История электротехники

До 1917 г. в России магнитные материалы в основном ввозились из-за границы, и только в 1915 г. на Верх-Исетском металлургическом заводе (ВИМЗ) был организован выпуск так называемой динамной стали (сталь, содержащая до 3% Si). По своим свойствам динамная сталь ВИМЗ была не хуже соответствующих марок заграничных сталей (Германия). Но по количеству и номенклатуре полностью удовлетворить потребности промышленности ВИМЗ не имел возможности.

Бурное развитие промышленности в годы индустриализации потребовало расширения отечественного производства магнитных материалов, в первую очередь листовых электротехнических сталей. В этот период ряд уральских заводов освоил изготовление стали в объеме, полностью удовлетворявшем потребности народного хозяйства.

Параллельно с ростом производства магнитных материалов в России ведутся работы по их исследованию. Большой вклад в развитие исследований в области теории магнетизма внесли А.Г. Столетов, Б.Л. Розинг и В.К. Аркадьев.

Впервые в 1892 г. Б.Л. Розинг сделал предположение о существовании внутренних сил, помогающих намагничиванию ферромагнетика. Эти силы были названы молекулярным полем. Представления о молекулярном поле, которое также независимо от Б.Л. Розинга было введено П. Вейссом (Франция), позволили объяснить многие макроскопические магнитные явления. Метод молекулярного поля широко используется в науке и в настоящее время. В 1927 г. опыты советского физика Я.Г. Дорфмана показали, что молекулярное поле имеет немагнитную природу. Решение вопроса о природе молекулярного поля, приводящего к возникновению самопроизвольной намагниченности, было найдено в 1928 г. благодаря работам советского ученого Я.И. Френкеля. Согласно теории ферромагнетизма, предложенной Я.И. Френкелем и В. Гайзенбергом, решающую роль в создании спонтанной намагниченности играют силы обменного взаимодействия, которые носят чисто квантовый характер, имеют электростатическую природу и действуют на определенном расстоянии. Таким образом, в большой области кристалла магнитные моменты соседних атомов ориентируются параллельно. Эти области получили название доменов.

Теоретическое обоснование модели доменной структуры и разработка квантово-механической теории магнетизма являются заслугой Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица.

Огромное значение в исследовании магнитных материалов имели работы В.К. Аркадьева и его школы [10.23]. Еще в 1913 г. В.К. Аркадьев создает учение о магнитодинамике, которое имело большой научный интерес в связи с изучением атомных и ядерных процессов. Под руководством В.К. Аркадьева были решены вопросы, связанные с магнитной проницаемостью, позволившие исследовать характеристики магнитных материалов, проводить расчет магнитных цепей и создать основы магнитной спектроскопии, имеющей широкое применение в современной радиоэлектронике.

Фундаментальные основы технического намагничивания были исследованы в работах советских ученых, и в первую очередь Н.С. Акулова [10.25], который в 1928 г. открыл закон магнитной анизотропии ферромагнитных кристаллов, при помощи которого он впервые дал теоретическое объяснение кривых намагничивания, кривых магнитострикции, термо-, гальвано- и магнитоупругих явлений. Закон анизотропии позволил понять роль текстуры в ферромагнетиках и на годы определил развитие науки и техники магнитных материалов. Н.С. Акулов показал, что обменные силы, ответственные за самопроизвольную намагниченность, не объясняют природу магнитной анизотропии, кривых намагничивания и гистерезиса. Магнитная анизотропия по Н.С. Акулову объясняется магнитным спин-орбитальным взаимодействием. Магнитокристаллическая анизотропия и магнитострикция являются свойствами, от которых в значительной степени зависит кривая намагничивания. Согласно правилу Акулова — Кондорского высокую магнитную проницаемость могут иметь ферромагнетики, у которых константы анизотропии и магнитострикции малы [10.24].

Дальнейшее развитие теория ферромагнетизма нашла в работах Е.И. Кондорского [10.26]. В частности, он впервые показал зависимость коэрцитивной силы от формы частиц ферромагнитного тела, разработал теорию зародышей, теории обратимых процессов смещения и др.

Работы С.В. Вонсовского [10.29] позволили уточнить критерии ферромагнетизма, теории высокой коэрцитивной силы, квантово-механической теории магнитострикции и др.

