Лекция № 8

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

По характеру взаимодействия с внешними магнитными полями, все материалы делятся на диамагнитные и парамагнитные. Диамагнитные материалы ослабляют внешнее магнитное поле, а парамагнитные – усиливают его.

Особую группу парамагнитных материалов составляют ферромагнитные материалы, которые имеют нелинейную зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля image, высокую относительную магнитную проницаемостьimage, величина которой зависит от В и Н, и изменяется в широких пределах.

Ферромагнитные материалы нашли широкое применение в электротехнике и получили название магнитных материалов.

6.1. Основные характеристики магнитных материалов

Напомним, что магнитное поле характеризуется тремя векторными величинами, которые приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1.

Наименование

Обозначение

Единицы измерения

Определение

Вектор магнитной индукции

image

Тл, (Тесла)

Векторная величина, характеризующая силовое действие магнитного поля на ток по закону Ампера

Вектор намагниченности

image

А/м

Магнитный момент единицы объема вещества

Вектор напряженности магнитного поля

image

А/м

imageгде imageimageГн/м – магнитная постоянная, image- относительная магнитная проницаемость

Все ферромагнетики – вещества кристаллические.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов характеризуются зависимостью магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H.

При этом различают кривые намагничивания, представляющие собой однозначные зависимости B(H), и гистерезисные петли – неоднозначные зависимости B(H), которые приведены на рис. 6.1.

Петля гистерезиса. При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до , от до – Н и снова от – Н до + Н, кривая изменения индукции кривая перемагничивания имеет форму замкнутой кривой и называется петлей гистерезиса (рис. 6.1). При увеличении значений напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую промежуточных петель гистерезиса.

Когда все векторы намагниченности доменов сориентируются вдоль правления поля, процесс намагничивания закончится состоянием технического насыщения намагниченности материала, при этом магнитная индукция имеет значение ВН, а напряженность магнитного поля НН. При уменьшении напряженности магнитного поля от + НН до нуля, индукция магнитного поля материала имеет определенное значение не равное нулю, которое называется остаточной индукцией B0. Чтобы получить магнитную индукцию материала, равной нулю, необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной напряженности HC.

image

Отрицательная напряженность магнитного поля HC называется коэрцитивной силой. При изменении напряженности магнитного поля от HН, до нуля, вновь возникает остаточная индукцияB0. Если повысить напряженность магнитного поля до + HC, то магнитная индукция материала будет равна нулю. При повторных циклах изменения напряженности магнитного поля с теми же параметрами, получаем одну и ту же петлю гистерезиса.

Потери энергии при перемагничивании. Процесс перемагничивания ферромагнитного материала связан с расходом энергии. Эта энергия поступает от источников электрической энергии, токи которых создают внешнее магнитное поле и необратимо преобразуется в тепловую энергию непосредственно в ферромагнитном материале. Площади гистерезисных петель всегда пропорциональны этой энергии.

Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.

При монотонном (медленном) циклическом изменении напряженности магнитного поля получаем статическую петлю гистерезиса, которая приведена на рис. 6.2. Площадь статической петли пропорциональна энергии затраченной на перемагничивание ферромагнитного материала.

В этом случае, интенсивность преобразования электрической энергии в тепловую, характеризуется удельной мощностью потерь на гистерезис рг(Вт/кг).

Потери на гистерезис, вызываются необратимыми процессами в ферромагнитном сердечнике, при перемене ориентации областей самопроизвольного намагничивания.

image

При достаточно быстром, непрерывном перемагничивании, петля гистерезиса имеет площадь большую по сравнению со статической петлей гистерезиса и несколько отличается от нее по форме и называется динамической петлей гистерезиса (рис. 6.2). Это объясняется тем, что переменный магнитный поток, наводит ЭДС индукции в массиве сердечника. Так как материал сердечника, является проводником, то под действием этой ЭДС по сердечнику протекают токи, линии которых, замыкаются по периметру сечения сердечника (рис. 6.3 а). Эти токи называются вихревыми iв. Площадь динамической петли гистерезиса пропорциональна энергии, выделившейся в виде тепла в ферромагнитном сердечнике за один цикл перемагничивания.

image

Вихревые токи вызывают необратимое преобразование электрической энергии в тепловую, характеризуется удельной мощностью потерь на вихревые токи рв(Вт/кг

Потери в стали снижают коэффициент полезного действия электрических машин и трансформаторов. Для уменьшения потерь на гистерезис, магнитопроводы электрических машин и аппаратов, работающих с переменными магнитными полями, изготавливают из магнитомягких материалов. Потери на вихревые токи, прямо пропорциональны толщине листа, и обратно пропорциональны удельному сопротивлению материала сердечника. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы набирают из тонких листов, в электрическом отношении изолированных друг от друга (рис. 6.3б).

При этом сопротивление вихревым токам увеличивается, а потери на вихревые токи уменьшаются. Однако листы нельзя изготовлять чрезмерно тонкими. В частности, при уменьшении толщины листа, возрастают удельные потери на гистерезис. Для различных частот существуют различные оптимальные толщины листов. Например, при частоте 400 Гц, применяют листы толщиной 0,1 – 0,35 мм, а при частоте 50 Гц листы толщиной 0,35 и 0,5 мм. В электротехнические стали из которых изготавливаются сердечники, вводят специальные присадки, увеличивающие удельные сопротивления стали. Это так же ведет к уменьшению потерь на вихревые токи.

