4. Магнитные материалы

Магнитные материалы разделяют на две большие группы: магнитотвердые и магнитомягкие материалы. Критерием такого разделения является величина коэрцитивной силы магнитного материала.

Если магнитный материал имеет коэрцитивную силу > 4000 А/м, то его называют м а г н и т о т в е р д ы м, в противном случае магнитный материал называют м а г н и т о м я г к и м [10, с. 36].

Магнитотвердые материалы используются для изготовления постоянных магнитов, так как в силу большой коэрцитивной силы их невозможно размагнитить обыкновенными магнитными полями.

Магнитомягкие материалы используются для усиления магнитных потоков, создаваемых обмотками с током, и максимальной передачи магнитных потоков из одних обмоток в другие. Как правило, в устройствах с таким назначением магнитных материалов происходит изменение магнитных потоков (например, в трансформаторах), а значит, возникают магнитные потери в магнитных материалах. Эти потери, как отмечалось, определяются площадью петли гистерезиса, а площадь – величиной . Для обеспечения малых магнитных потерь в таких устройствах необходимо, очевидно, применять материалы с малой коэрцитивной силой или, иначе говоря, магнитомягкие материалы.

Магнитомягкие материалы делят на [11, с. 29; 12, с. 120]:

1. электротехнические стали;

2. сплавы железа с другими металлами;

3. ферриты;

4. магнитодиэлектрики.

В ферритах имеет место явление ферримагнетизма, а в остальных указанных магнитных материалах – ферромагнетизма.

Электротехнические стали. Электротехнические стали – это сплавы железа с 0,4–4,8% кремния [12, с. 127; 15, c. 38]. Кремний предназначен для увеличения удельного электрического сопротивления и снижения тем самым потерь на вихревые токи [10, с. 39]. Одновременно кремний повышает магнитную проницаемость, а также хрупкость стали. Уже при 4–5% кремния электротехническая сталь выдерживает не более 1–2 перегибов на 90°. Учитывая при этом, что максимум магнитной проницаемости достигается при 6,5–6,8% кремния, электротехнические стали с содержанием кремния свыше 5% в технике не применяют [12, с. 127].

Электротехнические стали, кроме кремния, содержат примеси: углерод, серу, марганец, фосфор и др. Эти примеси ухудшают либо магнитные, либо механические свойства сталей. Для улучшения свойств сталей их очищают от примесей, а также подвергают термообработке. Однако существенно улучшить свойства сталей указанным образом не удается. Свойства стали значительно улучшаются при изготовлении ее методом холодной прокатки, т.е. прокатки без нагревания. В результате такой прокатки сталь становится текстурованным магнитным материалом, что и объясняет улучшение ее магнитных свойств. Сталь, полученная методом холодной прокатки, называется холоднокатаной. Деформация стали в холодном состоянии приводит к появлению в ней больших внутренних механических напряжений. Эти напряжения снимают отжигом. Отжиг состоит из нагрева стали до определенной температуры с заданной скоростью, выдержку при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью.

Электротехнические стали являются наиболее дешевыми магнитными материалами, имеют большую индукцию насыщения ( = 1,8–2,3 Тл), относительно большую коэрцитивную силу и относительно большие магнитные потери.

Относительная магнитная проницаемость сталей составляет от единиц тысяч до десятков тысяч единиц.

Частотный диапазон применения сталей составляет от нуля до 10 кГц [14, с. 23]. Стали, предназначенные для работы на частоте 50 Гц в сильных и средних полях, образуют самую большую группу сталей по количеству марок и объему применения. Эти стали используют главным образом для производства энергетического оборудования – генераторов, двигателей трансформаторов. Их часто называют динамными и трансформаторными сталями [12, с. 131].

Промышленность выпускает следующие виды электротехнических сталей: холоднокатаную анизотропную тонколистовую, холоднокатаную изотропную тонколистовую, горячекатаную тонколистовую, ленту холоднокатаную анизотропную [12, с. 130]. Толщина такой стали составляет от сотых до десятых долей миллиметра. Чем меньше толщина стали, тем меньше в ней магнитные потери. Поэтому на высоких частотах применяют стали с толщиной в сотые доли миллиметра.

