ГОСТ 12119.4-98
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
Сталь электротехническая
магнитного поля
Издание официальное
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Российской Федерацией, Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 120 «Металлопродукция из черных металлов и сплавов»
ВНЕСЕН Госстандартом России
2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 13-98 от 28 мая 1998 г.)
|
Наименование государства |
Наименование национального органа по стандартизации |
|
Азербайджанская Республика |
Аз гос стандарт |
|
Республика Армения |
Армгос стандарт |
|
Республика Беларусь |
Госстандарт Беларуси |
|
Киргизская Республика |
Киргизстандарт |
|
Российская Федерация |
Госстандарт России |
|
Республика Таджикистан |
Таджикгосстандарт |
|
Туркменистан |
Главная государственная инспекция Туркменистана |
|
Республика Узбекистан |
Узгосстандарт |
|
Госстандарт Украины |
3 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 8 декабря 1998 г. № 437 межгосударственный стандарт ГОСТ 12119.4-98 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 июля 1999 г.
4 ВЗАМЕН ГОСТ 12119-80 в части раздела 4
© ИПК Издательство стандартов, 1999
Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания на территории Российской Федерации без разрешения Госстандарта России
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
Сталь электротехническая
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Метод измерения удельных магнитных потерь и действующего значения напряженности
магнитного поля
Electrical steel.
Methods of test for magnetic and electrical properties.
Method for measurement of specific magnetic losses and actual value of magnetic field intensity
Дата введения 1999-07-01
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает метод определения удельных магнитных потерь от 0,3 до
50,0 Вт/кг и действующего значения напряженности магнитного поля от 100 до 2500 А/м при частотах перемагничивания 50-400 Гц методом ваттметра и амперметра.
Допускается определение значений магнитных величин при частотах перемагничивания до 10 кГц на кольцевых образцах и на образцах из полос.
2 Нормативные ссылки
ГОСТ 8.377-80 ГСИ. Материалы магнитомягкие. Методики выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик
ГОСТ 8476-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 3. Особые требования к ваттметрам и варметрам
ГОСТ 8711 -93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам
ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Общие требования
ГОСТ 13109-87 Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения
ГОСТ 21427.1-83 Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия
ГОСТ 21427.2-83 Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая. Технические условия
3 Общие требования
Общие требования к методам испытания - по ГОСТ 12119.0.
Термины, применяемые в настоящем стандарте, - по ГОСТ 12119.0.
Издание официальное
4 Подготовка образцов для испытаний
4.1 Образцы для испытаний должны иметь изоляцию.
4.2 Образцы кольцевой формы собирают из штампованных колец толщиной от 0,1 до 1,0 мм или навивают из ленты толщиной не более 0,35 мм и помещают в кассеты из изоляционного материала толщиной не более 3 мм или неферромагнитного металла толщиной не более 0,3 мм. Металлическая кассета должна иметь зазор.
Отношение наружного диаметра образца к внутреннему должно быть не более 1,3; площадь поперечного сечения образца - не менее 0,1 см 2 .
4.3. Образцы для аппарата Эпштейна изготовляют из полос толщиной от 0,1 до 1,0 мм, длиной от 280 до 500 мм, шириной (30,0±0,2) мм. Полосы образца не должны отличаться друг от друга по длине более чем на ±0,2 %. Площадь поперечного сечения образца должна быть от 0,5 до 1,5 см 2 . Число полос в образце должно быть кратным четырем, минимальное число полос - двенадцать.
Образцы анизотропной стали нарезают вдоль направления прокатки. Угол между направлениями прокатки и нарезки полос не должен превышает Г.
Для образцов изотропной стали половину полос нарезают вдоль направления прокатки, другую - поперек. Угол между направлениями прокатки и нарезки не должен превышать 5°. Полосы группируют в четыре пакета: два - из полос, нарезанных вдоль направления прокатки, два - поперек. Пакеты с одинаково нарезанными полосами размещают в параллельно расположенных катушках аппарата.
Допускается полосы нарезать под одним и тем же углом к направлению прокатки. Направление прокатки для всех полос, уложенных в одну катушку, должно быть одинаковым.