Основная (коммутационная) кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании (см. рис. 6.1) и отражает зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании.

Основная кривая намагничивания, важнейшая характеристика магнитных материалов, используемая в расчетах при проектировании магнитопроводов электрических машин и аппаратов.

Значение абсолютной магнитной проницаемости image, а следовательно, и относительной магнитной проницаемостиimage всех ферромагнитных материалов зависит от величины напряженности магнитного поля и изменяется в широких пределах. При image, все ферромагнитные материалы имеют начальную магнитную проницаемость image. С ростом до определенного значения напряженности магнитного поля Н, растет и величина магнитной проницаемости image.

Максимуму магнитной проницаемости imageсоответствует точка перегиба основной кривой намагничивания. Эту точку можно определить, проведя касательную к основной кривой намагничивания из начала координат (рис. 6.3).

При дальнейшем росте Н (область насыщения), значение относительной магнитной проницаемости стремится к единице.

Магнитные характеристики основных магнитных материалов приведены в таблице 6.3.

Таблица 6. 3.

Материал

Относительная начальная проницаемость image

Относительная максимальная проницаемость image

Коэрцитивная сила НС, А/м

Остаточная индукция ВО, Тл

Индукция насыщения ВН,

Точка Кюри ТК, 0С

Железо

10000

200000

4

1,3

2,15

770

Кобальт

70

250

800

0,49

1,7

1120

Никель

110

600

56

0,40

0,61

358

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

В зависимости от формы и площади петли гистерезиса ферромагнитные материалы делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы характеризуются относительно узкой петлей гистерезиса и круто поднимающейся основной кривой намагничивания. Магнитомягкие материалы (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты) имеют малые потери и применяются в устройствах, предназначенных для работы при переменных магнитных потоках (трансформаторы, электродвигатели).

Магнитотвердые материалы имеют большую площадь гистерезисной петли и полого поднимающуюся основную кривую намагничивания. К магнитотвердым материалам относятся, углеродистые стали, вольфрамовые сплавы. Эти материалы используются для изготовления постоянных магнитов.

Петли гистерезиса магнитотвердых и магнитомягких материалов приведены на рис. 6.5 а, б.

Коэффициент пропорциональности между магнитной индукцией в ферромагнитном материале и напряженностью магнитного поля называется абсолютной магнитной проницаемостью image.

image                                                         (6.6)

image

6.2. Магнитотвердые материалы

К магнитотвердым материалам относятся магнитные материалы с широкой гистерезисной петлей и большой коэрцитивной силой НС (рис. 6.2 а).

Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются: коэрцитивная сила НС, остаточная индукция В0, максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство.

Относительная магнитная проницаемость μ магнитотвердых материалов значительно меньше, чем у магнитомягких. Чем выше значение коэрцитивной силы НC ферромагнитного материала, тем меньше его магнитная проницаемость.

Влияние температуры на величину остаточной магнитной индукции В0, которая соответствует максимальному значению магнитной индукции для данного материала Вmax, оценивается температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции

Максимальная удельная магнитная энергия imageявляется важнейшим параметром при оценке качества магнитотвердых материалов. Максимальная удельная магнитная энергия, Дж/м2:

image                                                  (6.8)

Постоянный магнит, при замкнутом магнитопроводе практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри сердечника, и магнитное поле вне сердечника отсутствует. Для использования магнитной энергии постоянных магнитов, в магнитопроводе создают воздушный зазор, определенных размеров и конфигурации, магнитное поле в котором используют для технических целей.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старение может быть обратимым и необратимым. В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных воздействий происходит снижение его остаточной магнитной индукции image, на 1...3%. При повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.

Если со временем в постоянном магните произошли структурные изменения, то повторное намагничивание не устраняет необратимого старения.

По областям применения магнитотвердые материалы подразделяются на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи и хранения информации (звуковой, цифровой, видеоинформации).

По составу и способу получения магнитотвердые материалы делят на литые, порошковые и прочие.

Литые материалы на основе сплавов. Основу этих материалов составляют сплавы: железо-никель-алюминий (Fe-Ni-Al) и железо-никель-кобальт (Fe-Ni-Co). Они являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов.

Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты). Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготовления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.

Металлокерамические магниты по магнитным свойствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их.

Бариевые магниты имеют значения остаточной магнитной индукции В0, в 2...4 раза и выше, чем у литых магнитов и большую коэрцитивная силу НС, что придает им повышен стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков. Ферриты бария используют в высокочастотных магнитных цепях. Они не содержат дефицитных и дорогих металлов, поэтому по стоимости бариевые магниты примерно в 10 раз дешевле магнитов из сплавов ЮНДК.

Недостатками бариевых магнитов являются плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость), зависимость магнитных свойств от температуры (температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКД в 10 раз больше, чем ТКД, литых магнитов). После охлаждения магнита до температуры ниже – 60 0С, бариевые магниты необратимо теряют магнитные свойства (при последующем нагревании до первоначальной температуры магнитные свойства не восстанавливаются).

Промышленность выпускает бариевые изотропные БИ и бариевые анизотропные БА магниты.

Кобальтовые магниты в сравнении с бариевыми, имеют лучшую стабильность параметров, но и более высокую стоимость. Зависимость их магнитных свойств от температуры проявляется при нагревании до температуры выше 80 0С. Из-за большой хрупкости и низкой механической прочности их часто крепят с помощью клея.

