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 ми-
кромагнетизма 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 на-
уки 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 (мед-
ная проволока), используемые для изготовления основных частей генераторов, 
трансформаторов, электродвигателей. На основе анализа физики электромагнит-
ных явлений проанализирована структура материалов, обеспечивающая наилуч-
шие функциональные свойства изделий. Показано, как в результате термических 
и деформационных воздействий, реализованных в виде промышленных техно-
логий, 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 сообще-
ства в целом и отдельных регионов в частности. Несмотря 
на то что в последние тридцать лет производство электроэнергии уд-
воилось (рис. 1), неравномерность ее потребления сохранилась, что 
является стимулом для наращивания мощностей генерирующих ком-
паний, 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 раз-
вивающейся экономикой, свидетельствуют о том, что уровень энер-
говооруженности 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 развиваю-
щихся 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 % произ-
водства трансформаторов, генераторов и другого оборудования, ис-
пользуемого при строительстве объектов энергетики, что является 
гарантией ускоренного сокращения отставания этих стран во всех 
сферах деятельности.
Центральной проблемой дальнейшего развития энергетики являет-
ся проблема энергосбережения как на стадии выработки электроэнер-
гии, 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 магнито-
проводах электрооборудования теряется до 7 % вырабатываемой энер-
гии, 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. Разра-
ботка 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 (генерато-
ров и электродвигателей) и трансформаторов являются электротех-
нические стали [2…4]. За последние 25 лет потери в трансформатор-
ной (электротехнической анизотропной) стали в среднем снизились 
на 10 %, в высоколегированной динамной (электротехнической изо-
тропной) 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 энер-
гии 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 на-
пряжение U (при фиксированном значении силы тока). Однако по при-
чинам безопасности для бытового использования пригодно напряжение 
максимум в несколько сотен вольт. Таким образом, передача электро-
энергии от генерирующих мощностей до конечного потребителя тре-
бует обязательного преобразования величины напряжения. Устрой-
ство, 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 электромаг-
нитной 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 вит-
ков, в другой — n2. Поместим эти катушки в одно и то же переменное 
магнитное поле, так чтобы сила поля обеих катушек была одинако-
ва, 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 получа-
ется на катушке.
Поместим вокруг первой катушки вторую. Пустим через первую 
катушку переменный ток, тогда в другой катушке получится тоже пе-
ременный ток, только другой величины (в зависимости от количе-
ства витков). U1/U2 ~ n1/n2 ~ k — коэффициент трансформации, кото-
рый показывает, с какого напряжения на какое другое может данный 
трансформатор преобразовать электрическую энергию.
Ток нагревает провода. Кроме того, часть магнитного потока рас-
сеивается, т. е. не доходит до второй катушки, — происходит значи-
тельная потеря энергии. Для уменьшения потерь энергии необходимо 
добиться, чтобы возможно большая часть магнитного потока первой 
катушки проходила целиком через вторую катушку. Это можно сде-
лать, например, с помощью железного сердечника. Железо обладает 
свойством ферромагнетизма: для создания магнитного потока в же-
лезном сердечнике, охватывающем катушку, необходима значитель-

1. Общая характеристика МатериалОв, приМеняеМых в энергОМашинОстрОении

но меньшая (в тысячи раз) величина тока. Стало быть, и малы поте-
ри энергии в обмотке.
Однако значительная часть энергии будет теряться в самом желез-
ном сердечнике, так как перемагничивание сердечника требует ее за-
траты. Поэтому сердечник должен делаться из специального матери-
ала в виде тонких листов.

1.1.2. классификация материалов

В зависимости от магнитных свойств все металлические материа-
лы разделяют:
· на парамагнетики;
· диамагнетики;
· ферромагнетики;
· антиферромагнетики;
· ферримагнетики.
Парамагнетики при помещении их во внешнее магнитное поле на-
магничиваются слабо, причем вектор их собственного магнитного поля 
совпадает с вектором внешнего магнитного поля.
Помещенные во внешнее магнитное поле диамагнетики намаг-
ничиваются так же слабо, как и пара-
магнетики, но вектор их собственно-
го 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 восприимчи-
вость таких материалов велика и зави-
сит от внешнего магнитного поля. Ос-
новная особенность ферромагнитных 
веществ заключается в том, что в от-
сутствие поля ферромагнетик разбит 
на отдельные области, которые назы-
ваются 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

1.1. Материалы для изготовления магнитопроводов электрических машин и трансформаторов 

Антиферромагнетизм (от анти- и ферромагнетизм) — одно из маг-
нитных состояний вещества, отличающееся тем, что магнитные мо-
менты соседних частиц вещества ориентированы навстречу друг дру-
гу. Намагниченность антиферромагнетика в магнитном поле в целом 
очень мала. Этим антиферромагнетизм отличается от ферромагнетиз-
ма, при котором одинаковая ориентация элементарных магнетиков 
приводит к высокой намагниченности тела в магнитном поле.
В самом простом случае коллинеар-
ного антиферромагнетика магнитные 
моменты подрешеток вещества ориен-
тируются вдоль или против оси анти-
ферромагнетика. Есть случаи неколли-
неарного антиферромагнетика, когда 
ориентировки подрешеток образуют 
треугольники или спирали. Признак на-
личия антиферромагнетизма — темпе-
ратура Нееля, при которой теряется ан-
тиферромагнитная природа магнетика 
и он переходит в парамагнетик (рис. 4).
Среди элементов антиферромагнетиками являются твердый кисло-
род, хром (TN = 311 К), а также ряд редкоземельных металлов. В по-
следних обычно наблюдаются сложные антиферромагнитные струк-
туры в температурной области между ТN и 0 K < T1 < TN. При более 
низких температурах они становятся ферромагнетиками.
Данные о наиболее известных антиферромагнетиках приведены 
в табл. 2 и 3.

Таблица 2
Данные о наиболее известных антиферромагнетиках

Элемент
T1, K
TN, K

Dy (диспрозий)
85
179

Ho (гольмий)
20
133

Er (эрбий)
20
85

Tm (тулий)
22
60

Tb (тербий)
219
230

 

 

 

 

 

 

 

χ

TN
T, К

Рис. 4. Качественная зависимость 
магнитной восприимчивости χ 
антиферромагнетика от темпера-
туры (ТN — температура Нееля)

1. Общая характеристика МатериалОв, приМеняеМых в энергОМашинОстрОении

Таблица 3
Ряд соединений, проявляющих антиферромагнитные свойства

Соединение
TN, K
Соединение
TN, K
MnSO4
12,0
MnO
120,0
FeSO4
21,0
FeO
190,0
CoSO4
12,0
CoO
290,0
NiSO4
37,0
NiO
650,0
MnCO3
32,5
MnF2
72,0
FeCO3
35,0
FeF2
79,0
CoCO3
38,0
CoF2
37,7
NiCO3
25,0
NiF2
73,2

Ферримагнетики — материалы, у которых магнитные моменты 
атомов различных подрешеток ориентируются антипараллельно, как 
и в антиферромагнетиках, но моменты различных подрешеток не рав-
ны и тем самым результирующий момент не равен нулю. Ферримаг-
нетизм состоится:
· если есть недостаток атомов в одной из подрешеток;
· есть разность в магнитных моментах атомов в подрешетках (на-
пример, ими могут быть различные ионы железа: Fe 2+ и Fe 3+).
Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух 
или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипарал-
лельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) раз-
личных химических элементов или неодинаковым их количеством, 
они имеют различные по величине магнитные моменты, направлен-
ные антипараллельно. В результате появляется отличная от нуля раз-
ность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному 
намагничиванию кристалла.
У ферримагнетиков доменная структура, как и у ферромагнетиков, 
образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферримагнетикам 
применимы все магнитные характеристики, вводимые для ферромаг-
нетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение 
удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, 
более сложную температурную зависимость индукции.
Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные 
металлические сплавы, но главным образом различные оксидные со-
единения, среди которых наибольший практический интерес пред-
ставляют ферриты (Fe3O4 и др.).