18-22. - (Материалы Международной научной конференции «Современные проблемы науки и образования» 11-18 августа 2006 г. (Болгария, г. София, 2006 г.)).

39. Тимофеев, И. А. Оценка влияния технологии изготовления магнитной системы / И. А. Тимофеев // Современные наукоемкие технологии. - М., 2007. - № 11. - С. 61-62. - (Материалы I

Международной научной конференции «Приоритетные направления развития науки» (США, г. Нью-Йорк, 2007 г.)).

40. Тимофеев И.А. Физико-механические свойства магнитных материалов : сборник статей III Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении»/ И.А. Тимофеев. - Пенза, 2007. -С. 8-12.

41. Тимофеев И. А. Влияние структуры на потери в ферромагнетике / И. А. Тимофеев // Успехи современного естествознания. - М., 2007. - № 8. - С. 91-95. - (Материалы VIII всероссийской научной конференции «Успехи современного естествознания» 14-16 мая 2007 г. (г.Москва)).

42. А. с. 294195. Многоконтактное электромагнитное реле / В. И. Кудрявцев, А. Г. Зеленов, И. А. Тимофеев // Открытия. Изобретения. 1971. № 6.-2 с.

43. А. с. 394858. Электромагнит с внешним притягивающимся якорем / И. А. Тимофеев, В. И. Кудрявцев, Ш. X. Усманов // Открытия. Изобретения. 1973. № 34.-3 с.

44. А. с. 449387. Шихтованный электромагнит переменного тока /

A. В. Таврин, В. И. Кудрявцев, И. А. Тимофеев // Открытия. Изобретения. 1974. № 41.-5 с.

45. А. с. 504252. ( Электромагнитный механизм с внешним притягивающимся якорем клапанного типа / И. А. Тимофеев, А. В. Таврин, В. И. Кудрявцев // Открытия. Изобретения. 1976. № 7.-4 с.

46. А. с. 511635. Электрогчагнит переменного тока /И.А.Тимофеев, А.

B.Таврин, В.И.Кудрявцев // Открытия. Изобретения. 1976. № 15.-Зс

47. А. с. 609126. Способ обработки рабочих поверхностей слоистых металлокерамических и шихтованных магнитных систем / Д. Д. Мишин, И. А. Тимофеев // Открытия. Изобретения. 1978. № 20.-4 с.

48. А. с. 624721. Способ изготовления магнитопровода / И. А. Тимофеев, Д. Д. Мишин // Открытия. Изобретения. 1978. № 35.-5 с.

49. А. с. 708165. Дозатор для непрерывной подачи порошка в пресс-форму / Д. Д. Мишин, И. А. Тимофеев // Открытия. Изобретения. 1980. № 1.-5 с.

50. А. с. 712902. Способ изготовления спеченного магнитопровода / И. А. Тимофеев, Д. Д. Мишин, А. Н. Болотов // Открытия. Изобретения. 1980. Jfe 4.-3 с.

51. А. с. 725820. Способ изготовления спеченных многослойных изделий / Д. Д. Мишин, И. А. Тимофеев // Открытия. Изобретения. 1980. № 13.-4 с.

52. А. с. 851503. Магнитная система / И. А. Тимофеев // Открытия. Изобретения. 1981. Ns 28.-3 с.

53. А. с. 986596. Способ изготовления спеченного многослойного магнитопровода / И. А. Тимофеев // Открытия. Изобретения. 1983. № 1.-4 с. *

54. А. с. 1028511. Устройство для контроля работы пресса / И.А. Тимофеев. А. Н. Троицкий, //Открытия. Изобретения. 1983. № 26.-5 с.

55. А. с. 1098801. Устройство для регулирования заполнения пресс-форм / А. Н. Троицкий и др. // Открытия. Изобретения. 1984. № 23.6 с.

56. А. с. 1110538. Устройство для автоматического регулирования формуемости смеси / А. Н. Троицкий, И. А. Тимофеев, В.Н. Никитин // Открытия. Изобретения. 1984. № 32.-4 с.