Марки электротехнических сталей обозначаются четырехзначными числами. Первая цифра обозначает класс по структурному состоянию и виду прокатки (1 – горячекатаная, 2 – холоднокатаная, 3 – холоднокатаная анизотропная); вторая – массовая доля кремния (0 – не более 0,4%, 1 – 0,4…0,8%, 2 – 0,8…1,8%, 3 – 1,8…2,8%, 4 – 2,8…3,8%, 5 – 3,8…4,8%); третья – группу по основной нормируемой характеристике (0 – удельные потери при В = 1,7 Тл и частоте 50 Гц; 1 – удельные потери при В = 1,5 Тл и частоте 50 Гц; 2 – удельные потери при В = 1 Тл и частоте 400 Гц для горячекатаной и при В = 1,5 Тл и частоте 400 Гц для холоднокатаной анизотропной; 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при Н = 0,4 А/м; 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при Н = 10 А/м); четвертая цифра обозначает порядковый номер стали.

Электротехнические стали выпускаются, как отмечалось выше, в виде лент и листов, которые являются полуфабрикатами для изготовления магнитопроводов электромашинных и иных устройств. Изготовление магнитопроводов состоит из следующих основных технологических операций: резки ленты или штамповки пластин, нанесения электроизоляции на поверхности лент или пластин, навивки магнитопроводов (в случае лент) или их сборки (в случае пластин).

Магнитопроводы, собранные из пластин, называют шихтованными [12, с. 147].

При изготовлении магнитопроводов в них возникают механические напряжения. Это приводит к ухудшению магнитных свойств магнитопроводов. Их магнитные свойства могут быть в значительной степени восстановлены путем проведения операции отжига. Режим отжига, после которого параметры магнитопроводов определенной формы и размеров удовлетворяют требованиям ГОСТа, устанавливаются соответствующими стандартами.

Применяют в основном три вида отжига: в контейнерах (защитных ящиках), в водороде и в вакууме. При отжиге в контейнере свободное пространство вокруг магнитопровода заполняют кварцевым песком. Ориентировочно рекомендуется следующий режим отжига в контейнере: нагрев до 720–780° С, выдержка при этой температуре в течение 1–1,5 часов и охлаждение до 200–250° С со скоростью около 50° С в час. В процессе отжига в контейнере на поверхности листов или лент магнитопровода появляется оксидная пленка, которая может быть использована в качестве электрической изоляции между пластинами. Напомним, что такая изоляция необходима для снижения в магнитопроводе потерь на вихревые токи. При повышенных требованиях к изоляции на пластины наносят слой изоляции химическим способом (например, фосфатную пленку) или покрывают поверхность нитролаком. Толщина пленки не превышает обычно 5–15 мкм [12, с. 147–150].

Сплавы железа с другими металлами разделяют на: 1) пермаллои; 2) пермендюры; 3) перминвары; 4) железоалюминиевые сплавы; 5) аморфные магнитомягкие сплавы [15, с. 38].

П е р м а л л о и – это сплавы железа с никелем. Содержание никеля в зависимости от марки составляет 45...80%. Слово «пермаллой» является сокращением двух английских слов: perm(eability) и alloy, которые означают соответственно проницаемость и сплав. Пермаллои обладают высокими значениями магнитной проницаемости в слабых магнитных полях и имеют весьма малые значения коэрцитивной силы. Их применяют в устройствах, которые должны обладать максимально возможной чувствительностью к слабым магнитным полям. Недостатком пермаллоев является высокая чувствительность их магнитных характеристик к механическим деформациям [15, c. 39]. Для защиты от них пермаллои помещают в каркасы. Индукция насыщения пермаллоев в 1,5…2 раза меньше, чем у сталей, и составляет 0,7…1,5 Тл [11, c.31; 14, c. 26]. Максимальная относительная магнитная проницаемость пермаллоев составляет примерно от 10000 до 1000000 единиц.