Микропорошки Fe и FeСo для железных и железокобальтовых магнитов изготавливают с применением химических способов. Из полученного порошка магниты прессуют и пропитывают раствором смол. Пропитка повышает коррозионную стойкость железосодержащих магнитов.

К прочим  магнитотвердым материалам относятся материалы, которые имеют узкоспециальное применение: пластически деформируемые сплавы, эластичные магниты, материалы для магнитных носителей информации, жидкие магниты.

Пластически деформируемые сплавы обладают хорошими пластическими свойствами; хорошо поддаются всем видам механической обработки (хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на всех металлорежущих станках), но имеют высокую стоимость.

Жидкие магниты представляют собой жидкость, наполненную мельчайшими частицами магнитотвердого материала. Жидкие магниты ни кремнийорганической основе не расслаиваются под действием даже сильных магнитных полей, сохраняют работоспособность в диапазоне температур от-70 до+150 0С.

6.3. Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы делятся на материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей и материалы для высокочастотных магнитных полей.

6.3.1. Магнитомягкие материалы для низкочастотных магнитных полей

В постоянных и низкочастотных магнитных полях (частоты до единиц килогерц) применяют металлические магнитомягкие материалы: технически чистое, электролитическое или карбонильное железо, низкоуглеродистую электротехническую сталь, кремнистую электротехническую сталь, пермаллои.

Магнитомягкие материалы должны иметь следующие свойства: малая коэрцитивная сила НС ; высокая относительная магнитная проницаемость μ; малые потери на перемагничивание; высокая пластичность; малые колебания толщины материала; отсутствие окалины, бугров, вмятин, что позволяет повысить коэффициент заполняемости и соответственно уменьшить размеры изделий; независимость магнитных свойств от механических напряжений приложенных к магнитопроводу.

Технически чистое железо (армко-железо) содержит менее 0,05% примесей. Из всех ферромагнитных материалов оно имеет самое высокие значения индукции насыщения Вmax, низкое удельное электрическое сопротивление ρ, поэтому его используют для изготовления магнитопроводов изделий, работающих в постоянных магнитных полях.

Значения его коэрцитивной силы HC и относительной магнитной проницаемости μ изменяются в широких пределах. Это железо технологично, хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках, имеет низкую стоимость.

На магнитные свойства железа, кроме химического состава, влияет его структура, особенно размеры зерна. На границах зерен происходит искажение кристаллической решетки. Особенно легко выделяются фазы, содержащие углерод, поэтому, чем крупнее зерно, тем выше магнитные свойства. Для укрупнения зерен железо подвергают специальной термообработке (отжигу).

Технически чистое железо применяют как шихтовый материал для получения почти всех ферромагнитных сплавов. Широко применяют также электролитическое и карбонильное железо.

Электролитическое железо получают в результате электролиза FeCO4 или FeCl2. Электролитическое железо содержит меньшее количество примесей, чем технически чистое железо, поэтому оно обладает более высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила НС = 30 А/м, максимальная относительная магнитная проницаемость μmax = 15 000. Из-за высокой стоимости электролитическое железо используют редко.

Карбонильное железо получают в результате разложения пентакарбонила железа. При различных условиях разложения получают порошкообразное или губчатое железо. В результате термической обработки в водороде железо приобретает высокие магнитные свойства.

Свойства железа улучшают введением присадок, получая различные марки сталей. Применяют две основные разновидности магнитомягких электротехнических сталей: низкоуглеродистые стали и кремнистые стали.

Низкоуглеродистая электротехническая сталь поставляется в неотожженном состоянии с невысокими магнитными свойствами. Такую сталь подвергают термообработке. После термообработки сокращается число зерен в единице объема, в результате чего, улучшаются магнитные свойства стали.

Термически обработанные стали имеют: коэрцитивную силу НС = 64...96 А/м, максимальную относительную магнитную проницаемость μmax = 3500.. .4500 и содержание углерода 0,1 %.

Кремнистые электротехнические стали представляют собой твердый раствор кремния в железе. Легирование кремнием повышает удельное электрическое сопротивление ρ, что снижает потери на вихревые токи, в листах низкоуглеродистой стали.

Тщательная очистка от примесей и термообработка кремнистых электротехнических сталей улучшает их свойства. Создание в материале магнитной текстуры существенно улучшает магнитные свойства кремнистых электротехнических сталей. При отсутствии текстуры имеет место хаотичное расположение кристаллов в сплаве, поэтому сплав обладает изотропными свойствами со статистически постоянной средней намагниченностью по любому направлению.

Для создания магнитной текстуры сталь подвергают холодной прокатке. В результате большинство зерен сплава ориентируются легким намагничиванием вдоль проката, то есть сплав текстурируется. Такую текстуру называют текстурой прокатки. Холоднокатаная сталь становится магнитно-анизотропной. Деформация в холодном состоянии приводит к появлению больших внутренних напряжений, что вызывает рост коэрцитивной силы. Эти напряжения снимают отжигом.

Горячекатаные стали в отличие от холоднокатаных сталей – магнитно-изотропны, не имеют магнитной текстуры.

Термообработку кремнистых сталей ведут по той же технологии, что и низкоуглеродистых сталей (технически чистого железа). Но при изготовлении магнитопроводов из кремнистых текстурированных сталей необходимо учитывать анизотропию магнитных свойств, так как лучшими магнитными свойствами лист обладает в направлении проката, а худшими – под углом 550 к направлению проката.

Применение текстурованной стали в трансформаторах различного назначения, позволяет снижать их массу и размеры на 20...40 %.

