§ 9.3. Основні властивості магнітних матеріалів

Якщо феромагнітний матеріал помістити в магнітне поле, то він намагнітиться: Ступінь намагнічення характеризується індукцією В, яка виникає під дією поля з напруженістю Н.П

Індукцію У виражають в теслах; напруженість поля Н — в ампер-витках на сантиметр довжини магнітної силової лінії:

(9.1)

де — число витків котушки, створюючої магнітне поле; I— струм, поточний через котушку, А; — довжина магнітної силової лінії, м.

Залежно від характеру струму, поточного через котушку, розрізняють постійне і змінне магнітне поле. Напруженість постійного поля позначають aw0, а змінного — а.

Залежність У від Н зображена на мал. 9.1.

Мал. 9.1. Крива намагнічення феромагнітного матеріалу

П ервинний процес намагнічення матеріалу характеризується ділянкою АС, який називається основною кривою намагнічення. З цього малюнка видно, що залежність між В і Н— нелінійна. Після досягнення напруженістю поля деякого значення Н подальшого зростання індукції В не відбувається. Це значення індукції називається індукцією насичення вс . Процеси розмагнічування і перемагнічування при зміні величини і знака поля від до характеризуються верхньою гілкою петлі гістерезисну CDE; при зміні напруженості поля от до значення В характеризуються нижньою гілкою петлі гістерезисну CFE. Як буде показаний нижче, індукція в сердечнику з магнітного матеріалу в реальних умовах залежить не тільки від напруженості поля, але і від геометричних параметрів сердечника. Залежність амплітудного значення індукції Вт від напруженості змінного поля для деяких матеріалів приведена на мал. 9.2.

Індукція В може бути пов'язаний з напруженістю поля через магнітну проникність:

Магнітна проникність показує, в скільки разів збільшується індуктивність котушки при введенні в неї сердечника. Магнітна проникність не є величина постійна. Залежність від амплітудного значення індукції Вт в змінному магнітному полі приведена на мал. 9.3 ( = 0). Значення при Вт_, рівному або близькому нулю, називають початковою магнітною проникністю ; при збільшенні Вт спочатку росте, а потім починає зменшуватися, досягаючи скільки завгодно малого значення. Значення для трансформаторних сталей і сплавів приведені в табл. 9.1.

Мал. 9.2. Залежність індукції в магнітопроводі від напруженості змінного магнітного поля:

– сталь 3423 завтовшки 0,08 мм;

- – - сталь 3413 завтовшки 0,35мм

Якщо в обмотці трансформатора окрім змінного струму є і постійна складова струму, то в сердечнику з'являється додатково постійне магнітне поле. В цьому випадку магнітна проникність залежить і від постійної становлячої напруженості поля при збільшенні постійного подмагничивания магнітна проникність зменшується (мал. 9.4).

Магнітна проникність матеріалу залежить також від зазору в магнітопроводі. Якщо трансформатор працює без постійного подмагничивания, то при збільшенні зазору магнітна проникність зменшується (крива = 0 на мал. 9.5). Якщо трансформатор працює з постійним подмагничиванием, то при збільшенні зазору магнітна проникність спочатку росте, а потім починає зменшуватися.

Мал. 9.3. Залежність магнітної проникності від індукції

(для сталей 3411—3424)

Мал. 9.4. Залежність магнітної

проникності від постійного подмагничивания

Таблиця 9.1

Магнітна проникність трансформаторних сталей і сплавів

Мазка матеріалу	на частоті 10Гц	Мазка матеріалу	на частоті 10Гц
3421 (Э340) 3422 (Э350) 3423 (Э360)	300 400 400	3424 (Э360А) 80 НХС 79 НМ 50Н	400 3 103 8 103 1000

Примітка: В дужках вказано старе позначення марки сталі.

Мал. 9.5. Залежність магнітної проникності від зазору

Мал. 9.6. Залежність оптимальної початкової

проникності і оптимального зазору

від постійного подмагничивания

Максимальне значення магнітної проникності, яке можна отримати при заданій індукції і наявності постійного подмагничивания за рахунок створення повітряного зазору в магнітопроводі, позначають, відповідне йому значення зазору —. Чим більше постійне підмагничивання, тим більший зазор потрібно робити в сердечнику для отримання . При збільшенні постійного подмагничивания максимальне значення магнітної проникності зменшується.

На мал. 9.6 приведені значення оптимальної початкової проникності і відповідні їм зазори, виражені у відсотках по відношенню до довжини магнітної силової лінії, для деяких марок сталі.

Мал. 9.7.

Залежність питомих втрат в сталі від індукції

Коли сердечник з магнітного матеріалу знаходиться в змінному магнітному полі, частина енергії цього поля витрачається в сердечнику. Ці втрати складаються з втрат на вихрові струми і на гістерезис (втрат на перемагнічування).

Втрати на вихрові струми залежать від питомого опору матеріалу сердечника і від частоти магнітного поля. Щоб зменшити цю складову втрат, для сердечників застосовують спеціальні трансформаторні сталі з великим питомим опором. Крім того, сердечник виготовляють з тонких листів, ізольованих один від одного. Чим вище частота струму, тим більше втрати на вихрові струми, тому сердечники трансформаторів, що працюють на високих частотах, роблять з більш топкого матеріалу.

Втрати на гістерезис залежать від індукції в сердечнику: чим більше індукція, тим більше втрати. Звичайно при розрахунках ці складові втрат не розділяють.

Властивості матеріалу оцінюють питомими втратами, які є сумарними втратами на вихрові струми і гістерезис, віднесені до 1 кг матеріалу, при заданих частоті магнітного поля і індукції.

Питомі втрати позначають: ; і т.д. Чисельник індексу — індукція в теслах, знаменник — частота в герцах, при якій зміряні ці втрати.

Значення для деяких матеріалів приведені на рис, 9.7.

Широке застосування в трансформаторах отримали холоднокатані текстурованные сталі марок 3411—3424. В цих сталях при холодному плющенні виходить орієнтація кристалів уздовж напряму прокату, Сталі 3411—3424 мають уздовж напряму прокату більш високу індукцію і менші втрати. Застосування холоднокатаних сталей дозволяє скоротити габарити трансформатора, особливо якщо сердечник сконструйований так, що в трансформаторі магнітні силові лінії розташовуються уздовж напряму прокату.