П е р м е н д ю р ы – это сплавы железа с кобальтом (30...50%). Пермендюры имеют наиболее высокое значение индукции насыщения (до 2,4 Тл), что позволяет создавать на их основе устройства, как это будет показано далее, наименьшей массы и габаритов [11, c. 31]. Магнитные характеристики пермендюров, как и пермаллоев, обладают высокой чувствительностью к деформациям [15, c. 39].

П е р м и н в а р ы – это сплавы железа с никелем и кобальтом. Перминвары, обладая относительно низкими значениями коэрцитивной силы и высокими значениями магнитной проницаемости, имеют следующую отличительную особенность: постоянное значение магнитной проницаемости в широкой области изменения магнитных полей [14, c. 23].

Ж е л е з о а л ю м и н и е в ы е сплавы с содержанием 16% алюминия по магнитным свойствам не уступают низколегированным пермаллоям. От пермаллоев железоалюминиевые сплавы отличаются значительной хрупкостью и жесткостью, что затрудняет изготовление из них тонкой ленты и сердечников. Но ввиду малого по сравнению с другими материалами абразивного износа (меньшего в 10…20 раз) они являются наиболее подходящими материалами для изготовления магнитных головок [11, с. 31; 15, c. 39].

Аморфные магнитомягкие материалы – это сплавы железа и/или никеля и/или кобальта (в сумме – 85%) и металлоида (стеклообразователя), в качестве которого используют бор, кремний, углерод, фосфор [12, с. 171]. Аморфные магнитные материалы получают путем быстрого охлаждения этих веществ, находившихся до охлаждения в жидком, газообразном или ионизированном состоянии. Это обусловливает аморфность структуры таких материалов, т.е. их кристаллоподобное состояние лишь на расстояниях, соизмеримых с межатомными. Отсюда и следует название данных материалов. Одна из важнейших особенностей аморфных магнитных материалов состоит в наличии среди них марки с самой высокой относительной магнитной проницаемостью, достигающей 1,5 млн. единиц. Другой особенностью являются весьма низкие магнитные потери на частотах, составляющих несколько десятков килогерц. Эти особенности позволяют аморфным магнитным материалам конкурировать на таких частотах с пермаллоями, низкочастотными ферритами и магнитодиэлектриками. Индукция насыщения аморфных магнитных материалов составляет 0,4…1,5 Тл. Поэтому на промышленных частотах (например, на 50 и 400 Гц) они не могут составить конкуренцию электротехническим сталям.

Диапазон частот, в котором могут применяться рассмотренные выше сплавы железа с другими металлами, составляет от нуля до 20…30 кГц [14, с. 23]. Верхняя граница частотного диапазона определяется маркой материала.

Ферриты. Ферриты – это твердые смеси оксидов железа с оксидами других металлов [11, c. 31]. Отличительной особенностью ферритов является их весьма высокое удельное электрическое сопротивление (большее в миллионы раз, чем у металлических ферромагнетиков), что обеспечивает малые потери на вихревые токи и позволяет, тем самым, использовать ферриты в высокочастотных магнитных полях [11, c. 32].

Технология изготовления ферритов подобна технологии изготовления керамики [15, с. 40]. Эта технология состоит из размельчения исходных магнитных материалов в порошок, смешивания порошка с пластификатором, выдавливания полученной смеси с помощью прессов в пресс-формы и обжиг этой смеси [12, с. 150–152]. Ферритовые сердечники могут быть изготовлены любой формы, которую только позволяет керамическая технология. В механическом отношении ферриты отличаются высокой твердостью и хрупкостью [10, с. 46].

Индукция насыщения ферритов лежит примерно в диапазоне от 0,2 до 0,5 Тл [11, c. 33; 14, c. 27].

Диапазон частот, в котором могут применяться ферриты, составляет от 10 кГц до сотен мегагерц [10, с. 47; 14, с. 23].