57. Патент 2040811 РФ. Электромагнит с внешним притягивающимся якорем клапанного типа / И. А. Тимофеев и др. // Открытия. Изобретения. 1995. № 21.-5 с.

58. Патент 2130680 РФ. Однофазный асинхронный электродвигатель / И. А. Тимофеев и др. // Открытия. Изобретения. 1999. № 14.-5 с.

59. Патент 2196660 РФ. Способ изготовления изделий из магнитных материалов / И. А. Тимофеев и др, // Открытая. Изобретения. 2003. № 2.-6 с.

Зак. Тир 100 П.л. 2,5

Подписано к печати 11.«.-01 Г.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О РАЗРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МАГНИТОПРОВОДОВ.

1.1. Диаграмма состояния и кристаллическая структура сплава кремния с железом.

1.2. Физические свойства слиткового сплава кремния с железом.

1.3. Свойства спеченных материалов, полученных из железного порошка.

1.4. Свойства спеченных магнитомягких изделий из сплава кремния с железом

1.5. Классификация дефектов кристаллической решетки магнитных материалов

1.6. Влияние дислокаций на свойства магнитных материалов.

1.7. Доменная структура сплава кремния с железом.

1.8. Выводы по обзору литературы и постановка задачи исследования.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Способы получения исходных материалов.

2.2. Пресс-формы для изготовления магнитных материалов методом порошковой металлургии.

2.3. Методика изготовления элементов магнитных систем.

2.3.1. Приготовление шихты.

2.3.2. Дозирование порошковой шихты.

2.3.2. Формирование изделий из порошковой шихты.

2.3.4. Сушка прессованных изделий.

2.3.5. Спекание и термическая обработка элементов магнитных систем.

2.3.6. Способ получения монокристаллов.

2.4. Диагностика элементов магнитных систем.

2.4.1. Измерение пористости.

2.4.2. Определение влажности.

2.4.3. Оценка формуемости.

2.4.4. Исследование ферромагнитных свойств полученных материалов.

2.4.5. Методика исследования удельных магнитных потерь.

2.5. Диагностика микроструктуры элементов магнитных систем.

2.5.1. Подготовка шлифов для прямого наблюдения микроструктуры.

2.5.2. Выявление дислокационной структуры.

2.5.3. Выявление доменной структуры.

2.6. Диагностика механической прочности.

2.6.1. Механические испытания спеченных образцов.

2.6.2. Испытание спеченных магнитных систем на механическую износостойкость.

3. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ (МПМ), НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

3.1. Спекание материалов для магнитопроводов.

3.2. Влияние температуры спекания на дислокационную структуру материалов, полученных МПМ.

3.3. Влияние времени спекания на дислокационную структуру материалов, полученных МПМ.

3.4. Зависимость коэрцитивной силы и максимальной магнитной проницаемости от плотности дислокаций и концентрации доменов для материалов, полученных МПМ.

3.5. Исследование удельных потерь материалов, полученных МПМ.

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ

4.1. Влияние скорости охлаждения и термомагнитной обработки на магнитные и технологические свойства материалов, полученных МПМ.

4.2. Исследование технологического процесса создания изоляционных слоев элементов магнитных систем.

4.3. Совмещенный способ антикоррозийного покрытия и пропитки элементов магнитных систем.

4.4. Способ повышения механической износостойкости элементов магнитных систем.

4.5. Исследование магнитно-импульсного прессования элементов магнитных систем.

4.6. Разработка критической технологии для изготовления элементов магнитных систем, полученных методом жидкофазного спекания (МЖФС)

4.7. Физико-механические свойства материалов, полученных по технологии МПМ.

4.8. Вероятностно-статистический анализ технологической точности и качества изготовления магнитных систем.

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ, ПОЛУЧЕННЫХ МПМ.

5.1. Зависимость характеристик электромагнитов, полученных из материалов МПМ.

5.2. Применение матричной формы схемы прессования.

5.2.1. Прессование без вариаций давления.

