Исследование новых магнитных материалов и электромеханических систем на их основе для реализации энергосберегающих технологий

Разработаны новые магнитотвердые сплавы системы Fe - Cr - Co для использования в гистерезисных двигателях. Магнитотвердый сплав Fe - 30%Cr - 8%Co - 2%Mo с низким содержанием кобальта (8 - 10 мас. %) путем соответствующей корректировки термической обработки обеспечивает магнитные гистерезисные свойства (остаточную индукцию, коэрцитивную силу и максимальное энергетическое произведение), сравнимые для магнитотвердых FeCrCo-сплавов с 15 мас. % кобальта со сплавами 22Х15К и 25Х15КЮБФ (ГОСТ 24897-81). Введение дополнительных ступеней отпуска в температурном интервале 440 - 480°С позволило повысить температурную стабильность материала до 200 - 250°С. Уровень полученных магнитных гистерезисных свойств FeCrCo-сплава с 8 вес. % кобальта практически эквивалентен аналогичным свойствам FeNiAlCoCu-сплава ЮНДК24, содержащего в 3 раза больше кобальта и 14% никеля. На сплаве 22Х15КТ проведено исследование процесса формирования высококоэрцитивного состояния на различных стадиях термообработки, что позволило более целенаправленно выбирать режимы термообработки сплава в зависимости от характеристик двигателя. На магнитотвердых сплавах 30Х20К2М2В и 30Х21К3М, легированных молибденом и вольфрамом, получены наивысшие значения коэрцитивной силы (до 80 кА/м), что позволяет их использовать при изготовлении гистерезисных двигателей большой мощности. Представлено математическое описание физических процессов, сопровождающих формирование результирующего пространственно-временного распределения магнитного поля в электромеханических преобразователях энергии на базе новых магнитотвердых материалов системы железо - хром - кобальт, на основе нового комплексного метода, сочетающего два основных подхода к теории и расчету гистерезисных электродвигателей: с позиций теории синхронных электрических машин с магнитным возбуждением и энергетического подхода. Наличие этих различных подходов к теории и расчету гистерезисного электродвигателя отражает принципиальные взаимосвязи процессов намагничивания и перемагничивания магнитных материалов и сплавов в переменных электромагнитных полях с учетом единой природы и неразрывности физических процессов, происходящих в гистерезисном слое ротора гистерезисной электрической машины в асинхронном и синхронном режимах работы. Построена математическая модель магнитного поля в гистерезисном электродвигателе, которая базируется на обобщенной теории электрических машин и разработанной для гистерезисных магнитных материалов модели процессов их перемагничивания. Модель реализует имитационно-рекуррентное построение результирующего пространственно-временного распределения магнитного поля в гистерезисном слое ротора с учетом всей предыстории магнитных процессов в гистерезисном слое и формированием траекторий перемагничивания его элементарных в магнитном отношении объемов – элементов по симметричным и несимметричным основным и частным гистерезисным циклам. Для гармонического анализа несинусоидально распределяющегося в пространстве и изменяющегося во времени магнитного поля в гистерезисном электродвигателе отработаны и использованы новые для практики моделирования и исследования электродвигателей и электроприводов кратные (двухмерные) ряды Фурье. В модели электромеханического преобразователя энергии учтен подход к теории и расчету гистерезисных электродвигателей с позиций теории синхронных электрических машин. В соответствие с ним гистерезисный электродвигатель – это синхронный с магнитным возбуждением двигатель, намагничивание ротора которого производится магнитным полем статора при подключении электродвигателя к сети или источнику электропитания. В модели электромеханического преобразователя энергии учтен энергетический подход к теории и расчету гистерезисных электродвигателей. В соответствии с ним электромагнитный вращающий момент гистерезисного электродвигателя непосредственно связывается с мощностью потерь на перемагничивание, и главная задача исследований сводится к определению потерь на гистерезис в зависимости от свойств активного материала (сплава) ротора, его геометрии, объема и магнитного состояния. Этот подход является сопутствующим. В соответствии с ним гистерезисный электродвигатель, обладающий синхронным по своей физической природе электромагнитным моментом, рассматривается в отрыве от общей теории синхронных электрических машин. Однако энергетический подход удобен для практических расчетов и дает возможность связать характеристики электродвигателя этого вида со свойствами активного материала (сплава) его ротора, использовать для гистерезисного электродвигателя общую теорию, векторные диаграммы и схемы замещения асинхронных электрических машин. Разработан универсальный метод анализа такого электродвигателя в электроприводе. Концепция метода состоит в использовании для линейных участков магнитной цепи принципа суперпозиции, метода симметричных составляющих и гармонического анализа, в построении для нелинейных участков распределения результирующей входной функции, например МДС обмотки статора, и нахождении по нему распределения результирующей выходной функции, например магнитного потока в роторе. Расчет для ротора осуществляется с учетом перемагничивания его элементов по частным циклам с фиксацией всей совокупности магнитных состояний каждого элемента, начиная с первоначального намагничивания в пуске. Разработанная для реализации метода полная математическая модель гистерезисного электродвигателя имеет иерархическую структуру и состоит из ряда подмоделей. Усовершенствованная математическая модель процессов перемагничивания гистерезисных магнитных материалов (сплавов) реализована на ЭВМ. Проведена оценка погрешности модели, и выполнены расчеты для ряда гистерезисных электродвигателей с различными активными материалами (сплавами) роторов, параметры которых зависят не только от химического состава, но и термомагнитной и (или) термомеханической обработки. Представлены результаты моделирования распределения магнитного поля в гистерезисном синхронном электродвигателе, и получено подтверждение правильности выбранных методов. Моделирование магнитного поля выполнено с учетом нелинейности и неоднозначности процессов перемагничивания участков магнитопровода, магнитного гистерезиса и всей предыстории магнитных состояний магнитотвердого материала (сплава) ротора.