Наиболее широко в электротехнической промышленности применяются электротехнические, тонколистовые стали.

Сталь электротехническая тонколистовая подразделяется:

- на три класса по структурному состоянию и виду прокатки;

- по содержанию кремния;

- группу по основной нормированной характеристике.

По структурному состоянию и виду прокатки различают три класса электротехнической, тонколистовой стали:

1 класс – горячекатаная изотропная сталь;

2 класс – изотропная сталь;

3 класс – холоднокатаная анизотропная сталь с ребровой текстурой.

По содержанию кремния:

0 – сталь с содержанием кремния до 0,4 % (не легированная);

1 – сталь с содержанием кремния от 0,4 % до 0,8 %;

2 – сталь с содержанием кремния от 0,8 % до 1,8 %;

3 – сталь с содержанием кремния от 1,8 % до 2,8 %;

4 – сталь с содержанием кремния от 2,8 % до 3,8 %;

5 – сталь с содержанием кремния от 3,8 % до 4,8 %.

Добавление кремния в электротехническую сталь, улучшает ее магнитные характеристики, повышает ее удильное электрическое сопротивление и снижает потери на вихревые токи.

В зависимости от основной нормируемой характеристики сталь делят на группы:

0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (обозначаются р1,7/50);

1 – удельные  потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (р1,5/50);

2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (р1/400);

6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля Н = 0,4 А/м (В0,4);

7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля Н = 10 А/м (В1,0).

Электротехнические стали обозначают посредством системы вышеприведенных цифр. В обозначении марки стали, цифры означают: первая (1,2, 3) класс по структурному состоянию и виду прокатки; вторая (0...5) содержание кремния; третья группу по основной нормируемой характеристике. Вместе первые три цифры в обозначении марки означают, тип стали; четвертая порядковый номер типа стали. Например, обозначение 1511 означает: сталь электротехническая тонколистовая, горячекатаная изотропная, с содержанием кремния от 3, 8 до 4,8%, с удельными потерями р1,5/50; обозначение 3411 означает сталь электротехническая тонколистовая, холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой, с содержанием кремния от 2,8 до 3,8%, с удельными потерями р1,5/50.

В таблице 6.4 приведены марки тонколистовых электротехнических сталей и их классификационные признаки [2].

Таблица 6.4

Марки и классификационные признаки сталей

Марка стали

Класс по виду прокатки

Содержание кремния, %

Группы

Марка стали

Класс по виду прокатки

Содержание кремния, %

Группы

1211 1212 1213

1

0,8 …1,8

1

2011 2012 2013

2

До 0.4

1

1311

1312 1313

1,8…2,8

2111 2112

0,4.. 0,8

1411

1412

1413

2,8…3,8

2211 2212

0,8...1,8

1511 1512

1513 1514

3,8…4.8

2311 2312

1,8...2,8

1521

2

2411 2412

1561 1562

6

3411 3412

3413

3414

3415

3416

3404

3405

3406

3

2,8…3,8

0

1571 1572

7

Магнитные свойства большинства марок холоднокатаной тонколистовой стали, приведены в таблице 6.5. Плотность и удельное электрическое сопротивление этих марок стали, приведены в таблице 6.6.

Таблица 6.5

Магнитные свойства холоднокатаной тонколистовой стали

Марка стали

Толщина, мм

Удельные потери, Вт/кг, не более

Магнитная индукция, Тл, при напряженности магнитного поля, А/м,

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2011

0,63

3,8

9,0

1,43

1,60

1,70

1,80

2,02

0,50

3,5

8,0

1,49

1,60

1,70

1,80

2,02

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2012

0,65

3,6

8,0

1,50

1,62

1,72

1,82

2,02

0,50

2,9

6,5

1,50

1,62

1,72

182

2,02

2013

0,63

3,1

7,0

1,53

1,64

1,74

1,85

2,05

0,50

2,5

5,6

1,54

1,65

1,75

1,85

2,05

2111

0,65

4,3

10,0

1,45

1,58

1,66

1,75

2,00

0,50

3,5

8,0

1,46

1,58

1,67

1,78

2,00

2112

0,65

3,5

8,0

1,46

1,59

1,67

1,77

2,02

0,50

2,6

6,0

1,47

1,60

1,68

1,77

2,02

2211

0,65

3,0

7,0

1,40

1,56

1,65

1,73

1,96

0,50

2,6

5,8

1,40

1,56

1,6э

1,76

2,00

2212

0,65

2,6

6,3

1,42

1,58

1,67

1,77

2,00

0,50

2,2

5,0

1,42

1,60

1,68

1,77

2,00

2311

0,65

2,5

5,8

1,33

1,52

1,62

1,72

1,96

0,50

1,9

4,4

1,33

1,54

1,64

1,74

1,95

2312

0,65

2,4

5,6

1,38

1,54

1,64

1,72

1,98

0,50

1,75

4,0

1,40

1,56

1,66

1,74

1,96

2411

0,50

1,6

3,6

1,37

1,49

1,60

1,73

1,96

0,35

1,3

3,0

1,37

1,50

1,60

, 1,70

1,95

2412

0,50

1,3

3,1

1,33

1,50

1,60

1,70

1,95

0,35

1,15

2,5

1,35

1,50

1,60

1,70

1,95

Таблица 6.6

Плотность и удельное электрическое сопротивление стали

Марка стали

Содержание

кремния, %

Плотность

стали, кг3

Удельное электрическое

сопротивление, мкОм∙м

2011, 2012, 2013

Менее 0,4

7850

0,14

2111, 2112

0,4...0,8

7820

0,17

2211, 2212

0,8...1,8

7800

0,25

2311, 2312

1,8...2,8

7750

0.40

2411, 2412

2,8...3,8

7650

0,50

Производятся следующие марки анизотропной тонколистовой, холоднокатаной стали: 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3404, 3405 и 3406.

Сталь производят: толщиной 0,28 и 0,30 мм с электроизоляционным термостойким покрытием; толщиной 0,35 мм − с электроизоляционным термостойким покрытием, без него и с электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость; толщиной 0,50 мм с электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость, или без электроизоляционного покрытия. Коэффициент заполнения без покрытия составляет 0,97, с покрытием в пределах 0,94...0,97.

Холоднокатаную анизотропную ленту изготовляют из сталей марок 3411, 3421, 3422, 3423. 3424 и 3425.

Номинальные толщины ленты: 0,05; 0,08; 0,15; 0,20 мм, номинальная ширина: 5; 6,5; 8; 10; 12; 12,5; 15; 16; 20; 25; 28; 30; 32; 35,5; 40; 50; 64; 71; 80 мм. Лента имеет одностороннее термостойкое электроизоляционное покрытие толщиной 5 мкм. Лента имеет электрическое сопротивление, приведенное к 1 см2 поверхности, не менее 100 Ом/см2.

Магнитные свойства электротехнической анизотропной холоднокатаной ленты представлены в таблице 3.7 [2].

imageimageСталь электротехническая анизотропная холоднокатаная с пониженным уровнем магнитных потерь марок 3406 и 3407 (ТУ 14-1-2937-80)

Электротехническую сталь изготовляют в рулонах шириной 750 мм, толщиной 0,30 мм. Коэффициент заполнения — не менее 0,96.

Удельные потери стали марки 3406 составляют р1,7/50= 1,34 Вт/кг, а стали марки 3407 р1,7/50= 1,26 Вт/кг.

Сортовая электротехническая нелегированная сталь изготовляется следующих марок: 10864. 20864, 10880, 20880, 10895, 20895, 11864, 21864, 11880, 21880, 11895, 21895.

Цифры в обозначении марки означают: первая цифра − класс по виду обработки (1 − горячекатаная и кованая, 2 калиброванная); вторая цифра тип по содержанию кремния и коэффициенту старения (0 − сталь нелегированная без нормирования коэффициента старения;1 сталь нелегированная с заданным коэффициентом старения); третья цифра группу по основной нормируемой характеристике (8 − коэрцитивная сила); четвертая и пятая количественное значение основной нормируемой характеристики (коэрцитивной силы в целых единицах А/м);

Коэффициент старения процент увеличения коэрцитивной силы после старения, для указанных марок он не превышает 10%.

Магнитные свойства сортовой электротехнической нелегированной стали, приведены в таблице 6.8.

6.3.2 Магнитомягкие прецизионные сплавы (пермаллои)

К магнитомягким прецизионным сплавам, или пермаллоям, относятся нелегированные и легированные двойные железоникелевые, железокобальтовые и железохромистые и тройные железоникелькобальтовые сплавы с высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Пермаллои представляют собой железно-никелевые сплавы с содержанием никеля от 36 до 80%.

В зависимости от содержания никеля пермаллои делят на низконикелевые и высоконикелевые.

К низконикелевым относят пермаллои с содержанием никеля 40...50%. Низконикелевые пермаллои используют в качестве магнитных материалов для изделий, которые работают в переменных магнитных полях

К высоконикелевым относят пермаллои с содержанием никеля 70... 80%. Высоконикелевые сплавы имеют малую кристаллографическую анизотропию и малую зависимость магнитных свойств от механических напряжений.

Высоконикелевые пермаллои применяют в производстве сердечников мощных силовых трансформаторах и других устройств, работающих с большими магнитными потоками.

Для улучшения характеристик пермаллоев в их состав включают также кобальт, хром, молибден, медь и другие металлы.

Важной особенностью пермаллоев в сравнении с электротехническими сталями являются их легкая намагничиваемость в слабых магнитных полях и повышенные значения удельного электрического сопротивления. Благодаря этим свойствам и стабильности магнитных характеристик пермаллои могут применяться до частот 200...500 кГц. Кроме того, пермаллои исключительно пластичны, их прокатывают в листы и ленты толщиной до 0,0015 мм.

Сплавы выпускаются преимущественно в виде горячекатаных и холоднокатаных лент толщиной от 0,0015 до 2,5 мм, шириной от 20 до 250 мм, а также в виде листов толщиной от 3 до 22 мм, шириной от 450...600 и длиной до 800мм. Выпускаются кованые и горячекатаные прутки диаметром 8...13 мм и длиной 1000 мм; диаметром 13...80 мм и длиной 500 мм; диаметром 80...100 мм и длиной 250 мм.

Следует отметить, что пермаллои очень чувствительны к деформациям, которые вызывают ухудшение их первоначальных магнитных характеристик. Восстановление первоначального уровня магнитных характеристик деформированных деталей из пермаллоев достигается специальной термической обработкой.

Основные физические свойства пермаллоев приведены в таблице 6.10, а магнитные свойства их, приведены в таблице 3.1.

6.3.3. Магнитомягкие материалы для высокочастотных магнитных полей

В диапазоне высоких частот (105…107 Гц), потери на вихревые токи у магнитомягких сплавов возрастают настолько, что их использование становится неэффективным. Потери на вихревые токи снижают уменьшением магнитной индукции и повышением удельного электрического сопротивления. Малым значением магнитной индукции В и высоким значением удельного электрического сопротивления imageобладают неметаллические магнитные материалы: магнитомягкие ферриты и магнитодиэлектрики.

Магнитомягкие ферриты являются магнитной керамикой, которую получают спеканием оксида железа с оксидами металлов.

Большая часть магнитомягких материалов имеют кубическую структуру. В промежутках между ионами кислорода, в узлах их кристаллической решетки размещаются ионы соответствующего металла.

Ферриты имеют низкую индукцию насыщения (Вmax = 0,2...0,5 Тл), поэтому их используют только в области слабых магнитных полей.

Основные характеристики магнитомягких ферритов: индукция насыщения Вmax, магнитная проницаемость, тангенс угла магнитных потерь tgδm, критическая частота fkp температурный коэффициент магнитной проницаемости αμ , коэффициент стабильности Kμ.

Магнитные потери, возникающие в ферритных сердечниках при перемагничивании включают в себя составляющие потерь на гистерезис, на вихревые токи и на магнитную вязкость.

В слабых полях потери на гистерезис малы, потерями на вихревые токи можно пренебречь, так как вследствие высокого удельного электрического сопротивления они малы. Следовательно, для ферритов в высокочастотном поле потери связаны с магнитной вязкостью материала.

По составу ферриты бывают: одинарными (моноферриты), двойными (биферриты) и многокомпонентными (полиферриты). Наибольшее распространение получили биферриты: марганцевоникелевые, никелевоцинковые, литиевоцинковые.

Марганц-никелевые ферриты имеют следующие свойства:

высокие значения начальной относительной магнитной проницаемости (у лабораторных образцов до 40 000); малые потери на перемагничивание до частот 108 Гц; низкая остаточная и относительно большая максимальная индукция.

Марганц-цинковые ферриты применяют в производстве сердечников импульсных трансформаторов с узким фронтом импульса.

Никель-цинковые ферриты предназначены для использования в слабых магнитных полях при частотах до 100 МГц и имеют следующие свойства: малые потери и низкие значения начальной магнитной проницаемости в широком интервале температур. Для них характерна высокая временная стабильность начальной магнитной проницаемости (составляет десятые доли процента в год)х магнитная проницаемость зависит от температуры, частоты, значения параметров подмагничивающего поля. Магнитная проницаемость не зависит от механических воздействий. Свойства никелевоцинковых ферритов зависят от состава и технологии изготовления. По величине магнитной проницаемости никелевоцинковые ферриты делят на четыре группы.

Ферриты первой группы характеризуются высокой магнитной проницаемостью, низкой граничной частотой, невысокой температурой Кюри, узким диапазоном рабочих температур. Материалы этой группы применяют для изготовления сердечников, работающих на частотах до нескольких сот килогерц.

Ферриты второй группы имеют средне значение магнитной проницаемости. Отличаются от ферритов первой группы составом, повышенным значением температуры Кюри, меньшими потерями при перемагничивании, более высоким электрическим сопротивлением. Их используют для изготовления сердечников катушек постоянной и переменной индуктивности (вариометров) и магнитных антенн. Материалы этой группы можно использовать на частотах до нескольких мегагерц.

Ферриты третьей группы с низким значением магнитной проницаемости имеют высокое значение температуры Кюри, более широкий диапазон рабочих частот и температур. Используют для получения изделий, работающих на частотах нескольких десятков мегагерц.

Ферриты четвертой группы со сверхнизкими значениями магнитной проницаемости (μ= 10...50) обладают граничными частотами до 200 МГц. Имеют большое электрическое сопротивление, высокую термостабильность, малые потери на перемагничивание. Материалы этой группы применяют для изготовления сердечников высокочастотных катушек индуктивности.

Кривые намагничивания марганец-цинковых и никель-цинковых ферритов приведены на рис. 6. 6.

image


Рис. 6.6. Кривые намагничивания марганец-цинковых и никель-цинковых

ферритов: 14000НМ; 23000НМ; 3 2000НМ; 4 1000НМ;

5 2000НН; 6 600НН; 7 400НН; 8 200НН

Литиевоцинковые ферриты имеют самый низкий температурный коэффициент магнитной проницаемости, малые потери на вихревые токи в диапазоне частот (1…2)∙108 Гц, их гистерезисные потери выше, чем у других ферритов.

Контурные катушки, сердечники которых изготовлены из литиевоцинковых ферритов, в диапазоне частот (1...2)∙108 Гц имеют более высокую добротность, по сравнению с катушками, у которых сердечники выполнены других магнитных материалов.

Магнитомягкие аморфные и нанокристаллические сплавы ГАММАМЕТ

В последние годы в России используются магнитомягкие сплавы ГАММАМЕТ с нанокристаллической либо аморфной структурой, выпускаемые Научно-производственым предприятием «Гаммамет» (г. Екатеринбург, http://www.gammamet.ru). Магнитопроводы ГАММАМЕТ изготавливают из аморфной ленты толщиной 20...25 мкм, полученной из сплавов на основе железа или кобальта [8, 9].

