Металлофизика материалов для электромашиностроения

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

М. Л. Лобанов
А. А. Редикульцев
М. А. Зорина

МетАЛЛофиЗикА МАтеРиАЛов
дЛя эЛектРоМАшиностРоения

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки
22.04.01 — Материаловедение и технологии материалов

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 669.017:621.313(075.8)
ББК 34.2+31.261я73
          Л68
Рецензенты:
кафедра материаловедения и физико-химии материалов факультета материаловедения и металлургических технологий Политехнического института Южно-Уральского государственного университета (завкафедрой д-р 
техн. наук, проф. Г. Г. Михайлов);
д-р физ.-мат. наук И. В. Гервасьева (ведущий науч. сотр. лаборатории микромагнетизма Института физики металлов УрО РАН)

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. А. А. Попов

 
Лобанов, М. Л.
Л68    Металлофизика материалов для электромашиностроения : учебное 
пособие / М. Л. Лобанов, А. А. Редикульцев, М. А. Зорина ; Мин-во науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2019. —144 с.

ISBN 978-5-7996-2775-1

Рассмотрены материалы для магнитопроводов (электротехнические стали, 
аморфные и нанокристаллические магнитомягкие материалы) и их обмоток (медная проволока), используемые для изготовления основных частей генераторов, 
трансформаторов, электродвигателей. На основе анализа физики электромагнитных явлений проанализирована структура материалов, обеспечивающая наилучшие функциональные свойства изделий. Показано, как в результате термических 
и деформационных воздействий, реализованных в виде промышленных технологий, в материалах создаются необходимые структурно-текстурные состояния, 
соответствующие требуемым (заданным) функциональным свойствам изделий.

Табл. 15. Рис. 56.
УДК 669.017:621.313(075.8)
ББК 34.2+31.261я73

ISBN 978-5-7996-2775-1 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2019

Оглавление

Введение ................................................................................................5

1. Общая характеристика материалов, применяемых 
      в энергомашиностроении ..................................................................8

1.1. Материалы для изготовления магнитопроводов 
        электрических машин и трансформаторов ..............................8

1.1.1. Необходимость преобразования электромагнитной 
            энергии ............................................................................8
1.1.2. Классификация материалов ..........................................10
1.1.3. Ферромагнетизм ............................................................13
1.1.4. Магнитомягкие материалы ...........................................23
1.1.5. Анизотропия магнитных свойств. Текстура .................29
1.1.6. Удельные электромагнитные потери 
           на перемагничивание в сердечнике трансформатора ....32

1.2. Медная проволока как основной материал для обмоток 
        преобразующих электроэнергию устройств ..........................35
1.2.1. Электротехническая медь. Химический состав ............35
1.2.2. Влияние химического состава на свойства 
           электротехнической меди ..............................................37
1.2.3. Легирование кислородом технической меди ................40
1.2.4. Факторы, влияющие на электропроводность 
            технической меди ..........................................................40

2. Основные группы материалов для изготовления 
      магнитопроводов .............................................................................43

2.1. Применение и нормируемые характеристики .......................43
2.2. Электротехнические стали. История развития ......................47
2.3. Электротехническая изотропная сталь ..................................48

2.3.1. Средне- и низколегированная изотропная сталь .........51
2.3.2. Высоколегированная изотропная сталь ........................52

2.4. Электротехническая анизотропная сталь ..............................53

2.4.1. Электротехническая анизотропная сталь 
           коммерческого класса ...................................................53

Оглавление

2.4.2. Электротехническая анизотропная 
           высокопроницаемая сталь .............................................61
2.4.3. Структурные изменения в процессе производства 
            электротехнической анизотропной стали ...................68

2.5. Аморфные и нанокристаллические сплавы ......................... 105

3. Медная проволока как основной материал для обмоток 
      преобразующих электроэнергию устройств .................................. 111

