Электротехнический справочник в четырех томах. том первый. общие вопросы. электротехнические материалы

Отличительные особенности изотропной и анизатропной сталей

Опираясь на сказанное выше, стоит отметить, характеристики самого легированного соединения железа слишком прямо зависят от процентного содержания кремния в структуре сплава.

Вторым же фактором является непосредственно внутренняя структура, образование которой имеет место в рамках производственного процесса

Важно отметить, как холоднокатаная, так и горячекатаная стали имеют различные по размеру ячейки. Для тех металлов, которые имеют крупнокриссталическую решетку, отмечается большая магнитная проницаемость, но значительно меньший показатель коэрцитивной силы (относительно групп металлов, имеющих мелкокристаллическую решетку)

Размер зерна варьируется посредством применения в процессе производства термической и механической обработки.

Учитываются следующие особенности производства:

• Проведенный отжиг стали будет способствовать последующему понижению показателей внутреннего напряжения в металле. Данное обстоятельство будет приводить к тому, что количество кристаллов, которые образуют его структуру, будет неизменно возрастать;
• В свою очередь, горячая прокатка стали не может создать достаточно устойчивую ориентацию отдельных зерен внутри самого металла, она остается хаотичной;
• Согласно исследованиям механических характеристик данной изотропной стали, она не может создавать устойчивую ориентацию отдельных зерен внутри металла, в результате чего, она остается хаотичной. В конечном счете, сталь может характеризоваться независимостью своих магнитных свойств от направления движения частиц.

Если попробовать использовать технологию повторной холодной прокатки стали, то можно добиться определенной текстурованной структуры, с четко выраженной пространственной ориентацией кристаллических элементов в трансформаторном железе. В конечном счете это позволит гарантировать получение анизотропной стали, в рамках которой ребра решетки всех кристаллов установлены непосредственно в направлении последующее прокатки. Если попробовать расположить саму анизотропную сеть в строго правильном направлении, достигается высокая магнитная проницаемость, вместе с тем понижается и показатель коэрцитивной силы.

Само по себе производство данного сплава налажено в виде своеобразного листового проката, который предусматривает ширину одной полосы в пределах 240-1000 мм. Также, данный металл выпускается отдельными листами или же рулонами, длина которых может существенно варьироваться, в пределах 720-2000 мм. Отличается в данном случае и толщина листа, которая может начинаться с показателя в 0,05 мм и заканчиваться значением в 1,0 миллиметр

Лист очень тонкий, при его транспортировке обеспечиваются все необходимые меры предосторожности. Показатели толщины позволят выбрать оптимальное значение для конкретного случая эксплуатации

Помимо прочего, классификация всех электротехнических сталей предусматривает наличие отдельных типов – сортовой и резанной ленты.

Форма трансформаторного железа

Рассматривая структуру трансформатора, можно отметить наличие множества пластин, которые носят вид букв «Е» или «Ш» (в перевернутом виде). Как раз эти пластины и изготавливаются из того самого трансформаторного железа, их можно было видеть в огромном количестве разбросанным по дворам. Появлялись такие элементы после разбора и ремонта трансформаторов, сердцевина которых просто была невостребованной.

Выделяют четыре отдельные маркировки трансформаторного железа, которые проставляются в виде отдельных цифр на пластине. К примеру, первая цифра устанавливает состояние структуры металла, соответствующий класс его прокатки. Вторая цифра отображает уже процентное соотношение количества Si, которое входит в сплавжелеза, третья позволяет определить сами электромагнитные характеристики, которые присущи данному материалу. Последние цифры в маркировке позволяют увидеть количественное значение всех указанных выше характеристик, особенное значение уделяется показателям из третьего пункта.