Магнитопроводы обладают высокой магнитной проницаемостью, низкими магнитными потерями, высокой запасенной магнитной энергией. Могут в частотной области до 1 МГц полностью заменить традиционные магнитопроводы из электротехнической стали, железоникелевых сплавов (пермаллоев), ферритов, прессованного порошкообразного пермаллоя и альсифера (магнитодиэлектрики).

Температура окружающей среды от − 60 до + 125 0С при относительной влажности до 100% при 35 0С. Полный срок службы магнитопровода 30 лет.

Магнитопроводы ГАММАМЕТ® используются для производства измерительных трансформаторов тока и напряжения, силовых, согласующих, импульсных, сигнальных, широкополосных трансформаторов, накопительных реакторов и трансформаторов, сглаживающих и токоограничивающих реакторов.

Получение сплавов. Магнитопроводы ГАММАМЕТ® относятся к числу новых электротехнических материалов, поэтому приведем краткое описание технологии их получения.

Аморфную ленту получают путем разливки металлического расплава заданного химического состава на участок поверхности вращающегося бронзового диска, перемещающийся с линейной скоростью около 25 м/с. В результате резкого охлаждения со скоростью до 1060С/с металлический расплав не успевает кристаллизоваться, полученная лента имеет аморфную структуру, аналогичную структуре стекле.

После термической обработки структура ленты может остаться аморфной, либо частично кристаллизованной, либо нанокристаллической. В материале с нанокристаллической структурой кристаллиты расположены по всему объему ленты и имеют размер около 10 нм. Поэтому такие материалы называют нанокристаллическими.

Частичную кристаллизацию получают прерыванием процесса на начальной стадии термической обработки. Из-за плотной упаковки атомов кристаллизованный материал занимает меньший объем, чем этот же материал с аморфной структурой. В результате поверхностные слои толщиной не более 1 мкм, в которых вырастают кристаллиты на начальной стадии, сжимают центральный слой ленты с аморфной структурой. Такая слоеная структура ленты (кристаллическая − аморфная − кристаллическая) обеспечивает линейность кривой намагничивания материала.

Маркировка сплавов ГАММАМЕТ®. Маркировка сплавов включает сокращенное наименование товарного знака ГМ и три цифры, которые определяют химический состав сплава: первая цифра − основной элемент (4 − железо, 5 − кобальт), вторая и третья цифры код химического состава сплава. Например, ГМ501 магнитомягкий сплав на основе кобальта.

Магнитопроводы получают намоткой аморфной ленты на оправки разных форм и размеров и последующей термической обработкой. Термическая обработка может проводиться в магнитном поле или без него. Магнитные свойства магнитопроводов существенно зависят от вида обработки, включая направление магнитного поля.

Все магнитные материалы под действием механических напряжений изменяют магнитные свойства, и, наоборот, в магнитном поле они претерпевает деформацию (явление магнитострикции). Для сохранения высоких магнитных свойств магнитопровода после отжига его помещают в защитный пластиковый контейнер и заливают вязким компаундом (рис. 2,3,а). Компаунд 3 предохраняет магнитопровод 1 от ударов и смещения внутри контейнера 2. В качестве компаунда используют вазелин КВ-3 или другой материал, не ухудшающий магнитных свойств магнитопровода.

Магнитопроводы в защитных контейнерах имеют кольцевую форму, а их размеры соответствуют ряду типоразмеров ОЛ по ГОСТ 24011-80. Типоразмеры наиболее распространенных магнитопроводов ГАММАМЕТ® в защитных контейнерах приведены в таблице 6.17.

image

Рис. 3.3. Конструкция магнитопровода.

1 − ленточный магнитопровод; 2 − демпфирующий заполнитель;

3 защитный контейнер

Магнитные свойства магнитопроводов ГАММАМЕТ® в защитных контейнерах. Маркировка магнитопровода ГАММАМЕТ® в защитном контейнере состоит из обозначения магнитного сплава, из которого и изготовлен магнитопровод, и буквы А или В. Буквы характеризуют условия термической обработки: А − отжиг в продольном магнитном поле (вдоль магнитного пути магнитопровода), В отжиг в поперечном магнитном поле (перпендикулярно торцевой поверхности магнитопровода и вдоль поверхности ленты). Если дополнительной буквы в маркировке магнитопровода нет – материал отожжен без магнитного поля.

Альсифер является сплавом алюминия, кремния и железа. Он нековок, хрупок, тверд. Имеет высокое значение начальной магнитной проницаемости, не содержит дефицитных металлов, имеет низкую стоимость.

Альсифер применяют для изготовления деталей, работающих в постоянных магнитных полях (экраны, детали магнитопроводов).

Для магнитодиэлектриков применяют сплавы альсифера. Их начальная магнитная проницаемость μн = 30000...35000, максимальная магнитная проницаемость μmax = 120000, коэрцитивная сила HC = 1,8 А/м, при удельном электрическом сопротивлении ρ = 0,8 мкОм∙м. Требования к точности поддержания состава сплава невысоки, так как свойства магнитодиэлектрика определяются в основном размерами, формой и взаимным расположением частиц альсифера и не зависят от их исходных свойств.

Магнитодиэлектрики изготавливают из прессованного магнитного материала, состоящего из частиц ферромагнита, изолированных друг от друга диэлектриком.

Характерной особенностью магнитодиэлектриков является высокая стабильность магнитной проницаемости при изменении внешнего поля. При увеличении напряженности внешнего магнитного поля в несколько раз магнитная проницаемость магнитодиэлектрика изменяется на 15...20%. В ферромагнитах, при этих условиях, она возрастает в сотни раз.