Магнитодиэлектрики. Магнитодиэлектрики – твердая смесь ферромагнитного порошка и немагнитного диэлектрического связующего материала, который является одновременно электрической изоляцией и механической связкой всей системы. Немагнитный диэлектрический связующий материал изолирует друг от друга частицы ферромагнитного порошка. Это обеспечивает высокое удельное электрическое сопротивление магнитодиэлектрика в целом и соответственно малые потери в нем на вихревые токи.

В магнитном отношении магнитодиэлектрики представляют собой ферромагнитную среду с беспорядочно распределенным по ее объему бесконечно большим числом немагнитных зазоров. Поэтому, как это будет ясно из дальнейшего изложения, относительная магнитная проницаемость магнитодиэлектриков невелика (от нескольких единиц до сотен единиц), но в то же время слабо зависит от интенсивности действующих в них магнитных полей [14, c. 27, 28].

В этом отношении магнитодиэлектрики уступают ферритам. Преимуществом магнитодиэлектриков по сравнению с ферритами является более высокая повторяемость магнитных характеристик.

Распространены три основные группы магнитодиэлектриков: альсиферы, карбонильное железо и пресспермы [14, с. 28–31].

Основу магнитной фазы альсиферов составляет тройной сплав Al–Si–Fe, измельченный в шаровых или вибрационных мельницах в порошок с размерами зерна 50…100 мкм. Верхняя граница частот, при которых могут применяться альсиферы, составляет в зависимости от марки от 20 до 700 кГц [14, с. 28, 29].

Карбонильное железо получают путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅ [12, с. 126]. Верхняя граница частот, при которых могут применяться магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, составляет в зависимости от марки от 20 до 100 МГц [12, с. 172].

Пресспермы изготовляют из порошка высоконикелевого пермаллоя (80% Ni), легированного молибденом. Пресспермы обладают повышенной относительной магнитной проницаемостью (до нескольких сотен единиц) и низким уровнем гистерезисных потерь. Верхняя граница частот, при которых могут применяться пресспермы, составляет 100 кГц [14, с. 31].

Основы выбора магнитомягких материалов. Каждый из перечисленных магнитных материалов имеет свои преимущества и недостатки, что затрудняет их выбор. Тем не менее, практика проектирования и изготовления электромашинных и электромагнитных устройств показывает, что начальный выбор магнитного материала следует производить, как правило, исходя из частоты магнитных полей, действующих в магнитопроводах устройств. При этом даются следующие рекомендации [14, с. 31]. При частотах до 3 кГц следует выбирать электротехнические стали и пермаллои. При частотах свыше 30 кГц следует применять ферриты и магнитодиэлектрики. При частотах от 3 до 30 кГц могут быть применены любые материалы, а для их конкретного выбора требуется указание дополнительных условий. Одним из таких дополнительных условий является мощность удельных потерь.

Мощность удельных потерь , имеющая размерность или , может быть определена из соотношения [14, с. 35]

(4.1)

где const – мощность удельных потерь при и , или ; – частота перемагничивания, кГц; = 1 кГц; – амплитуда магнитной индукции, Тл; = 1 Тл;

Формула (4.1) справедлива при = 1…30 кГц. Конкретные значения коэффициентов и зависят от магнитного материала и могут быть выбраны из таблиц, приведенных в [14, с. 36, 37]. Значения мощности удельных потерь (Вт/кг) составляют для приведенных в [14, с. 36, 37] марок электротехнических сталей, пермаллоев и ферритов от нескольких единиц ватт до нескольких десятков ватт.

Для электротехнических сталей при низких частотах (сотни Гц) изменения магнитной индукции мощность удельных потерь задается следующим соотношением [14, c. 36]:

(4.2)

где – коэффициент формы магнитной индукции, изменяющейся по периодическому закону; d – толщина ленты, из которой изготавливается магнитный материал; γ – удельная электрическая проводимость магнитного материала.

