СПОСОБ ОБРАБОТКИ ШИХТОВАННОГО МАГНИТОПРОВОДА СТЕРЖНЕВОГО ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 2015 года по МПК H01F41/02 C21D8/12 

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

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

В современных анизотропных электротехнических сталях создание острой кристаллографической и магнитной текстуры обеспечивает повышение магнитной индукции. Для этого использованы обычные металлургические методы прокатки и рекристаллизационных отжигов, создающие ребровую (110) [001] кристаллографическую текстуру при оптимальных химическом составе, пластичности и толщине ленты, с наименьшим содержания вредных примесей и неоднородных внутренних напряжений, что соответствует минимуму полных магнитных потерь в заданном режиме перемагничивания. Однако при этом формируются крупные кристаллиты (до 50 мм), широкие полосовые магнитные домены, проходящие из зерна в зерно и, как следствие этого, при перемагничивании материала возрастают скорости движения доменных границ и вихретоковые (Р_в) магнитные потери (до 80% от полных).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Значительная доля магнитных потерь в магнитопроводе связана также с тем, что часть замкнутого в нем магнитного потока проходит, отклоняясь от направления прокатки, то есть направления легкого намагничивания [001]. Это имеет место в угловых участках замкнутого П-образного магнитопровода, образованных краями пластин с продольной ориентацией относительно направления прокатки, а также по всей длине его участка, ориентированного поперек направления прокатки. Эффективный способ уменьшения магнитных потерь в этих участках магнитопроводов связан с формированием в них новой доменной структуры типа B - комплекса 90-градусных доменов, имеющих намагниченность, ориентированную под 45 градусов к поверхности пластин, по другим возможным направлениям легкого намагничивания, то есть вдоль других ребер куба [010] и [100]. Эту структуру доменов типа B в названных участках магнитопровода формируем локально-лазерной обработкой, зоны тепловой деформации которой ориентируем вдоль направления прокатки стали. Напряжения сжатия в указанных зонах создают растяжение в межзонных промежутках, выделяя в них два указанных выше направления легкого намагничивания. Это приводит к перестройке доменов из структуры A в структуру B, обеспечивающую прохождение магнитного потока и в этих участках магнитопровода по направлениям легкого намагничивания, то есть с меньшими магнитными потерями энергии.

В результате, формируя локальной лазерной обработкой сжатые узкие зоны и широкие растянутые межзонные промежутки, в одних участках пластин магнитопровода, параллельных направлению прокатки, уменьшаем ширину полосовых 180-градусных доменов, в других участках, поперечных направлению прокатки, перестраивая тип доменной структуры из 180- в 90-градусные, также снижаем ширину доменов и всюду ориентируем магнитный поток по направлениям легкого намагничивания. Этим уменьшаем скорости движения доменных границ и магнитные потери при перемагничивании. Такое поведение ширины доменов в различных участках магнитопровода с разной ориентацией растягивающих напряжений относительно направления прокатки обусловлено положительным знаком магнитострикции стали. Формируемая при этом ориентация намагниченности во всех участках магнитопровода только вдоль направлений легкого намагничивания, обеспечивает повышение магнитной индукции в любом заданном поле и полностью компенсирует ее некоторое снижение, создаваемое в узких зонах лазерного воздействия.

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

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

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

Пример осуществления способа.

С целью улучшения электромагнитных свойств шихтованного магнитопровода стержневого трансформатора, содержащего ярма и стержни, набираемые из отдельных слоев ферромагнитных прямоугольных узких и широких пластин, отдельные прямоугольные и П-образные пластины вырезают из рулонной ленты с предварительно нанесенным на ее поверхность электроизоляционным покрытием, вдоль направления ее прокатки, осуществляют отжиг при 700-800°C в течение 60-20 минут и медленно, с кварцевой печью, охлаждают до 20°C, затем поперек направления прокатки наносят зоны локального лазерного воздействия по всей длине пластин, для стали с крупным зерном 15-50 мм с интервалом 5-2 мм, с мелким зерном 5-15 мм - 15-5 мм, в местах сочленения отдельных пластин ярма и стержней лазерное воздействие осуществляют ступенчато, формируя угловой фронт под углом 45 градусов к направлению прокатки пластин, а на ярмах П-образной части магнитопровода наносят зоны локального лазерного воздействия вдоль направления прокатки, затем формируют пакет замкнутого магнитопровода, для этого укладывают концы пластин встык друг к другу под углом 90 градусов в каждом слое и в последующем слое внахлестку к предыдущему слою, перекрывая стыки между пластинами. Причем на сталях толщинами от 0,3 мм до 0,8 мм и с крупным зерном наносят и на обратной стороне изготовленных пластин зоны лазерного воздействия (см. таблицу).

Данные операции, формирующие зоны локально-лазерного воздействия в отдельных и П-образных пластинах шихтованного магнитопровода, представлены на рисунке, где зоны локально-лазерного воздействия обозначены цифрой 1, а направление магнитного потока вдоль оси легкого намагничивания - J [100].

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

Таблица Изменение полных магнитных потерь стали марки 3408 при создании П-образного шихтованного магнитопровода до и после локально-лазерной обработки (ЛЛО) п/п Состояния элементов магнитопровода Магнитные потери (P_1,7/50), Вт/кг Проводимые операции Изменения P_1,7/50, % 1 рулонная сталь 1,13 - - 2 обычный магнитопровод 1,38 1-2 18 3 ЛЛО с одной стороны 1,26 2-3 -9 4 ЛЛО с двух сторон 1,23 2-4 -11 Толщина пластин 0,27 мм      

Изобретение относится к электротехнике, к технологии изготовления пластинчатых трансформаторов и может быть использовано в электротехнической и радиотехнической промышленности. Технический результат состоит в снижении магнитных потерь. При обработке шихтованного магнитопровода стержневого трансформатора, содержащего ярма и стержни, набранные из отдельных слоев ферромагнитных прямоугольных узких и широких пластин, его прямоугольные и П-образные пластины вырезают из рулонной ленты вдоль направления ее прокатки, осуществляют отжиг при 700-800°C в течение 60-20 минут, медленно охлаждают до 20°C и поперек направления прокатки наносят зоны локального лазерного воздействия по всей длине пластин, для стали с крупным зерном 15-50 мм с интервалом 5-2 мм, а с мелким зерном 5-15 мм - 15-5 мм. В местах сочленения отдельных пластин ярма и стержней лазерное воздействие осуществляют ступенчато, формируя угловой фронт под углом 45 градусов к направлению прокатки пластин. На ярмах П-образной части магнитопровода наносят зоны локального лазерного воздействия вдоль направления прокатки. Затем формируют пакет замкнутого магнитопровода, укладывают концы пластин встык друг к другу под углом 90 градусов в каждом слое и в последующем слое внахлестку к предыдущему слою, перекрывая стыки между пластинами. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

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

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