14.4. Магнитные материалы

Магнитные материалы в основном играют роль концентраторов, про­водников и источников магнитного потока. Они используются для произ­водства генераторов и двигателей, трансформаторов, аппаратов, электро­магнитов и т.п.

В общем случае все магнитные материалы подразделяются на две большие группы: магнитомягкие и магнитотвердые. Первые в основном применяются как проводники магнитного потока, а вторые — как источ­ники магнитного поля.

Основными характеристиками магнитных материалов являются: коэр­цитивная сила Н_с, индукция насыщения B_s, остаточная индукция B_r, мак­симальная напряженность магнитного поля Н_тах и магнитная проницае­мость µ_а. Эти характеристики могут быть определены по кривой (петле) магнитного гистерезиса для магнитного материала (рис. 14.1).

Магнитную проницаемость \х_а можно определить в любой точке кри­вой по выражению

μ_a = B/H. (14.5)

Следует отметить, что магнитная проницаемость бывает абсолютной ц_а и относительной ц. В технике наиболее часто используют величину относительной магнитной проницаемости, которую можно определять

Рис. 14.1. Типичная кривая гистерезиса

для различных точек основной кривой намагничивания и при различных воздействиях, получая начальную, амплитудную, дифференциальную и др. значения ц соответственно.

У магнитомягких материалов коэрцитивная сила Н_с (Н_с < 4 кА/м) малая величина, а у магнитотвердых — большая (Н_с > 4 кА/м), поэтому магнитомягкие материалы применяют прежде всего для работы в пере­менных магнитных полях (или, говорят, «в динамических режимах»), а магнитотвердые — в статическом режиме.

Магнитомягкие материалы обычно подразделяют на группы:

технически чистое железо (менее 0,1 % углерода и других примесей в составе);

электротехнические листовые стали (менее 0,05 % углерода и 0,7— 4,8 % кремния в составе);

сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью и,;

сплавы с постоянной магнитной проницаемостью ц;

сплавы с большой индукцией насыщения В₅;

сплавы со специальными свойствами;

ферриты.

Технически чистое железо бывает двух типов — электролитическое и карбонильное. Электролитическое железо применяется в постоянных полях, когда требуется большая индукция насыщения В_{5 .} Карбонильное железо используется для изготовления магнитопроводов в высокочастот­ной электротехнике. Технически чистое железо в других устройствах практически не применяется из-за относительно низкого удельного элек­трического сопротивления р.

Листовые электротехнические стали подразделяются по способу про­катки (горячекатаные и холоднокатаные) и используются только в виде тонких (до 0,05 мм) листов, поверхность которых покрывается электро­изоляционным лаком.

В зависимости от содержания кремния в стали меняется область при­менения - для электрических машин, работающих в постоянном магнит­ном поле, или для машин переменного тока, а также для изготовления магнитопроводов трансформаторов.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях имеют в своем составе помимо железа другие элементы — никель, молибден, хром, марганец, кремний, алюминий. Наиболее известными материалами этой группы являются пермаллои — сплавы железа с нике­лем. Классический пермаллой имеет состав 78,5 % Ni и 21,5 % Fе. Сплав супермаллой имеет приблизительный состав 79 % Ni, 15 % Fе, 5 % Мо и 0,5 % Мп. К этой же группе материалов относятся альфенол (сплав железа с 15 % А1) и алъсифер (сплав железа с 10 % 31 и 5 % А1) и др. Сплавы

применяются для изготовления магнитопроводов малогабаритных транс­форматоров, реле, магнитных экранов и т.п.

Самым известным материалом с постоянной магнитной проницаемо­стью ц является сплав, называемый перминвар (45 % Ni, 30 % Fе, 20 % Со), и имеющий μ = 450. К этим же материалам может быть отнесен и пермаллой, легированный 2—3 % серебра.

Наибольшей индукцией насыщения В_! (до 2,4 Тл) наряду кремнистыми электротехническими сталями отличаются сплавы железа с кобальтом, легированные ванадием (49—70 % Со, 2 %Wn). Такие сплавы носят название пермендюр. Они достаточно дорогие, и применяются только в специализированной аппаратуре (осциллографы, репродукторы, мем­браны и др.).

Ферриты различных типов обычно применяются для изготовления магнитопроводов и работают в очень широком диапазоне частот. Досто­инством ферритов является то, что изменением состава и структуры можно управлять их свойствами.

В настоящее время активно применяются аморфные магнитомягкие сплавы для магнитных компонентов и устройств электротехники и элект­роники. Материалы характеризуются высокой магнитной проницаемо­стью μ, малым значением коэрцитивной силу Н_с, высокой индукцией насыщения В_S, высоким электрическим сопротивлением, твердостью, износостойкостью коррозионной и радиационной стойкостью.

Свойства аморфных сплавов

Тип сплава	µmax 104	Нс, А/м	ВS Тл	р, Ом * м	ТРАБ °С	Применение
На основе железа	4—15	3—15	1,3—1.61	1,2—1,3	от -60 до+125	Силовые трансформаторы, дроссели, строчные трансформаторы
Железо-никелевые	15-20	4—14	1,15—1.5	1,3	От-60 до+130	Силовые трансформаторы, высокочастотные магнитные усилители, фазовращатели
Железо-кобальтовые	5—80	0,33—12	0,48—1,5	0,73—1,6	от-60 до+125	Силовые и высокочастотные силовые трансформаторы, высокочастотные магнитные усилители, ключи, экраны

В зависимости от химического состава эти сплавы разделяют на три группы:

на основе железа (аморфные стали);

железоникелевые;

железокобальтовые.

Некоторые свойства сплавов приведены в табл. 14.11.

К основным недостаткам аморфных магнитомягких сплавов относится недостаточная термическая и временная стабильность, меньшие значе­ния индукции насыщения В₅ и температуры Кюри, чем у кристалличе­ских сплавов.

Магнитотвердые материалы имеют не только большую коэрцитив­ную силу H_с, но и высокие значения остаточной индукции. Среди этих материалов надо выделять:

легированные мартенситные стали. Они имеют названия в соответ­ствии с названиями легирующей присадки: хромовые (до 3 % Cr), воль­фрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). Используются для изготовления наименее ответственных постоянных магнитов;

сплавы типа алъни. Это сплавы железа с никелем (20-—-30 %) и алюми­нием (11—13 %). Могут быть также добавки меди и титана. Из них изго­тавливаются постоянные магниты литьем или методами порошковой металлургии, так как они очень тверды и хрупки;

сплавы типа альнико. Здесь в состав сплавов входят еще кобальт, медь, титан и ниобий. Эти сплавы дороже сплавов альни, но из них можно изго­тавливать постоянные магниты меньшей массы с теми же магнитными свойствами;

магнитотвердые ферриты. Коэрцитивная сила у них может достигать 240 кА/м, а остаточная индукция В_г невелика. Они изготавливаются короткими по оси магнита, но имеют большую площадь.