10.4.1. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

На протяжении многих лет для массивных магнитопроводов применялась конструкционная низкоуглеродистая сталь марки Ст10 с содержанием углерода 0,1%. Требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели к разработке технически чистого железа, соответствующего марке «армко» в США, Швеции и других странах [10.28, 10.32].

Промышленные опыты по производству железа «армко» были проведены на заводе им. А.А. Андреева в конце 1932 г. Развитию производства этого железа в значительной степени способствовали исследования, проведенные в 1933 г. на московском заводе «Серп и молот», который с тех пор является основным поставщиком высококачественного технически чистого железа.

Впервые в СССР технология производства специальной низкоуглеродистой стали под маркой ВИТ-железа была разработана в начале 30-х годов. По своему составу ВИТ-железо близко к железу «армко», но отличается от последнего большим содержанием кремния и имеет более низкие магнитные свойства.

Фундаментальные исследования кремнистых сталей связаны с именем английского инженера Р.А. Гадфилда, подробное сообщение об этих работах опубликовано в 1902 г. [10.22]. Оптимальным является легирование железа до 6% Si. Однако присадки кремния снижают магнитную индукцию в средних и сильных магнитных полях и повышают хрупкость железа.

На протяжении десятилетий работы ученых и металлургов были направлены на совершенствование технологии плавки, горячей прокатки и термообработки листовых электротехнических сталей с целью получения сплавов, максимально свободных от вредных примесей, неметаллических включений и обладающих зернами максимального размера. В результате за период с 1931 по 1958 г. удалось почти вдвое снизить гистерезисные потери энергии в горячекатаной трансформаторной стали.

Задача освоения и внедрения в производство трансформаторной стали ставится перед ВИМЗ. Работа ведется под руководством С.С. Штейнберга, и с конца 1928 г. начинается выпуск этой стали. В первые годы сталь имела невысокие магнитные свойства, но в результате совместной работы коллективов ВИМЗ, ВЭИ и Ленинградского института металлов качество стали улучшалось из года в год, ив 1941 г. удается выпустить сталь на уровне зарубежных аналогов.

Во время и после Великой Отечественной войны продолжается разработка и внедрение новых марок электротехнических сталей. Появляются стали с улучшенными свойствами, предназначенные для работы в слабых магнитных полях и на повышенных частотах.

В 1935 г. Н.Р. Госсом (Германия) разработана технология холодной прокатки и термообработки так называемой малотекстурованной динамной стали, позволяющая получить исключительно высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки [10.28, 10.32, 10.33].

В результате совместной работы коллективов ВИМЗ и Нижнетагильского завода в 1937 г. выпускается сталь ХВП (холоднокатаная с высокой проницаемостью, имеющая свойства, аналогичные свойствам заграничной стали «гайперсил» [10.34].

Принципиально новой явилась технология изготовления анизотропной трансформаторной стали с ребровой текстурой. Железо и сплавы железа с кремнием имеют объемно центрированную кубическую решетку, оси легкого намагничивания которой совпадают с ребрами куба. В обычной горячекатаной стали в плоскости листов зерна расположены хаотически, в результате чего получаются некоторые усредненные магнитные свойства, примерно одинаковые во всех направлениях. При изготовлении холоднокатаной стали с содержанием кремния 2,8–3,2% холодная прокатка чередуется с промежуточными отжигами, после чего проводят рекристализационный отжиг. При определенных режимах термической обработки и проката удается получить направленное расположение кристаллитов (текстуру). В этом случае в плоскости листа лежит плоскость грани куба (110) и большинство кристаллитов имеет ребро куба вдоль направления прокатки (отсюда «ребровая текстура»). Сталь с ребровой текстурой обладает лучшими магнитными свойствами вдоль листа, худшими под углом 55° к направлению прокатки и некоторыми промежуточными свойствами во всех остальных направлениях. Сталь с ребровой текстурой освоена в нашей стране и выпускается в промышленном масштабе с 1949 г. Анизотропия потерь энергии отечественной стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90° к потерям под углом 0) равна примерно 2, тогда как соответствующее отношение удельных магнитодвижущих сил — от 3 до 8. Поэтому при конструировании магнитопроводов необходимо, чтобы направление магнитного потока возможно ближе совпадало с направлением прокатки. Для маломощных трансформаторов эта задача успешно решена созданием витых ленточных магнитопроводов. Таким образом удалось полностью использовать высокую магнитную проницаемость стали, резко повысить рабочую магнитную индукцию, уменьшить массу и габариты трансформаторов почти на 30%.