5.2.2. Прессование с эквидистанционной вариацией давления.

5.2.3. Прессование при дифференциальном давлении.

5.2.4. Прессование композиционных элементов магнитных систем на основе сочетания магнитомягких и магнитотвердых материалов (МММ и МТМ)

5.3. Механическая износостойкость слоистых магнитных систем.

5.4. Магнитные свойства характеристик реле в сравнении с зарубежными аналогами.

6. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОПРОВОДОВ МПМ В СОВРЕМЕННЫХ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ.

6.1. Создание сердечника с равномерной коллимацией магнитного потока для электромагнитного механизма с внешним поворотным якорем клапанного вида

6.2. Проектирование Ш-образных элементов магнитных систем переменного тока для магнитных пускателей.

6.3. Разработка магнитной системы маломощного синхронного двигателя с постоянными магнитами.

6.4. Проектирование магнитной системы индукторного генератора.

6.5. Разработка магнитной системы асинхронного двигателя.

6.6. Исследование магнитной системы трансформатора малой мощности

6.7. Исследование магнитной системы однофазного индукционного счетчика

6.8. Создание магнитной системы электромагнитного аппарата с полым сердечником.'.

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 энерго- и 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 7774005), 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 17000 и уменьшить коэрцитивную силу до 7,9 А/м;

- введением высокотемпературного отжига, примененного на магнитных системах, в технологический процесс производства реле ЭП-41В 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 269000, 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 энерго- и 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.

1. Абрикосов, А.А. Методы квантовой теории поля в статистической физике/АА. Абрикосов, Л.П. Горьков, И.Е. Дзялошинскийред. — М: Физматгиз, 1962. - 475 с.

2. Абрикосов,А.А. Основы теории металлов/ А.А. Абрикосов. — М.: Наука, 1987. 520 с.

3. Адам, Н.К. Физика и химия поверхностей/Н.К. Адам. Пер. с англ. — М.: Изд-во ин. лит., 1947.-173 с.

4. Айзенкольб, Ф. Успехи порошковой металлургии/ Ф. Айзенкольб Перев. с нем., -М.: Металлургия, 1969.- 325 с.

5. Аксенов, Г.И. Основы порошковой металлургии. Куйбышев: Кн. Изд-во, 1962.-296с.

6. Акулов, Н.С. Ферромагнетизм/ Н.С. Акулов. M-JL: ОНТИ, 1939. -282 с.

7. Альтман, А.Б. Металлокерамика в электропромышленности/ А.Б. Альтман. -М.: ИДТИ. 1961. -123 с.

8. Альтман, А.Б. и др. Электротехнические металл окерамические изделия/ А.Б. Альтман. М.: Информэлектро, 1972. - 175 с.

9. Альтман, А.Б. Электротехнические металлокерамические изделия / А. Б. Альтман. М.: Изд. ЦБТИ НИИ Электропромышленности, 1959. — 211 с.

10. Амелинск, С. Методы прямого наблюдения дислокаций / С. Амелинск. — М.: Мир. 1968.-440 с.

11. Аркадьев, В.К. Электромагнитные процессы в металлах / В.К. Аркадьев. -М.: Том I ОНТИ, 1934, Том II, ОНТИ, 1936. -342 с.

12. Архаров, В.И. Окисление металлов / В.И. Архаров. — М.: Металлургия, 1945.-183 с.

13. Экономика электротехнической промышленности / В.Е. Астафьев идр. М.: Энергия, 1975 - 247 с.

14. Балбашов, A.M. Магнитные материалы для микроэлектроники / A.M. Балбашов, А.Я. Червоненкис. М.: Энергия, 1979. - 236 с.

15. Балыпин, М.Ю. Порошковая металлургия / М.Ю. Бальшин. — М.: Машиздат, 1948. 252 с.

16. Бальшин, М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна / М.Ю. Бальшин. — М.: Металлургия, 1972. 213 с.

17. Банных, О.А. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справочник / О.А. Банных, М.Е. Дриц. М.: Металлургия, 1986. - 413 с.