Заметим, что основой для вывода соотношения (4.2) является соотношение (3.30) при условии, что .

Из соотношения (4.2) вытекает следующий качественный вывод: потери в электротехнических сталях прямо пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции и квадрату частоты ее изменения.

Мощность удельных потерь электротехнических сталей, используемых на частоте 50 Гц при амплитуде магнитной индукции 1 Тл, составляет примерно от 1 до 15 Вт/кг. Мощность удельных потерь электротехнических сталей, используемых на частоте 400 Гц при амплитуде магнитной индукции 1 Тл, составляет примерно от 5 до 20 Вт/кг [12, с. 132, 135].

Магнитотвердые материалы [12, с. 178–214]. Как отмечалось выше, эти материалы имеют большие значения коэрцитивной силы и применяются для изготовления постоянных магнитов, применяемых, в частности, во многих электрических машинах. При этом используется магнитная энергия, возникающая между магнитными полюсами. Поэтому важнейшей характеристикой постоянных магнитов является удельная магнитная энергия во внешнем пространстве. Для применяемых материалов указанная величина имеет значения приблизительно от 1 (хромистая сталь) до 80 (самарий-кобальтовый магнит).

Важной характеристикой магнитов является также остаточная индукция, определяющая в значительной степени, магнитную индукцию их внешних полей. Остаточная индукция магнитов лежит в пределах примерно от 0,2 Тл до 1, 1 Тл.

Наиболее перспективными материалами для изготовления магнитов являются магнитные материалы на основе редкоземельных материалов, в частности, на основе самария и празеодима. Построенные на их основе магниты обладают очень высокими значениями коэрцитивной силы и максимальной удельной энергией. Это позволяет создать электрические машины с очень высокими значениями удельных массогабаритных характеристик и удельной мощности.

Магнитотвердые материалы классифицируют по основному способу их получения, разделяя их на следующие группы:

1) литые магнитотвердые материалы на основе сплавов Fe-Ni-Al и Fe-Ni-Al-Co;

2) порошковые магнитотвердые материалы;

3) прочие магнитотвердые материалы.

Первая группа материалов имеет хорошие магнитные свойства, но обладает низкой пластичностью и высокой твердостью, что вызывает определенные трудности при создании постоянных магнитов требуемой формы. Эти сплавы имеют наибольшее распространение в промышленности.

Вторая группа материалов получается путем прессования порошков с последующей термообработкой. Эти магниты разделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и из микропорошков. Металлокерамические магниты получают из металлических порошков путем прессования их без связующего материала и последующего спекания при высокой температуре. Металлопластические магниты получают из порошков путем прессования их вместе с изолирующей полимерной связкой и последующего нагревания до температуры полимеризации. Такая технология обеспечивает пластичные свойства подобным магнитным материалам. Оксидные магниты изготавливают по технологии, имеющей много общего с технологией производства магнитомягких ферритов. Среди оксидных магнитов практическое значение имеют магниты на основе феррита бария и феррита кобальта.

К третьей группе относят, в частности, сплавы на основе благородных металлов с особо высокой коэрцитивной силой, магнитные ленты для звукозаписи, сплавы на основе редкоземельных материалов.

Магнитное поле постоянных магнитов создается в результате процесса их намагничивания внешними магнитными полями, создаваемыми катушками с электрическим током. При этом для рационального использования магнитного материала он должен быть намагничен до насыщения, т.е. до предельной петли гистерезиса. Для попадания реальных постоянных магнитов в режим насыщения необходимы магнитные поля с напряженностью в несколько сотен тысяч ампер на метр.

При эксплуатации постоянных магнитов необходимо иметь ввиду, что создаваемые ими магнитные потоки изменяются с течением времени (магнитное старение) и при внешних воздействиях. К последним относятся, в частности, механические, тепловые, радиоактивные воздействия, а также воздействия внешних магнитных полей. Отметим, что в результате магнитного старения магнитный поток реальных магнитов снижается в пределах от десятых долей процента до нескольких процентов в год.