3.1. Производство медной катанки и проволоки ....................... 111

3.1.1. Технология выплавки и литья ..................................... 111
3.1.2. Технология прокатки (получения катанки) ............... 112
3.1.3. Технология получения проволоки .............................. 113
3.1.4. Термическая обработка ............................................... 115

3.2. Структура медной катанки и проволоки .............................. 116
3.3. Текстура деформации при волочении меди ......................... 119
3.4. Текстура деформации при прокатке меди ........................... 127
3.5. Рекристаллизация холоднодеформированной меди ........... 128
3.6. Анизотропия свойств меди ................................................... 132
3.7. Покрытия электротехнической медной проволоки ............ 134

Список библиографических ссылок .............................................. 138

ввеДение

Н

аращивание производства и потребления электроэнергии 
остается важнейшим условием развития мирового сообщества в целом и отдельных регионов в частности. Несмотря 
на то что в последние тридцать лет производство электроэнергии удвоилось (рис. 1), 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.

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020

ТВт· ч

Период

Рис. 1. Оценка потребления электроэнергии в мире1

Данные табл. 1, в которой сопоставлены оценочные сведения 
об удельном потреблении электроэнергии в странах с развитой и развивающейся экономикой, свидетельствуют о том, что уровень энерговооруженности стран Северной Америки, Европы и ЮВА, с одной 

1 Источник: World Bank, International Energy Outlook 2016.

ввеДение

стороны, и части азиатских и африканских стран, с другой стороны, 
по-прежнему сильно различается.
Таблица 1

Оценка потребления электроэнергии в различных регионах мира  
в 2015 г., кВт·ч/чел. в год2

Регион
Год
2015
2040
Северная Америка
13 230
16 552
Китай
3 927
6 602
Европа, включая Россию
3 083
4 585
Юго-восточная Азия
3 000
4 585
Африка
2 906
5 657
Южная Америка
2 122
3 234
Индия
805
1 813
В среднем по всем регионам
3 144
4 675

Следуя общемировой тенденции индустриализации развивающихся стран, энергетическое машиностроение будет прирастать, 
главным образом, в азиатских странах, таких как Китай, Индия, 
Тайвань, Таиланд, Вьетнам, Индонезия. По некоторым оценкам, 
в 2017 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.
Центральной проблемой дальнейшего развития энергетики является проблема энергосбережения как на стадии выработки электроэнергии, так и в процессе ее использования. Помимо совершенствования 
конструкции энергетического оборудования, важно минимизировать 
потери в сердечниках вращающихся и стационарных электрических 
систем. По некоторым оценкам, например [1], в 2015 году в магнитопроводах электрооборудования теряется до 7 % вырабатываемой энергии, что в мировых масштабах составляет ~1,5 млн ГВт в год. Около 
15 % этих потерь приходится на генерацию, 20 % — на передачу, 25 % — 
на распределение и до 40 % — на потребление электроэнергии. Разработка и применение в энергомашиностроении магнитомягких мате
2 Источник: World Bank, International Energy Outlook 2016.

ввеДение

риалов с пониженными удельными потерями остаются сейчас одним 
из основых способов энергосбережения.
В настоящее время наиболее распространенными материалами 
для изготовления магнитопроводов электрических машин (генераторов и электродвигателей) и трансформаторов являются электротехнические стали [2…4]. За последние 25 лет потери в трансформаторной (электротехнической анизотропной) стали в среднем снизились 
на 10 %, в высоколегированной динамной (электротехнической изотропной) стали — на 15 %, средне- и низколегированной динамной 
стали — на 10 %.

1. Общая характеристика материалов, 
применяемых в энергомашиностроении

1.1. Материалы для изготовления магнитопроводов  
электрических машин и трансформаторов

1.1.1. необходимость преобразования электромагнитной энергии
Э

нергия электрического тока измеряется произведением силы 
тока I на напряжение U:

 
W = IU.

В то же время при передаче тока по проводам количество энергии выделяющегося в каждую секунду в проводе при прохождении 
по нему тока
 
Р = I 2R.