Важно четко понимать, какие именно характеристики требуется принимать к сведению, чтобы не ошибиться в своем выборе. Рейтинг: /5 —
голосов

Рейтинг: /5 —
голосов

Электротехнический справочник в четырех томах. Том первый. Общие вопросы. Электротехнические материалы

Предисловие

С 1952 r. преподавателями Московского энергетического института по инициативе и под руководством ero ректора профессора М.Г. Чилина (бывшего главным редактором пяти первых изданий) в стране начал выпускаться фундаментальный «Электротехнический справочник». Отзывы читателей на семь предыдущих изданий справочника показали, что он стал полезным учебным пособием для студентов многих электротехнических, электромеханических и электроэнергетических специальностей и, кроме тоrо, настольной справочной книгой широкого круга инженеров

Предыдущее — исправленное и дополненное — издание «Электротехнического справочника» вышло в 1985-1988 гг. в трех томах (четырех книгах) и, несмотря на тираж 90 тыс. экземпляров, быстро разошлось. Это и побудило начать подготовку нового, уже восьмого, издания справочника. За прошедшие годы ушли из жизни члены редколлегии справочник профессора МЭИ П.Г. Грудинский, М.М. Соколов, А.М. Федосеев, А.Я. Шихин и бессменный редактор И.В. Антик, внесший огромный вклад в его совершенствование. Редколлегия в значительно обновленно обновленном составе берет на себя смелость продолжить их труд, опираясь на сложившиеся традиции, опыт и потенциал педагогов и ученых МЭИ.

Первый том настоящего, восьмого, издания справочника, подготовленный редколлегией, предполагалось издать в Энергоатомиздате в 1991 г. Однако из-за трудностей с выпуском научно-технической литературы справочника тогда не увидел света. Лишь благодаря поддержке руководства РАО «Единая энергетическая система (ЕЭС) России», МЭИ и Издательства МЭН, материальной помощи РАО ЕЭС России, которым редколлегия выражает искреннюю признательность, первый том выходит в издательстве МЭИ.

Как и для предыдущих изданий, для настоящего справочника характерны энциклопедичность, охват весьма широкого круга вопросов, относящихся к электротехнике и электроэнергетике.

Сохраняется и его направленность — он должен служить как студентам, решающим учебные проектные задачи разного уровня, так и инженерам, работающим в самых разнообразных сферах производства, передачи, распределения и использования электрической энергии.

Свойства кремния в составе

Основным отличием данного типа сплава, является кремний в составе, однако, легирование осуществляется не чистым элементом, а ферросилицием. Благодаря этому, происходит выведение из структуры металла кислорода, оказывающего наиболее негативное влияние на магнитные свойства железа. В конечном счете, имеет место восстановление железа из отдельных окислов, оксид кремния частично переходит в указанном состоянии в шлак. Это достаточно важный эффект, которым обладает трансформаторное железо, чем оно выделяется среди прочих наименований структур.

Отмечается и второй положительный эффект от внедрения в трансформаторное железо кремния. В результате такого действия, из металла будет выделяться непосредственно цеменит, который вполне легко заменяется графитом, образующимся в процессе. Как оксид железа, так и цеменит, способны увеличивать коэрцитивные силы в металле, что в будущем приводит к увеличению количества гистерезисных потерь

Если концентрация кремния превышает показатель в 4%, то наблюдается некоторое внимание общих потерь, выделенных и вихревые токи. Данное обстоятельство вызвано общим повышением электрического сопротивления данного типа стали в сравнении с отдельными марками, для которых легирование кремнием не было проведено. 

Товарные границы рынка

Электротехническая сталь является одним из основных материалов для электротехнической и электронной промышленности.

Электротехническую сталь по способу производства, магнитным свойствам и кристаллографической структуре можно разделить на две подгруппы: трансформаторную и динамную.

Трансформаторная сталь или электротехническая анизотропная сталь текстурованная, с выраженным зерном широко применяется при производстве силовых трансформаторов и обладает особыми свойствами — низкими удельными магнитными потерями.

Марка трансформаторной стали, определяется, в первую очередь, величиной магнитных потерь, а также такими параметрами как толщина и качество покрытия.