4.4 Листовые образцы изготовляют длиной от 400 до 750 мм. Длина листа должна быть не менее наружной длины ярма: ширина листа - не менее 60 % ширины окна соленоида. Допуск по длине не должен выходить за пределы ±0,5 %, по ширине - ±2 мм.
Поверхность и форма листов должны соответствовать ГОСТ 21427.1 и ГОСТ 21427.2.
5 Применяемая аппаратура
5.1 Установка. Схема установки приведена на рисунке 1.
5.1.1 Вольтметры PV1 - для измерения средневыпрямленного значения напряжения и последующего определения амплитуды магнитной индукции и PV2 - для измерения действующего значения напряжения и последующего определения коэффициента формы его кривой должны иметь предел измерения от 30 мВ до 100 В, максимальный входной ток не более 5 мА, класс точности не ниже 0,5 по ГОСТ 8711.
Допускается использовать делитель напряжения к вольтметру PV1 для получения отсчетов, численно равных амплитудам магнитной индукции.
5.1.2 Ваттметр PWдля измерения активной мощности и последующего определения удельных магнитных потерь должен иметь предел измерения от 0,75 до 30 Вт, номинальный коэффициент мощности - не более 0,1 при частоте 50 Гц и 0,2 - при более высокой частоте; класс точности не ниже 0,5 при частоте перемагничивания от 50 до 400 Гц или не ниже 2,5 - при частоте более 400 Гц по ГОСТ 8476.
Допускается использовать делитель напряжения к ваттметру для получения отсчетов, численно равных значениям удельных магнитных потерь. Выход делителя напряжения должен быть соединен с параллельной цепью ваттметра, вход - с обмоткой II образца Т2.
5.1.3 Амперметр РА для измерения действующего значения намагничивающего тока и последующего определения действующего значения напряженности магнитного поля должен иметь предел измерения от 0,1 до 5,0 А, класс точности не ниже 0,5 по ГОСТ 8711. Допускается увеличение наименьшего предела измерения до 1,0 А при контроле нагрузки токовой цепи ваттметра. Максимальная мощность, потребляемая амперметром при измерении с образцами из листов шириной более 250 мм, должна быть не более 1,0 В А; для других образцов - не более 0,2 В - А
5.1.4 Частотомер PF адя измерения частоты с погрешностью, не выходящей за пределы ±0,2 %.
5.1.5 Источник питания С для намагничивания образцов должен иметь низкочастотный генератор с усилителем мощности или регулятор напряжения со стабилизатором частотой 50 Гц. Коэффициент несинусоидальности напряжения нагруженного источника питания не должен превышать 5 % по ГОСТ 13109. Номинальная мощность источника при частоте перемагничивания 50 Гц должна быть не менее 0,45 кВ А на 1,0 кг массы образца и не менее 0,3 кВ-А для значений, указанных в таблице 1.
Таблица 1
|
Частота перемагничивания, кГц |
Масса образца, кг |
|||||
|
ДО 1,0 ВКЛЮЧ. | ||||||
Допускается использовать усилитель с обратной связью для получения формы кривой магнитного потока образца, близкой к синусоидальной. Коэффициент несинусоидальности формы кривой ЭДС в обмотке не должен превышать 3 %; мощность, потребляемая цепью обратной связи по напряжению, не должна превышать 5 % измеряемых магнитных потерь.
5.1.6 Вольтметры PV1 и PV2, цепь напряжения ваттметра PW и обратная связь усилителя должны потреблять мощность не более 25 % измеряемого значения.
5.1.7 Катушка 77 для компенсации магнитного потока вне образца должна иметь число витков обмотки I не более пятидесяти, сопротивление - не более 0,05 Ом, сопротивление обмотки II - не более 3 Ом. Обмотки укладывают на цилиндрический каркас из немагнитного изоляционного материала длиной от 25 до 35 мм, диаметром от 40 до 60 мм. Ось катушки должна быть перпендикулярна плоскости силовых линий образца при закреплении ее на аппарате Эпштейна. Относительная разность коэффициентов взаимной индуктивности катушки Т1 и аппарата Эпштейна без образца не должна выходить за пределы ±5 %.
Допускается исключать из схемы (см. рисунок 1) катушку Т1 при магнитном потоке вне образца, не превышающем 0,2 % измеряемого.
