Магнитомягкие материалы для устройств преобразующих электромагнитную энергию

ключевым факторами являются рост населения и урбанизация.
Ключевые регионы роста - Индия и Китай
Рост спроса на электроэнергию будет стимулировать потребность в электроэнергетическом оборудовании.
Другие факторы:
необходимость повышения эффективности энергетической инфраструктуры в соответствии с новыми стандартами по энергоэффективности Европы и США
замещение мощностей генерации электроэнергии от традиционных источников (ископаемые источники и атомная энергетика) на возобновляемые (ветер, солнце и проч.).

• Несмотря на то, что в последние тридцать лет производство электроэнергии удвоилось, неравномерность ее потребления сохранилась, что является стимулом для наращивания мощностей генерирующих компаний, а также средств для передачи, распределения и потребления энергии главным образом в густонаселенных развивающихся регионах.

Тенденции развития энергетики и энергетического машиностроения

Оценка потребления электроэнергии в мире (Источник: World Bank, International Energy Outlook 2016)

энергию (генерация). Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле. Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции – индуцирование электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

Чем больше количества энергии необходимо передать и чем больше расстояние, тем выше должно быть напряжение. Трансформатор – аппарат, который преобразует или трансформирует электрическую энергию с одного напряжения на другое. Значительная часть энергии теряется в самом железном сердечнике, так как перемагничивание сердечника требует ее затраты. Поэтому сердечник должен делаться из специальной стали в виде тонких листов.

Электрический двигатель (электромеханический преобразователь) – электрическая энергия преобразуется в механическую. В основу работы любой электрической машины положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части – статора или индуктора (для машин постоянного тока) и подвижной части – ротора или якоря (для машин постоянного тока).

принцип электромагнитной индукции. Всякое изменяющееся магнитное поле вызывает в проводниках, находящихся в этом магнитном поле, напряжение и при замкнутой цепи – электрический ток.
Таким образом в таких устройствах должен использоваться хороший проводник магнитного потока (магнитопровод из ферромагнитного материала).

• Требования к материалам для устройств преобразующих электромагнитную энергию:
1. Легкость намагничивания и перемагничивания (т.е. высокие значения магнитной проницаемости);
2. Высокие значения магнитной индукции;
3. Минимальные потери при перемагничивании.

Выполнение первых двух требований определяет размеры и вес электрических обмоток и магнитопроводов. Минимальные потери на перемагничивание определяют КПД устройств и их рабочую температуру.

• Для минимизации потерь используют магнитомягкие ферромагнитные материалы:

- с высокой и узкой петлей гистерезиса;
- с минимальным количеством дефектов кристаллического строения;
- с высоким электрическим сопротивлением R, которое обеспечивается высоким удельным электросопротивлением ρ и малой толщиной h (набор из тонких пластин, изолированных друг от друга);
- благоприятной текстурой.

главным образом, в азиатских странах (Китай, Индия, Тайвань, Таиланд, Вьетнам, Индонезия).

• В 2011 году, на долю азиатских стран приходилось более 60 % производства трансформаторов, генераторов и другого оборудования, используемого при строительстве объектов энергетики, что является гарантией ускоренного сокращения отставания этих стран во всех сферах деятельности. В перспективе эти тенденции будут нарастать, тем более, что страны Юго-Восточной и Восточной Азии оснащены современным энергооборудованием и технологически вполне современны.

• В период 2007-2012 гг. в Китае, Японии, Южной Корее введены дополнительные мощности по производству электротехнической анизотропной стали на 350-400 тыс. тонн в год и электротехнической изотропной стали на 2-2.5 млн. тонн в год. В настоящее время (2012 год) на азиатском континенте производится до 62 % электротехнических сталей и в ближайшие два-три года ожидается ввод новых мощностей.

стадии выработки электроэнергии, так и в процессе ее использования. Сейчас в магнитопроводах электрооборудования теряется до 7 % вырабатываемой энергии, что в мировых масштабах составляет ~ 1.5 млн. ГВт в год. Из них:
~ 15 % – генерация,
~ 20 % – передача,
~ 25 % – распределение,
~ 40 % – потребление электроэнергии.

• В настоящее время наиболее распространенными материалами для изготовления магнитопроводов электрических машин (генераторов и электродвигателей) и трансформаторов являются электротехнические стали.

• Разработка и применение магнитомягких материалов с пониженными удельными потерями в энергомашиностроении остается сейчас одним из основных способов энергосбережения.

машин и трансформаторов являются электротехнические стали (98,5% всех производимых магнитомягких материалов):
1) Электротехнические изотропные (динамные) стали;
2) Электротехнические анизотропные (трансформаторные) стали;
3) Электротехнические релейные стали.
Традиционно они изготавливаются на основе сплавов железа с кремнием (до 3.5 % Si).

Материалы, используемые в устройствах преобразующих электромагнитную энергию

• Применение электротехнических сталей:
- Электротехнические анизотропные (трансформаторные) стали используются для изготовления магнитопроводов трансформаторов, работающих при низких частотах, где направление магнитного потока неизменно;
- Электротехнические изотропные (динамные) стали используются в магнитопроводах электрических машин, где магнитный поток либо вращается, либо охватывает все направления в плоскости листа;
- Электротехнические релейные стали (далее отдельно не рассматриваются) применяются в качестве материалов для электромагнитных реле (пускателей и т.п.) и представляют из себя особочистые низколегированные стали (основное требование – низкая коэрцитивная сила). Нелегированные динамные стали могут использоваться как релейные.

1. Электротехнические стали

и способов формирования оптимальных магнитных свойств в особую группу выделяют аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы, которые к настоящему времени составляют серьезную конкуренцию электротехническим сталям. Это обусловлено низкими суммарными потерями, которые в лучших сплавах на порядок ниже, чем у кремнистых электротехнических сталей.

2. Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы