5-2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ И МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
При повышении температуры ферромагнетиков происходит снижение намагниченности насыщения, определяемое формулой Вейсса
(5-1)
где J0— намагниченность насыщения при температуре Τ;J0 — намагниченность насыщения при температуре абсолютного нуля; Θ — температура Кюри.
Как видно из рис. 5-4, эти кривые достаточно близки к теоретической. Подобная картина наблюдается и для ферромагнитных сплавов. При повышении температуры постоянная анизотропии уменьшается, при этом процесс намагничивания облегчается. Зависимость постоянной магнитной анизотропии от температуры для стали с Si=4% по данным [Л. 5-7] представлена на рис. 5-5.
а) Температурная зависимость магнитной проницаемости
Рис. 5-6. Температурная зависимость индукции в стали Э21.
Из рис. 5-4 следует, что с повышением температуры проницаемость в сильных магнитных полях должна понижаться. На проницаемость в слабых и средних полях противоположное влияние оказывает снижение постоянной магнитной анизотропии (рис. 5-5), в результате имеет место увеличение проницаемости. Это явление, именуемое эффектом Гопкинсона, наблюдается и в электротехнической стали. Согласно [Л. 5-8] в табл. 5-5 приведены значения μн, μмакс, μн=2э и Нс в холоднокатаной текстурованной стали при t=30-700 °C.
Таблица 5-5
Значения проницаемости (начальной, максимальной и при Н = 2 э) и коэрцитивной силы в холоднокатаной текстурованной стали
Рис. 5-7. Кривые намагничивания горячекатаной стали Э43 при различных температурах.
Рис. 5-8. Кривые намагничивания холоднокатаной текстурованной стали при различных температурах.
Рис. 5-9. Кривые намагничивания стали Э22 при различных температурах.
Рис. 5-10. Зависимость магнитной проницаемости трансформаторной стали (Si=3,0%) с толщиной листа 0,1 мм в слабых и средних полях от температуры образцов.
1— H=0,4 а/м; 2 — H=1,6 а/м; 3—Н=8 а/м.
Как следует из этих данных, при t=700 °C начальная проницаемость повышается в 10 раз, а максимальная — почти в 3 раза. Такое же явление имеет место и в горячекатаной электротехнической стали. По [Л. 5-9] на рис. 5-6 приведена температурная зависимость индукции для стали Э21. Этому вопросу посвящены также [Л. 3-2, 5-10, 5-11]. На рис. 5-7 показаны кривые намагничивания стали Э43 [Л. 3-1] при изменении температуры образца от 20 до 260 °C. Для более широкого диапазона изменения температур (20-700) °C кривые намагничивания холоднокатаной и горячекатаной сталей приведены на рис. 5-8 и 5-9 [Л. 5-8, 5-9].
Рис. 5-11. Температурный магнитный гистерезис в образцах трансформаторной стали.
В [Л. 5-12] рассматривалась температурная зависимость магнитной проницаемости в области слабых магнитных полей в интервале температур образца от —200 до +700 °C. В интервалах температур 0—20 °C и 350—600 °C были обнаружены минимумы на кривых зависимости проницаемости μН=5мг и μН=20мэ от температуры (рис. 5-10). Для максимальной магнитной проницаемости эти минимумы отсутствуют. Аномальное поведение кривой μ=f(t) в слабых полях связывается с более резким временным спадом проницаемости в указанной области температур (верхняя кривая рис. 5-10). При изменении магнитной индукции непосредственно после размагничивания образцов, у которых временной спад проницаемости очень мал, минимумы на кривой μ=f(t) не обнаруживаются.
Минимум на кривой μ=f(t), соответствующий комнатной температуре, наблюдается на горячекатаной стали марок Э43, Э46 и Э48. После повторного отжига таких образцов в некоторых случаях временной спад уменьшается, и кривая μ=f(t) не имеет минимума. Если наблюдения за магнитной индукцией при изменении температуры образца проводить без переключения и выключения магнитного поля, то кривые μ=f(t), полученные при нагреве и охлаждении, в слабых полях не совпадают. Это явление называется температурным магнитным гистерезисом.
На рис. 5-11 по [Л. 5-13] показано изменение намагниченности при температурном цикле —200-+300 °C без выключения внешнего поля. Температурный магнитный гистерезис, наблюдающийся в области слабых и средних полей, объясняется процессами необратимого смещения границ между доменами.
б) Температурная зависимость удельных потерь
При изучении температурной зависимости удельных потерь необходимо учитывать не только изменения намагниченности насыщения и постоянные магнитной анизотропии, но и удельного электрического сопротивления стали.
Таблица 5-6
Температурная зависимость коэрцитивной силы и постоянной анизотропии
Температурная зависимость коэрцитивной силы электротехнических сталей разных марок представлена в табл. 5-6. Из табл. 5-6 следует, что при повышении температуры образца коэрцитивная сила уменьшается почти одинаково для текстурованной и нетекстурованной стали.