5.1.8 Намагничивающие I и измерительные II обмотки кольцевого образца Т2 должны соответствовать требованиям ГОСТ 8.377.
5.1.9 Аппарат Эпштейна, применяемый для испытания образцов, составленных из полос, Т2 должен иметь четыре катушки на каркасах из немагнитного изоляционного материала со следующими размерами:
ширина внутреннего окна - (32,0±0,5) мм;
высота - от 10 до 15 мм;
толщина стенок каркаса - от 1,5 до 2,0 мм;
длина участка катушки с обмоткой - не менее 190 мм;
длина катушки - (220±1) мм.
Число витков в обмотках аппарата выбирают в соответствии с таблицей 2.
Таблица 2
5.1.10 Листовой аппарат, применяемый для испытания образцов Т2, должен иметь соленоид и два ярма. Конструкция ярм должна обеспечивать параллельность соприкасающихся поверхностей и механическую жесткость, исключающую влияние на магнитные свойства образца. Ширина полюсов ярм из электротехнической стали должна быть не менее 25 мм, из прецизионных сплавов - 20 мм. Магнитные потери в ярмах не должны превышать 5 % измеряемых; относительная разность амплитуд магнитного потока в ярмах не должна выходить за пределы ±15 %.
Допускается применять аппараты с разомкнутыми ярмами для измерения относительного изменения удельных магнитных потерь, например, при оценке остаточного напряжения по ГОСТ 21427.1.
Соленоид должен иметь каркас из немагнитного изоляционного материала, на котором сначала располагают измерительную обмотку II, затем одним или несколькими проводами - намагничивающую обмотку I. Каждый провод равномерно укладывают в один слой.
Относительная максимальная разность амплитуд магнитной индукции на участке образца внутри соленоида не должна выходить за пределы ±5 %.
6 Подготовка к проведению измерений
6.1 Образцы из полос, листов или кольцевой формы подключают, как указано на рисунке 1.
6.2 Образцы из полос или листов укладывают в аппараты. Образцы из полос укладывают в аппарат Эпштейна, как указано на рисунке 2.
Допускается фиксировать положение полос и листов в аппаратах, создавая давление не более 1 кПа перпендикулярно поверхности образца вне намагничивающих катушек.
6.3 Вычисляют площади поперечного сечения S, м 2 , образцов:
6.3.1 Площадь поперечного сечения 5, м 2 , для образцов кольцевой формы из материала толщиной не менее 0,2 мм рассчитывают по формуле
Рисунок 2 - Схема укладки полос образца
о)
где т - масса образца, кг;
D, d - наружный и внутренний диаметры кольца, м; у - плотность материала, кг/м 3 .
Плотность материала у, кг/м 3 , выбирают по приложению 1 ГОСТ 21427.2 или рассчитывают по формуле
у = 7865 - 65 (tf Si + 1,7А^>,
где K S i и Ад) - массовые доли кремния и алюминия, %.
6.3.2 Площадь поперечного сечения S, м 2 , для образцов кольцевой формы из материала толщиной менее 0,2 мм рассчитывают по формуле
к у (D + d) (1 + С т
(3)
где С у = y - отношение плотности изоляционного покрытия к плотности материала образца, где у п - плотность изоляции, принятая равной 1,6 10 3 кг/м 3 для неорганического покрытия и
1,1 ■ 10 3 кг/м 3 - для органического;
К, - коэффициент заполнения, определяемый, как указано в ГОСТ 21427.1.
6.3.3 Площадь поперечного сечения S, м 2 , образцов, составленных из полос для аппарата Эпштейна, рассчитывают по формуле
(4)
где ^ - длина полосы, м.
6.3.4 Площадь поперечного сечения листового образца S, м 2 , рассчитывают по формуле
(5)
где 1 Л - длина листа, м.
6.4 Погрешность определения массы образцов не должна выходить за пределы ±0,2 %, наружного и внутреннего диаметров кольца - ±0,5 %, длины полос - ±0,2 %.
6.5 Измерения при значении амплитуды магнитной индукции менее 1,0 Тл проводят после размагничивания образцов в поле частотой 50 Гц.
Устанавливают напряжение, соответствующее амплитуде магнитной индукции не менее 1,6 Тл для анизотропной стали и 1,3 Тл - для изотропной стали, затем плавно уменьшают его.