Широко применяются магнитодиэлектрики на основе альсифера, легированных железоникелевых сплавов (пермаллоев) и карбонильного железа.

Магнитоникелевые сплавы на основе карбонильного железа применяют для изготовления сердечников катушек индуктивности фильтров, контуров. Сердечники из магнитоникелевых сплавов на основе карбонильного железа имеют широкий рабочий диапазон частот, минимальное значение магнитных потерь, высокую временную стабильность, высокую влагопоглащаемость, поэтому сердечники из магнитоникелевых сплавов на основе карбонильного железа должны герметизироваться.

6.4. Магнитные материалы специального назначения

К материалам специального назначения относят, как правило, магнитомягкие материалы, которые разработаны для частного применения в устройствах, когда требуется использование одного или двух параметров с максимальными значениями. Группу этих материалов составляют материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), СВЧ-ферриты, термомагнитные и магнитострикционные материалы.

Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса.

Важной характеристикой материалов с ППГ является зависимость их свойств от температуры. При повышении температуры площадь петли гистерезиса и ее прямоугольность у таких материалов уменьшается, т.е. происходит уменьшение коэрцитивной силы НС, остаточной индукции В0 и коэффициента прямоугольности α. При охлаждении происходит обратный процесс. Степень уменьшения этих параметров оценивается температурным коэффициентом остаточной индукции ТКВ и коэрцитивной силы ТКНС.

Для характеристики скорости перемагничивания материала используют коэффициент переключения Кg, который характеризует минимальную амплитуду импульса магнитного поля, необходимую для полного переключения сердечника, т.е. для его перемагничивания из состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции.

Ферриты для сверхвысоких частот (СВЧ-ферриты). Диапазон сверхвысоких частот, соответствует частотам от сотен до десятков тысяч мегагерц, т.е. длинам волн от одного метра до нескольких миллиметров. Ферриты, применяемые в диапазоне СВЧ, имеют следующие свойства: без затухания пропускают электромагнитные волны; низкие значения тангенса угла диэлектрических потерь. Предельная рабочая температура ферритового элемента зависит от температуры Кюри. Частота ферромагнитного резонанса их зависит от свойств СВЧ-феррита. Высокие значения намагниченности насыщения, позволяющие уменьшить объем ферритовых СВЧ-элементов.

Термомагнитные материалы. Эти материалы характеризуются сильной зависимостью намагниченности от температуры при работе в магнитных полях, с магнитной индукцией, близкой к индукции насыщения материала. Термомагнитные материалы обычно работают в режиме насыщения в интервале рабочих температур от − 60 до. + 60 0С.

К термомагнитным сплавам относят компенсаторы, (термомагнитные сплавы системы железо-никель-хром), кальмаллои (сплавы системы никель-медь), термаллои (сплавы системы никель-железо).

Широко применяют компенсаторы, имеющие следующие свойства: полная обратимость магнитных свойств в диапазоне температур от − 65 до + 180 0С; большие значения намагниченности насыщения; высокие значения температурных коэффициентов намагниченности насыщения ТКМ и индукции насыщения ТКВS; высокая линейность магнитных характеристик; высокая воспроизводимость параметров; хорошая механическая обрабатываемость.

Кальмаллои имеют сравнительно малое значение магнитной индукции насыщения, поэтому для создания необходимых магнитных потоков, стержни из этих материалов имеют большие сечения.

Термаллои имеют следующие свойства: необратимое изменение свойств под действием отрицательных температур; сильная зависимость точки Кюри от состава (изменение содержания никеля на 0,25% смещает точку Кюри на 10 0К); плохая воспроизводимость характеристик.

Многослойные термомагнитные материалы получают в результате совместной прокаткой листов или полос из термомагнитных сплавов с различными свойствами. Требуемые характеристики многослойных материалов получают в результате подбора исходных полос с необходимыми свойствами и толщины. Они имеют слабую зависимость намагниченности насыщения, от напряженности магнитного поля, малые параметры полей насыщения, возможность заранее рассчитать требуемые свойства материалов, разнообразие получаемых характеристик, однотипность технологии изготовления.

Магнитомягкие материалы с низкой температурой Кюри применяют в устройствах, которые работают в широком диапазоне положительных температур.

Термомагнитные материалы используют в качестве магнитных шунтов и добавочных резисторов, для компенсации температур погрешности. Для обеспечения изменения магнитной индукции в воздушном зазоре по заданному закону. Их используют в индукционных печах для поддержки заданной температуры, а также в реле, момент срабатывания которых зависит от температуры.


Ұқсас жұмыстар

Сабақ кестесі
Жоғарғы оқу орнындағы лекция және оқу жұмысын ұйымдастырудың басқа формалары мен әдістері
Информатика пәні бойынша сыртқы бөлімге арналған тапсырмалар жинағы
Тіл білімінің өзекті мәселелері пәнінің оқу -әдістемелік кешені
ӘДЕБИЕТТАНУДЫҢ ЖАҢА БАҒЫТТАРЫ
Табиғи, ілеспе газдар және оларды өңдеу мен тазалау әдістері
Қазақ дәстүрлі жазба әдебиеті және кітаби ақындар шығармашылығы (ХІХ ғ. екінші жартысы мен ХХ ғ. басы)
Есептеу математикасына кіріспе пәні бойынша оқу-әдістемелік кешен
Экобиотехнология пәнінен дәрістер жинағы
Жоғары оқу орындағы тәрбие мен оқытудың теориясы