Данный вид стали является одним из наиболее высокотехнологичных и дорогостоящих, поскольку требует значительных производственных затрат. Отношение затрат на переработку к стоимости исходного сырья, энергетических и вспомогательных материалов для трансформаторной стали составляет 65—80%, а для автолиста и высокопрочных сварных труб этот показатель составляет 20—40%.

Сердечник электротехнической стали

Для изготовления сердечников статоров и роторов, которыми комплектуются электрические машины, работающие от переменного тока, используется листовая сталь второго класса. Сердечник из электротехнической стали применяется в силовых трансформаторах. Для его изготовления используют нелегированный металл этого вида, имеющий нормированные свойства. По своему химическому составу эта сталь бывает разной. Но ее магнитные свойства как после обжига, который осуществляется при температуре до 950 оС и без присутствия кислорода, так и после охлаждения в течение 10 часов при температуре 600 оС, не должны быть ниже разработанных норм.

Сердечник якоря электротехнической стали, которым комплектуется машины, работающие от постоянного тока, набирается из листов именно этого металла. А почему? Применение данного материала целесообразно потому, что изменение магнитного потока в сердечнике влечет за собой возникновение вихревых токов. Чтобы от них не происходило нагревание сердечника якоря, для его изготовления используют изолированные пластины, которые будут преграждать путь току.

Основные свойства электротехнической стали

Рассмотрим подробнее свойства электротехнической стали. На первом месте идет удельное сопротивление. Чем выше этот показатель, тем более качественным считается материал. Сопротивление означает способность вещества препятствовать прохождению электрического тока. Для проводников этот показатель должен быть минимальным. Но электротехнические стали используются для изготовления корпусов и экранирования проводников от воздействия внешней среды. Поэтому они наоборот должны сдерживать электричество внутри, чтобы оно не расходовалось понапрасну, а доходило до пункта назначения с минимальными потерями в пути.

Второе значимое свойство — низкая коэрцитивная сила. Этот параметр отвечает за способность внутреннего магнитного поля к размагничиванию. В электродвигателях и трансформаторах наличие магнитной среды ни к чему, поэтому для производства деталей для них используют сталь с высокой способностью к размагничиванию. Для электромагнитов наоборот необходима высокая коэрцитивная сила, поэтому нужна другая марка металла. Она называется анизотропная электротехническая сталь. До нужного уровня магнитные свойства доводят при помощи введения в сплав дополнительного количества кремния. Этот элемент добавляется в виде силицида железа, которое сплавляют со сталью. Кремнистая электротехническая сталь содержит до 4% кремния, который образует крупные кристаллы в структурной решетке металла.

Третий важный показатель — ширина петли гистерезиса. Он влияет на способность всех составляющих элементов электрической цепи возвращаться к своим изначальным состояниям после выключения прибора. Когда прекращается подача электричества в цепь, ее составные части все еще сохраняют так называемое механическое напряжение. Чем уже петля гистерезиса, тем быстрее восстановится нормальное состояние всех деталей в приборе.

Четвертую строчку ключевых показателей занимает магнитная проницаемость. Чем выше этот показатель, тем лучше материал может справляться со своими функциями. И последний значимый показатель — толщина стального листа. Обычно в электротехнике используются материалы толщиной не более 1 миллиметра. Такого уровня вполне достаточно, чтобы добиваться поставленных перед ними целей. Резка электротехнической стали может осуществляться ножницами по металлу или любым другим предназначенным для подобных целей инструментом.

Основные свойства проводников

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы состоящей из узлов кристаллической ионной решетки внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. От каждого атома металла в свободное состояние переходит 1-2 электрона. При столкновении электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника. Вследствие чего он нагревается. Электронная теория металлов дает возможность аналитически описать и объяснить основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах.

Опыты подтвердили гипотезу о электронном газе в металлах, а именно:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников не наблюдается проникновение атомов одного металла в другой.
2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.
3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника и стрелка подключенного к ним измерительного прибора отклоняется по шкале
4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластине, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредствам свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичность, ковкость, теплопроводность, электропроводность.