Время размагничивания должно быть не менее 40 с.
При измерении магнитной индукции в поле напряженностью менее 1,0 А/м образцы выдерживают после размагничивания 24 ч; при измерении индукции в поле напряженностью более
1,0 А/м время выдержки может быть сокращено до 10 мин.
Допускается уменьшать время выдержки при относительной разности значений индукции, полученных после нормальной и сокращенной выдержек, в пределах ±2 %.
6.6 Верхние пределы значений измеряемых магнитных величин для образцов кольцевой формы и составленных из полос должны соответствовать амплитуде напряженности магнитного поля не более 5 10 3 А/м при частоте перемагничивания от 50 до 60 Гц и не более 1 10 3 А/м - при более высоких частотах; нижние пределы - наименьшим значениям амплитуд магнитной индукции, приведенным в таблице 3.
Таблица 3
Наименьшее значение амплитуды магнитной индукции для листовых образцов должно быть равно 1,0 Тл.
6.7 Для вольтметра PV1, отградуированного в средневыпрямленных значениях, напряжение
V В, соответствующее заданной амплитуде магнитной индукции В^, Тл, и частоте перемагничи-вания /, Гц, рассчитывают по формуле
U cp = 4fSW 2 B mx (\-%, (6)
где S - площадь поперечного сечения образца, м 2 ;
W 2 - число витков обмотки II образца;
г 2 - суммарное сопротивление обмотки II образца Т2 и катушки 77, Ом; г э - эквивалентное сопротивление приборов и устройств, соединенных с обмоткой II образца Т2, Ом, рассчитываемое по формуле
(7)
где г п г п, гцг, г А - активные сопротивления вольтметров PV1, PV2, цепи напряжения ваттметра PWи цепи обратной связи по напряжению усилителя мощности соответственно, Ом.
Величиной - в формуле (6) пренебрегают, если ее значение не превышает 0,002.
6.8 Для вольтметра PV1, отградуированного в действующих значениях напряжения синусом дальной формы, значение величины U, В, рассчитывают по формуле
U=4,44fSJV 2 B max (l-^).
6.9 При отсутствии катушки Т1 рассчитывают поправку AU, В, обусловленную магнитным потоком вне образца, по формуле
A U= 4/И", ^ Мо (^ --S)f-U> (9)
где - число витков обмоток образца Т2,
Но - 4я 10 -7 - магнитная постоянная, Гн/м;
S 0 - площадь поперечного сечения измерительной обмотки образца, м 2 ;
S- площадь поперечного сечения образца, определяемая, как указано в 6.3, м 2 ;
1 С р - средняя длина магнитной силовой линии, м.
Для образцов кольцевой формы среднюю длину магнитной силовой линии / ср, м, рассчитывают по формуле
l cp = y(D + d). 0°)
В стандартных испытаниях для образца из полос среднюю длину 1^, м, принимают равной 0,94 м. При необходимости повышения точности определения магнитных величин допускается значения / ср выбирать из таблицы 4.
Таблица 4
Для листового образца среднюю длину магнитной силовой линии / ср, м, определяют по результатам метрологической аттестации установки;
/ тах - амплитуда тока, А; рассчитывают в зависимости от амплитуды падения напряжения U R п^, В, на резисторе сопротивлением R, Ом, включенном в намагничивающую цепь, по формуле
(П)
или по средневыпрямленному значению ЭДС t/ cpM , В, наведенной в обмотке II катушки 77 при включенной обмотке I в намагничивающую цепь, по формуле
I и ср.ы (12)
где М - взаимная индуктивность катушки, Гн; не более 1 10 -2 Гн;
/ - частота перемагничивания, Гц.
6.10 При определении удельных магнитных потерь в аппарате Эпштейна следует учитывать неоднородность намагничивания угловых частей магнитной цепи введением эффективной массы образца т и кг, которую для образцов из полос рассчитывают по формуле
4
(13)
где т - масса образца, кг;
^ - длина полосы, м.
Для кольцевых образцов эффективную массу принимают равной массе образца.
Эффективную массу листового образца определяют по результатам метрологической аттестации установки.
