«Украинская техническая газета» продолжает отслеживать перспективные работы молодых украинских ученых. Сегодняшний наш рассказ — о создании новейших материалов для магнитопроводов. Исследование проведено в Институте проблем материаловедения (ИПМ) НАНУ, в группе, одним из основных участников которой был Анатолий Миницкий (на фото).

Ввиду значимости для промышленности эта работа выдвинута на получение премии Президента Украины для молодых ученых.

— Давайте проясним основные понятия, — начинает наш разговор А.Миницкий. — Существует классификация — магнитотвердые и магнитомягкие материалы.Чем шире петля гистерезиса, тем больше энергии требуется затратить на перемагничивание и тем сильнее греется материал. А при узкой петле затраты на перемагничивание намного меньше.
Перед учеными встала задача: как снизить потери? Как сделать материал более магнитомягким? Один из способов — повысить магнитное сопротивление материала. Чистое железо — это провод­ник, магнитное сопротивление его низкое, проводимость высокая. А значит, потери на перемагничивание велики.

Известно, как сильно греются трансформаторы. Чтобы снизить напрасный перевод энергии магнитного поля в теплоту, надо в железо что-то добавить, повысить его сопротивление и соответственно снизить электропроводность.

Исследования по этой теме идут во всем мире. Западные ученые вводят в железо диэлектрики. Они придумали технологию, называемую плакированием.

К примеру, шведские, японские и американские исследователи покрывали частички железного порошка слоем резины или каучука. Берется железный порошок с частичками размером от 100 до 300 микрон, и при определенных процедурах смола или резина покрывает тончайшим слоем поверхность частичек железа. Получается железный порошок в изоляционной «шубе».

Такой подход достаточно хорош. Но проблема в том, что при спекании органика не выдерживает высоких температур, смола вообще полимеризуется. И механические свойства полученных изделий плохие: они крошатся, трескаются. А если сделать из такого материала ротор мотора или статор, то при вращении и нагрузке они легко ломаются. Второй недостаток такого подхода — ощутимо падает магнитная индукция, а значит, и мощность мотора, изготовленного из подобного материала.

— Мы в своих исследованиях пошли другим путем, — говорит ученый. — В качестве плакирующих материалов мы применили хорошо известные металлы, обладающие ферромагнитными свойствами, — никель и кобальт, а также для пробы взяли несколько редкоземельных элементов. Никель и кобальт обладают высокой магнитной индукцией.

— То есть основная новизна вашего метода — в плакировании частиц железа не органикой, а металлами?

— Да. До нас эту технологию не анализировали. Мы провели исследования большого количества материалов для плакирования. Использовали метод химического восстановления.

Для этого метода не требуется дорогой аппаратуры. Брали железный порошок, его фракция частичек размером в 250—315 микрон (по теории, структура материала должна быть довольно крупнозернистой). Готовили специальный раствор, например с хлористым кобальтом. Пробовали также фосфор и органику. Температура химического осаждения составляла примерно 90 градусов Цельсия, и в зависимости от времени процесса можно было регулировать толщину слоя на частичках железа (от 8 до 15 микрон). Далее материал высушивали, проводили некоторую дополнительную обработку.

Получался порошок из частичек железа, покрытых слоем никеля, кобальта или олова, который мы засыпали в специальные формы в виде колечек или тороидов и прессовали при давлении 700—800 мегапаскалей (7—8 тонн на квадратный сантиметр.). Отжигали при температуре 800 градусов, чтобы снять деформацию, полученную при первичном прессовании. Снова прессовали при давлении 800 мегапаскалей.

И окончательно обжигали в среде защитного газа либо вакуума 2—4 часа при температуре 1200—1300 градусов. Все. Изделие готово. На него можно наматывать катушки для разного рода магнитных задач.

Структуры материалов, полученных по такой технологии, мы тщательно изучали под микроскопом. Четких границ между зернами уже не наблюдалось, но материал не был однородным. Он принципиально отличался от обычного железа. Электропроводность снижалась, удельное сопротивление повышалось, хрупкость оставалась в допустимых пределах, при этом магнитные характеристики оказывались практически неизменными. Что и требовалось получить.

Благодаря давним отношениям с Ростовским государственным технологическим университетом, нам удалось провести исследования. Стендовые испытания подтвердили, что у моторов, изготовленных с применением нашей технологии, крутящий момент в 1,5 раза выше, чем у стандартных серийных.

Это значительный успех. Повышение крутящего момента мотора происходит за счет снижения потерь на перемагничивание материала.

К тому же ростовчане сейчас прорабатывают идею создания безобмоточного электродвигателя без медной обмотки. Наш материал пришелся им в самый раз. При такой конструкции вес двигателя снижается в 2,5—3 раза!

— Химическое осаждение «шубы» из металлов на железных частицах — метод сравнительно недорогой. Спекание и прессовка — тоже в целом знакомые операции. Можно ожидать, что при серийном производстве детали из плакированного железного композита будут не слишком дорогими.....

(Публикуется с сокращением)


Автор: Анатолий ЛЕМЫШ
"Украинская техническая газета" 09.09.2013
www.tehnichka.com


.