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов относятся: удельная проводимость g или обратная ей величина — удельное сопротивление r, температурный коэффициент удельного сопротивления , коэффициент теплопроводности, контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо ЭДС) e, предел прочности при растяжении и относительное удлинение перед разрывом .

Удельная проводимость металлических проводников согласно классической теории металлов может быть выражена:

где

е — заряд электрона;

nо — число свободных электронов в единице объема металла;

l — средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки;

m — масса электрона;

uт- средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Листовая сталь

В электронике этот вид металла применяется больше всего. Листы электротехнической стали представляют собой сплав, состоящий из железа и кремния, причем его содержание может достигать 4,8 %. Стали с низким содержанием веществ, благодаря которым их свойства улучшаются, носят название легированных.

Для получения электротехнической стали используются мартеновские печи. Для изготовления листов применяются слитки из стали, от состояния которых зависит способ прокатки: холодный или горячий. По этому признаку электротехническая сталь бывает холоднокатаная и горячекатаная.

Кроме легированных сталей, производятся текстурованные, обладающие более высокими магнитными свойствами, чем стали обычные, полученные способом горячей прокатки. Достигается это за счет повторной прокатки листов, где они подвергаются сильному обжатию. Кроме того, далее следует отжиг в атмосфере, наполненной водородом. Применение данных манипуляций очищает сталь от таких элементов, как углерод и кислород. Для производства листовой стали текстурованной применяются оба вида прокатки, но больше ценится металл, произведенный холодным методом.

Дефекты стали

Почему электротехническая сталь имеет дефекты? Причины их появления различные. В процессе производства стали металлургические дефекты могут появляться из-за высокого содержания кремния в составе сплава, в результате чего образование газовых пузырьков и рослости слитков гарантировано.

Другой дефект появляется, когда при разливе стали заворачиваются корочки. В результате образуются плены, которые значительно снижают качественные характеристики поверхности стали.

Значительно снижает качество металла такой дефект, как внутренние трещины, которые называются «скворечниками». Они появляются, если охлаждение происходит на большой скорости и низкой температуре – 120 оС.

Ценовая политика производителей трансформаторной стали

Анализ показал, что ценовая и сбытовая политика производителей в основном ориентирована на конъюнктуру рынка

Главной причиной расхождения цен разных производителей являются качественные характеристики продукции

Проведенный анализ динамики цен для отдельных покупателей и ценовой политики предприятий показал, что в анализируемом периоде производители проводили различную ценовую политику при реализации трансформаторной стали. Таким образом, действия производителей не содержат признаков нарушения требований статьи 6 Закона «О конкуренции и ограничении монополистической деятельности на товарных рынках»

Классификация и области использования проводниковых материалов

Проводник — тело, в котором имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела.

К проводниковым материалам относятся:

— металлы и их сплавы;

— расплавленные металлы;

— электролиты;

— сверхпроводники;

— криопроводники.

Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании.

Классификация проводниковых материалов

Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относят те проводники, в которых имеется электронная проводимость (посредством движения электронов). К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты).

Области использования проводниковых материалов как ЭТМ

Проводниковые материалы находят применение в качестве проводов и жил кабелей, термоэлементов, припоев, предохранителей, нагревателей, для изготовления резисторов.

С точки зрения использования проводниковых материалов в электротехнике и радиоэлектронике их главными свойствами являются:

— удельная проводимость, или обратная ей величина — удельное сопротивление;

— зависимость удельной проводимости или сопротивления от температуры;

— коэффициент теплопроводности;

— механическая прочность при растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге, кручении и др. нагрузках.

Механические свойства проводниковых материалов (твердость, прочность, пластичность и ударная вязкость).

Механические свойства — это комплекс свойств, отражающих способность материала противодействовать деформации под действием приложенных сил.

Деформация – это изменение формы и размера изделия. Она бывает растягивающей, сжимающей и сдвиговой.