7 Порядок проведения измерения
7.1 Определение удельных магнитных потерь основано на измерении активной мощности, расходуемой на перемагничивание образца и потребляемой приборами PV1, PV2, PW и цепью обратной связи усилителя. При испытании листового образца учитывают потери в ярмах. Активную мощность определяют косвенным методом по напряжению на обмотке II образца Т2.
7.1.1 На установке (см. рисунок 1) замыкают ключи S2, S3, S4 и размыкают ключ S1.
7.1.2 Устанавливают напряжение £/ ср, U или (U^ + ДU), В, по вольтметру PV1; частоту перемагничивания /, Гц; проверяют по амперметру РА, что ваттметр PW не перегружен; замыкают ключ S1 и размыкают ключ S2.
7.1.3 При необходимости регулируют источником питания показание вольтметра PV1 для установки заданного значения напряжения и измеряют действующее значение напряжения U x , В, вольтметром PV2 и мощность Р н, Вт, ваттметром PW.
7.1.4 Устанавливают напряжение, соответствующее большему значению амплитуды магнитной индукции, и повторяют операции, указанные в 7.1.2, 7.1.3.
7.2 Определение действующего значения напряженности магнитного поля основано на измерении намагничивающего тока.
7.2.1 На установке (см. рисунок 1) замыкают ключи S2, S4 и размыкают ключи S1, S3.
7.2.2 Устанавливают напряжение U cp или U, В, частоту перемагничивания /, Гц, и определяют по амперметру РА значения намагничивающего тока /, А.
7.2.3 Устанавливают ббльшее значение напряжения и повторяют операции, указанные в
8 Правила обработки результатов измерений
8.1 Коэффициент формы кривой напряжения на обмотке II образца рассчитывают по формуле
ще U x - действующее значение напряжения, В;
U c р - напряжение, вычисленное по формуле (6), В.
8.2 Удельные магнитные потери Р^, Вт/кг, образца из полос или кольцевой формы рассчитывают по формуле
где т х - эффективная масса образца, кг;
Р м - среднее значение мощности, Вт;
U\ - действующее значение напряжения, В;
W x , W 2 - число витков обмоток образца 72; г ь г э - см. 6.7.
Величинами -у- и ^ пренебрегают, если отношение ~ не превышает 0,2 % от -ф Р м, а
отношение - не превышает 0,002.
Погрешность определения сопротивления г э не должна выходить за пределы ±1 %. Допускается вместо напряжения U x подставлять величину, равную 1,11 f/ cp при = 1,11±0,02.
8.3 Для исключения влияния искажений формы кривой магнитного потока на результат измерения магнитных потерь проводят корректировку, основанную на том, что магнитные потери равны сумме потерь на гистерезис и вихревые токи, причем первая величина не зависит от искажений формы кривой магнитного потока, а вторая - пропорциональна квадрату коэффициента формы кривой напряжения на обмотке II образца.
8.3.1 При отличии значения коэффициента формы кривой напряжения Аф от 1,11 более чем на ±1 % удельные магнитные потери для синусоидальной формы кривой магнитного потока P yjLC9 Вт/кг, рассчитывают по формуле
^уд.с ^уд I 1 ^г)
UlJ J ’
где Руд- удельные магнитные потери, Вт/кг;
а,. - отношение удельных магнитных потерь на гистерезис к удельным магнитным потерям.
8.3.2 Коэффициент формы кривой напряжения должен быть в интервале 1,08-1,16 при измерении удельных магнитных потерь и 1,09-1,13 - при измерении действующего значения напряженности магнитного поля.
8.3.3 Значение величины 04. выбирают из таблицы 5.
Таблица 5
Допускается величину а, рассчитывать по магнитным потерям, измеренным при двух значениях коэффициента формы кривой напряжения и постоянных значениях амплитуды магнитной индукции и частоты, по формуле
(Лд ~ Ла)" ^\
(*V^i)Л,.’
где Р и 1 и Р и1 - магнитные потери, соответствующие А ф1 и К^ г, определенные, как указано в 8.1, Вт; Аф, = 1,11 ±0,05.
Магнитные потери Р м2 , Вт, измеряют, как указано в 7.1.1 - 7.1.4, при включении в намагничивающую цепь резистора, для которого разность (Аф 2 - Л^) должна быть более 2 %.