В первом приближении можно считать, что потери от гистерезиса изменяются так же, как и коэрцитивная сила. Правда, в [Л. 5-8] показывается, что снижение потерь от гистерезиса с повышением температуры образца происходит более интенсивно при малых амплитудах магнитной индукции, чем при больших, что видно из следующих данных:
Что касается потерь от вихревых токов, то их изменение с температурой должно быть связано с содержанием кремния в измеряемых образцах. С повышением содержания кремния в стали температурный коэффициент удельного электрического сопротивления уменьшается (табл. 1-1) и снижение потерь от вихревых токов должно быть более слабым.
Если рассчитать потери от вихревых токов по формуле (1-12) с учетом изменения удельного электрического сопротивления по табл. 1-1, то потери от вихревых токов будут снижаться следующим образом:
Рис. 5-12. Температурная зависимость удельных потерь электротехнической стали (f=50 гц).
Сравнивая эти данные с табл. 5-6, можно заключить, что для стали с содержанием кремния 3—4% снижение потерь от гистерезиса и вихревых токов при В=1,5 тл с повышением температуры образца должно происходить почти в одинаковой степени, а для стали с Si=l,0% потери от вихревых токов должны снижаться заметно быстрее, чем потери от гистерезиса.
На рис. 5-12 приводятся зависимости общих потерь pt/p20°C=f(t) для сталей с разным содержанием кремния по данным [Л. 5-8, 5-9, 5-14, 5-15], которые подтверждают сказанное. Если рассмотреть сталь с Si=l,0% (d=l и 0,5 мм) с разным соотношением потерь от гистерезиса и вихревых токов, то в стали толщиной 1 мм общие потери по данным [Л. 5-15] будут снижаться быстрее, чем в стали толщиной 0,5 мм.
В трансформаторной стали с 3—4% кремния и с разным соотношением потерь от гистерезиса и вихревых токов заметного изменения удельных потерь с температурой образца не обнаружено. Более того, при повышенной частоте переменного тока (f=400 гц), когда соотношение потерь от гистерезиса и вихревых токов иное, в стали с 3—4% кремния по [Л. 5-14 и Л. 5-9] изменение потерь с температурой получается близким к изменению потерь при f=50 гц.
Таблица 5-7
Изменение потерь, %, с температурой при разных амплитудах магнитной индукции
В [Л. 5-8 и 5-9] удельные потери изучались при повышении температуры образцов до 600—700 °C.
В табл. 5-7 по [Л. 5-8] приводится отношение pt/p30 °С, % в холоднокатаной текстурованной стали при разных амплитудах магнитной индукции.
Из этих данных следует, что наибольшее снижение удельных потерь получается при наименьшей амплитуде магнитной индукции, что находится в согласии с изменением потерь от гистерезиса.
На рис. 5-13 и 5-14 приведены зависимости pг.в=f(Вм) при частоте 400 гц и разной температуре образцов (20—700 °C) [Л. 5-9]. Хотя для этих двух образцов стали имеется существенно различное соотношение потерь на гистерезис и вихревые токи, но снижение потерь с температурой является близким между собой.
Рассмотрим значения удельных потерь при температурах ниже комнатной. По данным [Л. 2-43] на рис. 2-48 приведены значения коэрцитивной силы горячекатаной трансформаторной стали при t=—195 °C, которые составляют 120% от Нс при t=+20 °C. Повышение коэрцитивной силы при температурах ниже комнатной должно вызвать увеличение потерь от гистерезиса.
При отрицательных температурах снижается удельное электрическое сопротивление, что так
Таблица 5-8
Удельные потери при О °C и отношение pt/p0 °с в стали с разным содержанием кремния при температуре ниже комнатной
Далее рассмотрим удельные потери при низких температурах в текстурованной стали с толщиной листа 0,026; 0,05 и 0,1 мм (табл. 5-9) по [Л. 5-16].
Таблица 5-9
Удельные потери при 0 °C и отношение рt/p20°Cв холоднокатаной текстурованной стали (S1=3,0%) при температуре ниже комнатной
Из данных табл. 5-9 следует, что возрастание потерь со снижением температуры несколько увеличивается при -повышенной частоте переменного тока и заметно снижается с уменьшением толщины листа. Все это говорит о том, что повышение удельных потерь при отрицательных температурах происходит главным образом за счет потерь на вихревые токи.
Однако в [Л. 5-17] при исследовании на монокристальных рамках при намагничивании вдоль оси [110] (Si=3,0%) при температуре жидкого азота было получено не повышение, а снижение общих потерь по отношению к потерям при температуре 20 °C. Такое необычное уменьшение общих потерь при снижении температуры текстурованного образца можно объяснить заметным снижением дополнительных потерь, хотя согласно [Л. 5-16] при намагничивании образцов из текстурованной стали вдоль оси [100] удельные потери при понижении температуры увеличиваются.