18. Белов, К.П. Магнитные превращения / К.П. Белов. М.: Физматиздат, 1959.-238 с.

19. Блантер, М.Е. Фазовые превращения при керамической обработке стали / М.Е. Блантер. -М.: Металлургиздат, 1962.- 432 с.

20. Богатин, Д.Е. Производство металлокерамических деталей / Д.Е. Богатин. М.: Металлургия, 1968. - 213 с.

21. Бодяко, М.Н. Термокинетика рекристаллизации. / М.Н. Бодяко, С.А. Астапчик, Г.Б. Ярошевич — Минск: Наука и техника, 1968. 315 с.

22. Бозорт, Р. Ферромагнетизм /Р. Бозорт.- М.: Изд-во ин. лит., 1956. -522 с.

23. Буль, Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей / Б.К. Буль.-М.: Энергия, 1964.-352 с.

24. Буль, Б.К. Основы теории электрических аппаратов / Б.К. Буль, Г.В. Буткевич, А.Г. Годжелло;под ред. Г.В. Буткевича. — М.: Высшая школа. 1970. 562 с.

25. Бурке, Д.Е. Успехи физики металлов, T.I / Д.Е. Бурке, Д. Тарибалл. -М.: Металлургия, 1956. 312 с.

26. Бюрен, В. Дефекты в кристаллах / В. Бурен. М.:Мир, 1962. — 413 с.

27. Виноградов, Г.А. Прессование и прокатка металлокерамических материалов / Г.А. Виноградов, И.Д. Радомысельский.- М.: Машиздат,1963.-202 с.

28. Виноградов, Г.А. Теория листовой прокатки металлических порошков. / Г.А. Виноградов, Ю.Н. Семенов. М.: Металлургиздат, 1979. — 336 с.

29. Прокатка металлических порошков / Г.А. и др. — М.: Металлургия, 1969.-416 с.

30. Виттенберг, М.И. Расчет электромагнитных реле / М.И. Виттенберг. — Д.: Энергия, 1975. -715 с.

31. Вонсовский, С.В. Магнетизм / С.В. Вонсовский. — М.: Наука, 1971. -1032 с.

32. Вонсовский, С.В. Ферромагнетизм / С.В. Вонсовский, Я.С. Щур. М-JL: Гостехиздат, 1948. - 816 с.

33. Вострокнутов, Н.Г. Испытание электрических счетчиков / Н.Г. Вострокнутов, A.M. Илюкович. M-JL: ГЭИ, 1962. — 172 с.

34. Вострокнутов, Н.Г. Электрические измерения / Н.Г. Вострогнутов. -М.: Высшая школа, 1966. 274 с.

35. Вязников, Н.Ф. Металлокерамические материалы и изделия / Н.Ф. Вязников, С.С. Ермаков. JL: Изд-во Машиностроение, 1967. - 224 с.

36. Гасанов, Б.Г. Исследования структурообразования порошковых магнитномягких материалов в процессе ДТП: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.16.06 / Б.Г. Гасанов. Новочеркасск, 1975. - 17 с.

37. Гегузин, Я.Е. Физика спекания / Я.Е. Гегузин — М.: Наука, 1967 — 312 с.

38. Гершман, Р.В. Влияние пластической деформаций изгибом и растяжением и последующего отжига на удельные потери холоднокатаной стали. Теория и практика металлургии / Р.В. Гершман. Челябинск, 1966, вып. 6.-249 с.

39. Глесстон, С. Теория абсолютных скоростей реакции / С. Глестон, К. Лейдлер, Г. Эйринг.-Пер. с англ.. М.: Изд-во ин. лит., 1948.- 213 с.

40. Гольдман, М.А. Электрические микромашины с металлокерамическим магнитопроводом: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.16.06 / М.А. Гольдман. М., 1976.- 18 с.

41. Гордон, А.В. Электромагниты переменного тока / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская. -М.: Энергия, 1968.- 200 с.