8.3.4 При отклонении частоты перемагничивания/, Гц, от номинальной/ ном, Гц, рассчитывают поправку на магнитные потери Д P f , Вт, по формуле
N fw»i f Д Pf-- f
Поправку Д Pf вводят при частоте f mtt = 50 Гц и отношении
в интервале от ±0,5 до ±2,0 %.
8.4 Удельные магнитные потери Р уд, Вт/кг, в листовом образце рассчитывают по формуле
где т ь W x , W b г 2 , г э, Р и и U x - см. формулу (15);
Р я - магнитные потери в ярме, Вт, при амплитуде магнитного потока Ф я, Вб, рассчитываемой по формуле
Фя - 2 ‘ Ртах ■ S >
где - амплитуда магнитной индукции, Тл;
S - площадь поперечного сечения образца, м 2 .
Для синусоидальной формы кривой магнитного потока удельные магнитные потери Р^, Вт/кг, рассчитывают по формуле (16).
8.5 Действующее значение напряженности магнитного поля Н, А/м, рассчитывают по формуле
Иж!Я % (21 >
где / ср - длина магнитной силовой линии, определяемая, как указано в 5.9, м;
/ - намагничивающий ток, А; fVj - число витков обмотки I образца.
8.6 Погрешность измерения удельных магнитных потерь образцов из полос и кольцевой формы не должна выходить за пределы ±2,5 % при частоте перемагничивания от 50 до 400 Гц и ±5 % - при частоте, превышающей 400 Гц; листовых образцов - ±3 %.
8.7 Погрешность измерения действующего значения напряженности магнитного поля не должна выходить за пределы ±5 %.
УДК 669.14.001.4:006.354 МКС 77.040.20 В39 ОКСТУ 0909
Ключевые слова: сталь электротехническая, метод измерения, потери удельные магнитные, поле магнитное, метод ваттметра и амперметра, образцы, аппаратура, обработка результатов, погрешность измерения
Редактор Г. С. Шеко Технический редактор Л А. Кузнецова Корректор А/. С. Кабашова Компьютерная верстка Е. Н. Мартемьяновой
Изд. лиц. № 021007 от 10.08.95. Сдано в набор 25.12.98. Подписано в печать 01.02.99. Уел. печ. л. 1,40. Уч.-изд. л. 1,07.
Тираж 299 экз. С1827. Зак. 64.
ИПК Издательство стандартов, 107076, Москва, Колодезный пер., 14.
Набрано в Издательстве на ПЭВМ
Филиал ИПК Издательство стандартов - тип. “Московский печатник”, Москва, Лялин пер., 6.
Известно, что при воздействии на ферромагнетик магнитным полем фиксированной напряженности Н , значение намагниченности J , а значит, и индукция В , обусловленные этим полем, достигают своих расчетных значений с некоторым запаздыванием. Такое явление называется магнитной вязкостью . Магнитная вязкость является одним из факторов, вызывающим необратимые потери энергии (и, следовательно, разогрев, материала) в ферромагнитном теле; эти потери называются потерями на магнитную вязкость или остаточными потерями.
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле также связан с тепловыми потерями части энергии магнитного поля. Потери энергии в форме тепла характеризуются удельными магнитными потерями Р уд. По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические потери .
Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Эти потери пропорциональны площади петли гистерезиса и величине частоты переменного поля. Удельная мощность потерь Р г, расходуемая на гистерезис, определяется:
Р г = h f B мах n , (5.38)
где h - коэффициент, зависящий от свойств материала; B мах - максимальная индукция в течение цикла; n - показатель степени (n = 1,6 - 2,0); f - частота изменения магнитного поля.
Динамические потери вызываются вихревыми токами и потерями на магнитную вязкост ь.
Динамические потери, обусловленные потерями на магнитную вязкость, связаны с отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля.
Потери на вихревые токи вызываются токами, которые индуцируются в магнитном материале за счет изменяющегося магнитного потока: за счет явления электромагнитной индукции, возникает ЭДС. В материале возникают круговые (циркулярные) токи (токи Фуко ). Т.к. ферромагнетики типа стали или нихрома являются проводящими материалами, то значительные токи Фуко приводят к разогреву материала (иногда до сотен градусов Цельсия). Уменьшение электрического сопротивления материала магнетика приводит к возрастанию потерь, и, следовательно, к большему разогреву материала.