Механические свойства в основном отражают способность материала сопротивляться пластической деформации и характеризуют его поведение в ходе её развития.

К механическим свойствам относят: твердость, прочность, пластичность и ударную вязкость.

Свойство материала противостоять деформации при локальном контакте называется твердостью.

Замер твердости производится при помощи специальных приборов твердомеров.

Существует множество шкал твердости. Например шкала Мооса. Она применяется в основном для минералов. По ней выбраны десять материалов, каждый из ряда царапает все нижележащие и царапается вышележащими. Наибольшую твердость имеет алмаз, затем идет корунд и т.д. Нефрит имеет пятую позицию, сталь, в зависимости от закалки и типа — пятую или шестую. Известняк — третью.

Другие шкалы: Бринелля, Роквелла, Виккерса и т.д. основаны на вдавливании в материал шарика или алмазной призмы и измерении размеров полученной ямки. Далее по специальным таблицам определяют соответствующую твердость.

Бринелль (шарик), Роквелл (алмазный конус, может быть и шарик), Виккерс (четырехгранная пирамидка)

Прочность характеризует сопротивление материала пластической деформации под действием приложенной силы.

Характеристиками прочности являются условные числа – пределы, находимые при механических испытаниях.

Предел прочности или временное сопротивление sв -напряжение, соответствующее максимальной нагрузке.

Предел упругости (s0.05) — напряжение, при котором остаточная деформация не превышает 0.05%.

Предел текучести (s0.2) — напряжение, при котором происходит удлинение до 0.2% без увеличения нагрузки.

Пластичностью называется способность материала к пластической деформации. Ее характеристиками являются относительное удлинение δ (%) и относительное сужение Ψ (%), которые вычисляются по формулам:

Ударная вязкость материала показывает его способность сопротивляться разрушению при ударном приложении нагрузки. Она оценивается по результатам ударного разрушения на маятниковом копре специального брусчатого образца с надрезом. При этом ударная вязкость KCU вычисляется как результат деления затраченной на разрушение образца работы А на его рабочее сечение FKCU = A/F

Тепловые свойства металлических проводниковых материалов (тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, теплота и температура плавления, термоэлектродвижущая сила, температурный коэффициент линейного расширения)

Магнитные материалы

Магнитные материалы применяют  для изготовления магнитопроводов электрических машин. Как правило, это листовая элекротехническая сталь. В зависимости от частоты, на которой будет работать электрическая машина, выбирается и толщина электротехнической стали (50 Гц – 0,5мм и 0,35мм ; 400 Гц – 0,2мм и 0,15мм ; 20кГц – до 0,05мм).

В состав электротехнической стали входят легирующие присадки,  главной из которых является кремний. Добавки кремния уменьшают магнитные потери в стали. Как правило, добавки кремния находятся в пределах 1%…5% , и чем больше содержания кремния, тем меньше магнитные потери в стали. При увеличении содержания кремния повышается также хрупкость и твёрдость стали, что вносит определённые трудности при её обработке.   Поэтому, сталь с содержанием кремния 4%…5% (т.е. высоколегированную) применяют там, где нет сложных по своей конфигурации деталей, например для изготовления трансформаторов. Листовую электротехническую сталь с содержанием кремния 1%…3% (т.е. не высоколегированную) применяют где есть сложные по своей конфигурации детали, например для изготовления статоров и роторов вращающихся машин с наличием выштампованных пазов сложной формы.

Листовую электротехническую сталь в большинстве случаев изготавливают на металлургических комбинатах способом холодного катания. Важным магнитным свойством такой стали является то, что при совпадении направлений прокатки и магнитного потока индукция насыщения и магнитная проницаемость возрастают, а также уменьшаются потери в стали на перемагничивание примерно в 2-3 раза.  Поэтому, при проектировании и изготовлении магнитопроводов из холоднокатаной стали, необходимо учитывать вышеуказанное свойство, которое усложняет конструкцию и технологию, так как требуется исключать прохождение магнитного потока поперек прокатки, вынужденно уменьшая длины участков, где этого нельзя избежать. Эти сложности, вплоть до ограниченного применения холоднокатаной стали, особенно проявляются при  проектировании и изготовлении  вращающихся машин (электродвигателей, генераторов и т.п.), где имеет место сложная конфигурация магнитопроводов, особенно это касается очень крупных электрических машин. Следует отметить что, холоднокатаная листовая электротехническая сталь широко используется при изготовлении трансформаторов.

Из магнито-мягкой низколегированной стали изготавливают корпуса машин постоянного тока, так как они зачастую являются одной из составных частей магнитопровода. Валы электрических машин изготавливают из сталей с добавками никеля, хрома и т.д., то есть высокопрочных конструкционных сталей.

Книги

Нормативные правовые актыОбщественные и гуманитарные наукиРелигия. Оккультизм. ЭзотерикаОхрана труда, обеспечение безопасностиСанПины, СП, МУ, МР, ГНПодарочные книгиПутешествия. Отдых. Хобби. СпортНаука. Техника. МедицинаКосмосРостехнадзорДругоеИскусство. Культура. ФилологияКниги издательства «Комсомольская правда»Книги в электронном видеКомпьютеры и интернетБукинистическая литератураСНиП, СП, СО,СТО, РД, НП, ПБ, МДК, МДС, ВСНГОСТы, ОСТыЭнциклопедии, справочники, словариДомашний кругДетская литератураУчебный годСборники рецептур блюд для предприятий общественного питанияЭкономическая литератураХудожественная литература

Изоляционные материалы

Изоляционные материалы применяются главным образом для надёжного предотвращения межвитковых замыканий обмоток электрических машин, а также их электрического контакта (пробоя) с корпусом. Межвитковые замыкания вызывают перегрев электрической машины и как следствие её возможное возгорание. Электрический контакт (пробой) обмоток с корпусом, в большинстве случаев, может вызвать поражение электрическим током, если до этого не было правильно выполнено защитное заземление электрической машины. Поэтому к изоляционным материалам всегда должны быть повышенные требования. Как правило, неисправности, вызванные нарушением изоляции, устраняются либо капитальным ремонтом, либо заменой электрической машины. Стоимость изоляции современных машин довольно велика и может составлять до 30%…70% от их общей стоимости. Основные требования к изоляции: нагревостойкость, электрическая прочность, влагостойкость, теплопроводность, механическая прочность, эластичность.

Нагревостойкость является важнейшим требованием к изоляции. От неё в значительной степени зависит продолжительность работы (или жизни)  электрической машины в режиме температурных перегрузок, вызванных различными причинами. В зависимости от нагревостойкости, изоляционные материалы в электромашиностроении разделили на классы.

Нагревостойкость – это способность изоляции не менять своих электрических и механических свойств под воздействием температур. Срок службы и свойства изоляции сильно зависят от воздействия температуры, что подтверждают исследования в этой области. Например, исследования показали, что повышение температуры всего на 8 Сº в диапазоне температур 60 Сº -180 Сº для изоляции класса А, снижает срок её службы в 2 раза.

Для изготовления электрических машин в основном используются эмалевые изоляции проводов. Эмалевые изоляции бывают классов от А до Н. Такой важный параметр как нагревостойкость зависит от материала из которого изготавливают эмаль. Например, нагревостойкими эмалями считаются изготовленные из фторопласт-3,фторопласт-4 , менее нагревостойкими на основе лавсана и эпоксидных смол, ещё менее нагревостойкими из полистирола, полиамида и т.д..

В современном производстве широко используется литая изоляция. Литая изоляция, отличается большой толщиной и как разновидность нагревостойких эмалевых изоляций является довольно перспективной. Эмалевые и литые изоляции сравнительно легко заполняют пазы обмоток и повышают их нагревостойкость, а также позволяют механизировать процесс изготовления изоляции.