42. Гордон, А.В. Электромагниты постоянного тока / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская. -М.: Госэнергоиздат, I960.- 447 с.

43. Горбатюк, В.А. Магнитные материалы: конспект лекций / В.А. Горбатюк. -Киев, 1973.- 139 с.

44. Горлач, И.А. Влияние неметаллических включений на магнитные свойства электротехнической стали: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.02 / И.А. Горлач. М.: ЦНИИЧМ, 1970.- 18 с.

45. Металлические порошки из расплавов / Ю.А. Грацианов и др. -М.: Металлургия, 1970.-317 с.

46. Григорьев, А.К. Численный анализ и экспериментальное исследование технологических параметров процессов прокатки: автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.16.05 / А.К. Григорьев. Ленинград, 1970.- 35 с.

47. Де-Гроат, Д. Производство изделий из металлического порошка / Д. Де-Гроат.- Перев. с англ. М.: Машгиз, I960.- 192 с.

48. Джонс, В.Д. Основы порошковой металлургии. Прессование и спекание /В.Д. Джонс-М.: Мир, 1965.-403 с.

49. Дорофеев, Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок / Ю.Г. Дорофеев. М.: Металлургия, 1977.216 с.

50. Драгошанский, Ю.Н. Формирование доменной структуры в магнитноодноосных и магнитнотрехосных кристаллах: автореф. дис. канд. физ. мат. наук: 01.04.11 / Ю.Н. Драгошанский. Свердловск: ИФМ АН СССР, 1968.-17 с.

51. Дружинин, В. Справочник магнитных и электрических характеристик горячекатаной электротехнической стали: В. Дружинин, А.З. Векслер, А.К. Куренных-М.: Изд-во стандартов, 1982.- 123 с.

52. Дружинин, В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. — М.: Энергия, 1974.- 240 с.

53. Дубров, Н.Ф. Электротехнические стали / Н.Ф. Дубров, Н.И. Лапкин. -М.: Металлургиздат, 1963.-384 с.

54. Структура и свойства текстурованных металлов и сплавов / Ф.Н. Дунаев и др. М.: Наука, 1969.- 237 с.

55. Спекание в присутствии жидкой металлической фазы / В.Н. Еременко и др. Киев: Изд-во Наукова Думка, 1968.- 347 с.

56. Ермаков, С.С. Металлокерамические детали в машиностроении / С.С. Ермаков, Н.Ф. Вязников. Ленинград: Изд-во Машиностроение, 1975.- 278 с.

57. Ермаков, С.С. Физика металлов / С.С. Ермаков. — Л., 1975.- 272 с.I

58. Жданович, Г.М. Теория прессования металлических порошков / Г.М. Жданович. М.: Металлургия, 1979.- 224 с.

59. Казаджан, Л.Б. Физические предпосылки улучшения магнитных свойств трансформаторной стали: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.02 /Л.Б. Казаджан.-М., 1968.- 19 с.

60. Казарновский, Л.Ш. Листовая электротехническая сталь / Л.Ш. Казарновский.- М.: Электротехника и энергетика, 1969.- 193 с.

61. Каганов, Л.М. Основы теории пластичности / Л.М. Каганов. — М.: Наука, 1969.- 314 с.62. " Кандаурова, Г.С. Доменная структура магнетиков / Г.С. Кандаурова,

62. Л.Г. Оноприенко. Свердловск, 1988.- 213 с.

63. Касаткин, А.С. Электротехника: книга 1 и 2 / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. -М.: Энергоатомиздат, 1995.- 539 с.

64. Кипарисов, С.С. Порошковая металлургия / С.С. Кипарисов, Г.А. Либенсон. -М.: Металлургия, 1972.- 496 с.

65. Китель, Ч. Квантовая теория твердого тела / Ч. Китель. М.: Наука, 1967.-372 с.

66. Кифер, И.И. Испытания ферромагнитных материалов / И.И. Кифер. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1969.- 342 с.

67. Кларк, Ф. Новейшие методы порошковой металлургии / Ф. Кларк.68.