Удельная мощность потерь выражается следующим образом
P (f ) = bf B мах 2 , (5.39)
где b - коэффициент, зависящий от типа материала и его формы.
Очевидно, что первоочередной задачей для уменьшения потерь за счет токов Фуко является увеличение удельного сопротивления материала, но это не всегда возможно, например, все сорта стали обладают близкими значениями удельного электрического сопротивления.
Чтобы уменьшить действие вихревых токов и снизить потери на перемагничивание ферромагнетиков, магнитопровод делают не цельным, а собирают его (шихтуют ) из изолированных друг от друга тонких листов стали , плоскости которых располагают параллельно магнитным силовым линиям . В подобной конструкции, во-первых, каждый лист изолирован друг от друга, т.е. сопротивление между ними достаточно велико, и токи Фуко существенно уменьшаются. Во-вторых, за счет правильного выбора ориентации листа стали относительно линий магнитной индукции, в каждом листе сердечника изменяется небольшая часть потока, поэтому ЭДС, индуктируемая в контуре листа, и вихревые токи в нем становятся меньше.
Наконец, величина вихревых токов в листе снижается, потому что пути тока в листе удлиняется, а сечение листа – уменьшается.
Снижения величины вихревых токов добиваются увеличением удельного электрического сопротивления материала сердечника путем введения в электротехнические стали присадки кремния. В этих же целях используют магнитодиэлектрические и ферритовые сердечники.
К дополнительным потерямотносят все потери, отличные от потерь на вихревые токи и гистерезис; они могутбыть обусловлены такими явлениями как магнитная вязкость, резонанс смещения магнитных стенок, резонанс, вызванный анизотропностью и вращением вектора намагниченности и т. п.
Все эти потери представляют собой диссипацию энергии - необратимые потери энергии, рассеиваемой в виде тепла в ферромагнитных материалах. В переменном магнитном поле они определяют дополнительную нагрузку на источник питания электрической цепи. Например, введение магнитного материала (магнитопровода) в обмотку (катушку, соленоид, тороид и т.п.) эквивалентно увеличению электрического сопротивления цепи постоянного тока.
Мощность магнитных потерь (или, просто, магнитные потери ) в магнитопроводе P i (Вт) определяет эквивалентное сопротивление R i :
R i = P i /I 2 , Ом, (5.40)
где I - действующее значение силы тока в цепи, А.
На рис. 5.6 приведены условная электрическая (а) и эквивалентная схема замещения (б), а также векторная диаграмма (в) токов и напряжений.
Тангенс угла магнитных потерь в магнитном материале вычисляется следующим образом:
tgd м = U R /U L = R i /wL = (R г_ + R в + R д)/wL , (5.41)
где R г, R в, R д - эквивалентные сопротивления, обусловленные соответственно, гистерезисом, вихревыми и дополнительными потерями.
Рис. 5.6. Схема (а), эквивалентная схема замещения (б), векторная диаграмма цепи с магнетиком
В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис Р г, потерь на вихревые токи Р в и дополнительных потерь Р д. Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери) (Вт/м 3)
|
(8.10) |
Эти же потери можно отнести к единице массы (Вт/кг)
|
(8.11) |
где g – плотность материала, кг/м 3
Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно малой коэрцитивной силой. Для этого путем отжига снимают внутренние напряжения в материале, уменьшают число дислокаций и других дефектов и укрупняют зерна.
Потери на вихревые токи для листового образца
|
|
(8.12) |
где
B max - амплитуда магнитной индукции, Тл;
f - частота переменного тока, Гц;
d - толщина листа, м;
g - плотность, кг/м 3 ;
r - удельное электросопротивление, Ом. м.
Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи
где J no – намагниченность при t ® ¥ ; t – время релаксации. На рисунке 8.14 показана зависимость напряженности магнитного поля и намагниченности от времени действия магнитного поля. В магнитотвердых магнитных материалах время t магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называют сверхвязкостью.
Рис.8.14. Зависимость намагниченности J и напряженности Н магнитного материала от времени действия магнитного поля t
Эти потери обусловлены в первую очередь инерционностью процессов перемагничивания доменов (затрата тепловой энергии на передвижения границ слабозакрепленных доменов при изменении поля).
