21. Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвердые материалы – магнитные материалы, обладающие большой удельной энергией, которая тем больше, чем больше остаточная индукция B_r и коэрцитивная сила H_c материала.

Граница значений H_c, относительно которой магнитный материал можно отнести к магнитотвердому, является условной. В технике магнитный материал, (в соответствии с ГОСТ 19693-74) допустимо считать магнитотвердым, если значение его коэрцитивной силы превышает отметку 4 кА/м [9].

Магнитотвердые материалы широко применяют для изготовления постоянных магнитов. При этом используется магнитная энергия, возникающая между полюсами магнита, вследствие чего магнитные цепи с постоянными магнитами должны быть разомкнутыми, т. е. иметь полезный (рабочий) воздушный зазор (рис. 3.1, б). Поток в зазоре возникает после намагничивания материала, при кратковременном помещении его в сильное магнитное поле.

После снятия внешнего поля магнитные свойства материала характеризуются кривой размагничивания – участком гистерезисной петли, расположенной во втором квадранте декартовой системы координат (рис. 3.2, а). Положение рабочей точки A на этой кривой определяется конфигурацией магнитной цепи системы с постоянным магнитом. Индукцию B_A называют остаточной индукцией в разомкнутой цепи.

Рис. 3.1. Кольцевые магнитные сердечники

Удельную магнитную энергию в единице объема воздушного зазора d (рис. 3.1, б) можно рассчитать по формуле (3.1).

(3.1)

где В_A и H_A индукция и напряженность магнитного поля соответствующие точки A (рис. 3.2, а) соответственно.

Таким образом, энергия W_A пропорциональна площади прямоугольника со сторонами B_A и H_A.

Очевидно, что из-за отсутствия внешних токов сумма намагничивающих сил сердечника с воздушным зазором должна быть равной нулю. Т. е. можно записать:

Hl+H_d·d=0, (3.2)

где Hl = F – намагничивающая сила ферромагнитного сердечника; H_d·d = F_d – намагничивающая сила воздушного зазора.

Из выражения (3.2) несложно получить выражения, определяющие как напряженность магнитного поля в воздушном зазоре (3.3), так и напряженность магнитного поля внутри самого сердечника (3.4).

(3.3)

(3.4)

где Н_d – напряженность магнитного поля в единице воздушного зазора; Н_c – напряженность магнитного поля в магните; l – длина средней линии тороида (рис. 3.1, a); d – ширина воздушного зазора.

Таким образом, внутри сердечника существует отрицательная напряженность магнитного поля, которая определяется как величиной индукции, так и относительной величиной зазора.

При изменении воздушного зазора точка A будет перемещаться на кривой размагничивания. Если зазор между полюсами отсутствует, то B_A=B_r, а W_A=0, так как H_A=0. Если зазор очень велик, то W_A также будет стремиться к нулю, вследствие того, что B_A=0, а H_A=H_c. При некоторых значениях B_A и H_A равных наибольшим возможным значениям, удельная магнитная энергия достигает максимального значения W_max.

Рис. 3.2. Петли гистерезиса различных магнитных материалов

Параметр W_max является важнейшим при оценке качества магнитотвердого материала. Иногда вместо W_max пользуются пропорциональной ей величиной (BH)_max, называемой энергетическим произведением.

Максимальная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция B_r, коэрцитивная сила H_c и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала, оцениваемый согласно выражению (3.5).

(3.5)

В процессе эксплуатации магнита положение рабочей точки не остается постоянным. При этом изменение магнитного состояния происходит по кривым возврата, представляющим собой частные петли гистерезиса, одна из вершин которых лежит на кривой размагничивания. Кривые возврата являются весьма узкими, в связи с чем, их допустимо заменять прямыми возврата (отрезок CD на рис. 3.2, a), ход которых оценивается коэффициентом возврата:

где ∆B изменение индукции, соответствующее изменению ∆H.

Кроме основных параметров магнитотвердых материалов (W_max, γ, μ_∆) часто имеют существенное значение их механические свойства (прочность, пластичность и т. п.). При этом, особенно важным для некоторых случаев является вопросы стабильности магнитных свойств данного конкретного образца.

Внутри своей группы, магнитотвердые материалы принято классифицировать по основному способу их производства:

• литые магнитотвердые материалы (составляют 80 % всех магнитотвердых материалов) – магниты на основе сплавов Fe-Ni-Al-Co, легированных медью, титаном, ниобием и некоторыми другими элементами;

• порошковые магнитотвердые материалы – магниты, получаемые путем прессования порошков, с их последующей термической обработкой;

• магнитотвердые ферриты – класс магнитотвердых материалов, характеризующийся высокой устойчивостью к размагничиванию и хорошей коррозионной стойкостью;

• сплавы на основе редкоземельных элементов – магниты, изготавливаемые прессованием или литьем из интерметаллида Nd₂Fe₁₄B.