Отсюда следует важный вывод о том, что для минимизации потерь 
электроэнергии при передаче необходимо максимально повышать напряжение U (при фиксированном значении силы тока). Однако по причинам безопасности для бытового использования пригодно напряжение 
максимум в несколько сотен вольт. Таким образом, передача электроэнергии от генерирующих мощностей до конечного потребителя требует обязательного преобразования величины напряжения. Устройство, которое преобразует или трансформирует электрическую энергию 
с одного напряжения на другое, называется трансформатором (рис. 2).
Всякое изменяющееся магнитное поле вызывает в проводниках, 
находящихся в этом магнитном поле, напряжение и при замкнутой 
цепи — электрический ток. Это явление носит название электромагнитной индукции.

1.1. Материалы для изготовления магнитопроводов электрических машин и трансформаторов 

 

 
Обмотка 1

Обмотка 2

Магнитопровод

U1

U2

i1

i2

Φ

e1

e2

ZH

Рис. 2. Схема работы трансформатора [5]

Пусть имеется две катушки одинакового диаметра: в одной n1 витков, в другой — n2. Поместим эти катушки в одно и то же переменное 
магнитное поле, так чтобы сила поля обеих катушек была одинакова, т. е. магнитный поток, пронизывающий катушки, тоже одинаков. 
В каждом витке этих катушек возникает одинаковое напряжение. Так 
как количество витков разное, суммарное напряжение на катушках 
будет разное. Чем больше витков, тем большее напряжение получается на катушке.
Поместим вокруг первой катушки вторую. Пустим через первую 
катушку переменный ток, тогда в другой катушке получится тоже переменный ток, только другой величины (в зависимости от количества витков). U1/U2 ~ n1/n2 ~ k — коэффициент трансформации, который показывает, с какого напряжения на какое другое может данный 
трансформатор преобразовать электрическую энергию.
Ток нагревает провода. Кроме того, часть магнитного потока рассеивается, т. е. не доходит до второй катушки, — происходит значительная потеря энергии. Для уменьшения потерь энергии необходимо 
добиться, чтобы возможно большая часть магнитного потока первой 
катушки проходила целиком через вторую катушку. Это можно сделать, например, с помощью железного сердечника. Железо обладает 
свойством ферромагнетизма: для создания магнитного потока в железном сердечнике, охватывающем катушку, необходима значитель

1. Общая характеристика МатериалОв, приМеняеМых в энергОМашинОстрОении

но меньшая (в тысячи раз) величина тока. Стало быть, и малы потери энергии в обмотке.
Однако значительная часть энергии будет теряться в самом железном сердечнике, так как перемагничивание сердечника требует ее затраты. Поэтому сердечник должен делаться из специального материала в виде тонких листов.

1.1.2. классификация материалов

В зависимости от магнитных свойств все металлические материалы разделяют:
· на парамагнетики;
· диамагнетики;
· ферромагнетики;
· антиферромагнетики;
· ферримагнетики.
Парамагнетики при помещении их во внешнее магнитное поле намагничиваются слабо, причем вектор их собственного магнитного поля 
совпадает с вектором внешнего магнитного поля.
Помещенные во внешнее магнитное поле диамагнетики намагничиваются так же слабо, как и парамагнетики, но вектор их собственного магнитного поля направлен против 
вектора внешнего магнитного поля.
Главным отличием ферромагнетиков 
от двух предыдущих групп магнитных 
материалов является их способность 
к очень сильному намагничиванию 
(рис. 3). Магнитная восприимчивость таких материалов велика и зависит от внешнего магнитного поля. Основная особенность ферромагнитных 
веществ заключается в том, что в отсутствие поля ферромагнетик разбит 
на отдельные области, которые называются доменами. Каждая из областей 
намагничена до насыщения.

 

 

J

Jнас

Ннас
Н

Ферромагнетик

Парамагнетик

Диамагнетик

Рис. 3. Качественная зависимость 
намагниченности от внешнего 
магнитного поля для различных 
магнетиков