При перемагничивании в переменном поле происходит отставание по фазе В от Н магнитного поля. Происходит это в результате действия вихревых токов, препятствующих, в соответствии с законом Ленца, изменению магнитной индукции, а также из-за гистерезисных явлений и магнитного последействия.
δ м –угол отставания - угол магнитных потерь.
tg δ м – характеристика динамических свойств магнитных материалов.
Тангенс угла магнитных потерь используют в переменных полях. Его можно выразить через параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке 8.15. Индуктивную катушку с сердечником из магнитного материала представляют в виде последовательной схемы из индуктивности L и активного сопротивления r .
Рис. 8.15. Эквивалентная схема (а) и векторная диаграмма (б) индуктивной катушки с магнитным сердечником
Пренебрегая собственной емкостью и сопротивлением обмотки катушки, получаем
|
tg d м = r /(w L ) |
(8.15) |
Активная мощность Р а :
|
Р а =J 2 . w L . tg d м . |
(8.16) |
Величина, обратная tg d м называется добротностью
Процесс намагничивания магнитных материалов в переменном поле связан с потерями части мощности магнитного поля. Этумощность, поглощаемую единицей массы магнитного материала и рассеиваемую в виде тепла, называется удельными магнитными потерями P, которые, в свою очередь, складываются из потерь на гистерезис и динамические потери. Динамические потери вызываются, прежде всего, вихревыми токами и частично магнитным последействием (магнитной вязкостью).
Потери на гистерезисе связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ. Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия. Для каждого материала они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь P г, Вт/кг, расходуемая на гистерезисе единицей массы материала, определяется формулой
где η – коэффициент, зависящий от природы материала;
B m – максимальная магнитная индукция в течение цикла;
n – показатель степени, имеющий значение в зависимости от B в пределах от 1.6 до 2;
f – частота.
Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно малой коэрцитивной силой.
Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в материале магнитный поток. Эти материалы зависят от электрического сопротивления магнитного материала и формы сердечника. Чем больше удельное электрическое сопротивление магнитного материала, тем меньше потери на вихревые токи.
где ξ – коэффициент, зависящий от природы магнитного материала, а также его формы.
Для борьбы с вихревыми токами увеличивают электрическое сопротивление сердечника (магнитопроводов). С увеличением частоты потери на вихревые токи возрастают более интенсивно, чем потери на гистерезис, и при какой-то частоте начнут преобладать над потерями, вызванными гистерезисом.
Потери, вызванные магнитным последействием (магнитной вязкостью), - это свойство магнитных материалов проявлять зависимость запаздывания изменения индукции, происходящее под действием изменяющегося магнитного поля, от длительности воздействия этого поля. Эти потери обусловлены в первую очередь инерционностью процессов перемагничивания доменов. С уменьшением длительности приложения магнитного поля запаздывания и, следовательно, магнитные потери, вызванные магнитным последействием, увеличиваются, поэтому их необходимо учитывать при использовании магнитных материалов в импульсном режиме работы.
Мощность потерь P МП, вызванную магнитным последствием, определяется как разность между удельными магнитными потерями P и суммой потерь на гистерезис P Г и вихревые токи P ВТ:
При перемагничивании в переменном поле имеет место отставание по фазе магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Происходит это в результате действия вихревых токов, препятствующих, в соответствии с законом Ленца, изменению магнитной индукции, а также из-за гистерезисных явлений и магнитного последействия. Угол отставания называют углом магнитных потерь и обозначают δ М. Для характеристики динамических свойств магнитных материалов используют тангенс угла магнитных потерь tgδ М. На рисунке представлена последовательная эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма тороидальной катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала. Активное сопротивление r 1 эквивалентно всем видам магнитных потерь, потерям в обмотке и электрической изоляции.
Если пренебречь сопротивлением обмотки катушки и ее собственной емкостью, то из векторной диаграммы получим
где ω – угловая частота;
L – индуктивность катушки;
Q – добротность катушки с испытуемым магнитным материалом.
Уравнение показывает, что тангенс угла магнитных потерь является величиной, обратной добротности катушки.
