3 Класифікація магнітних матеріалів

За поведінкою в магнітному полі всі магнітні матеріали ділять на дві основні групи: магнітом’які та магнітотверді.

Магнітом'які матеріали мають великі значення початкової і максимальної магнітної проникності і малу коерцитивну силу (H_с  4000 А/м). Ці матеріали легко намагнічуються і розмагнічуються. Вони відрізняються малими втратами на гістерезис, тобто їм відповідає вузька петля гістерезису при високій магнітній індукції.

Рівень магнітних характеристик магнітом’яких матеріалів залежить від їх хімічної чистоти і ступеня зміни їх кристалічної структури. Чим менше різних домішок в магнітом’якому матеріалі, тим вищий рівень його характеристик, тобто тим більше і і тим менше Н_с і втрати на гістерезис. Тому при виробництві магнітом’яких матеріалів ретельно виділяють із них найбільш шкідливі домішки – вуглець, фосфор, сірку, кисень, азот і різні окисли. Одночасно намагаються не викривляти кристалічну структуру матеріалу і не викликати в ньому внутрішніх напружень. Із магнітом’яких матеріалів із округлою петлею гістерезису виготовляють осердя електричних машин, трансформаторів, реле та інших електричних апаратів. Із магнітом’яких матеріалів із прямокутною петлею гістерезису виготовляють пристрої магнітної пам’яті.

Магнітотверді матеріали мають велику коерцитивну силу (H_с 4000 А/м) і велику залишку індукцію (В_r 0,1 Тл). В них широка петля гістерезису. Ці матеріали важко намагнічуються, а будучи намагніченими, можуть декілька років зберігати магнітну енергію, тобто служать джерелом постійного магнітного поля. Магнітотверді матеріали використовують, головним чином, для виготовлення постійних магнітів.

За складом всі магнітні матеріали поділяються на металеві і неметалеві. До металевих магнітних матеріалів відносять чисті метали (залізо, кобальт, нікель) і магнітні сплави деяких металів. До неметалевих магнітних матеріалів відносять ферити.

4 Магнітом’які матеріали.

Основними металевими магнітом’якими матеріалами, які використовуються в електротехніці, є низьковуглецева сталь, крем’янисті електротехнічні сталі, пермалої, альсифери та ін.

Технічно чисте залізо містить мало домішок (0,05…0,1%). Його одержують або шляхом електролізу (електролітичне залізо), або шляхом термічного розкладання пентакарбонілу заліза (Fe(CO)₅) (карбонільне залізо). Недоліком чистого заліза є низьких питомий електричний опір. Залізо володіє високими магнітними властивостями в постійних полях.

Основні характеристики: _п = 250…400; _мах = 3500…4500;  = 0,1 ∙ 10^-6 Ом м; В_S = 2,18 Тл; Н_С = 50…100 А/м.

Технічно чисте залізо використовується для виготовлення виробів, які призначені для роботи в постійних магнітних полях. Залізо також використовується для одержання феромагнітних сплавів.

Низьковуглецева електротехнічна сталь – різновид чистого заліза. До її складу входить 0,04 % вуглецю та не більше 0,6% домішок. Магнітна проникність _мах  3500…4500, коерцитивна сила Н_с  65 – 100 А/м.

Крем’яниста електротехнічна сталь – це низьковуглецева сталь (0,08 % вуглецю), в яку вводять кремній (0,8…4,8 %) з метою поліпшення її магнітних властивостей (підвищення питомого електричного опору, початкової магнітної проникності, зниження коерцитивної сили та зниження магнітних втрат). Значне підвищення вмісту кремнію підвищує крихкість сталі, вона стає непридатною до штампування.

Розрізняють гарячекатану та холоднокатану крем’янисту сталь. Холоднокатані крем’янисті сталі, в яких кристали заліза розміщені переважно в напрямку прокатки, називаються текстурованими. Магнітні властивості таких сталей вздовж прокатки значно вищі, а ніж поперек прокатки.

Основні характеристики: _п = 200…600; _мах = 3000…8000;  = (0,17…0,6) ∙ 10^-6 Ом м; В_S = 1,95…2,02 Тл; Н_С = 10…65 А/м.

Електротехнічна сталь виготовляється у вигляді листів, рулонів або стрічок і призначається для виготовлення магнітопроводів. Для зменшення втрат на вихрові стуми на листи може наноситися електроізоляційний лак.

Пермалої – пластичні залізо-нікелеві сплави із вмістом нікелю від 36 до 80 %. З метою покращення тих або інших властивостей у сплави вводять молібден, хром, мідь, марганець та кремній, отримуючи при цьому леговані пермалої.

Пермалої, які містять 36…50 % нікелю, називаються низьконікелевими, а 60…80 % – високонікелевими.

Всі пермалої відрізняються високим рівнем магнітних характеристик. Це забезпечується не тільки їх складом і хімічною чистотою сплаву, а також спеціальною термічною обробкою. Сплав нагрівається зі швидкістю 400..500°С в годину, витримується протягом 3…6 годин при температурі 1000…1150°С і потім повільно охолоджується зі швидкістю 100...200°С за годину до кімнатної температури. Деяким пермалоям потрібне повторне нагрівання до 600°С і швидке охолодження з швидкістю 150°С в хвилину.

Кращі магнітні характеристики пермалоїв досягаються при випаленні їх у вакуумі.

Малими втратами на вихрові струми володіють леговані пермалої із підвищеними значеннями магнітних характеристик.

Основні характеристики низьконікелевих пермалоїв: _п = 1500…4000; _мах = 15000…60000;  = (0,45…0,9) ∙ 10^-6 Ом ∙ м; В_S = 1,0…1,6 Тл; Н_С = 5…32 А/м.

Основні характеристики високонікелевих пермалоїв: _п = 700…100000; _мах = 50000…300000;  = (0,16…0,85) ∙ 10^-6 Ом ∙ м; В_S = 0,65…1,05 Тл; Н_С = 0,65…6 А/м.

Всі види пермалоїв чутливі до механічних деформацій матеріалу: наклепу при різанні, штампуванні і інших механічних діях. Тому деталі із пермалоїв, отримані таким чином, потребують додаткової термічної обробки – випалення. Також недоліком пермалоїв є їх висока вартість.

Пермалої виготовляють у вигляді стрічок товщиною 0,002…0,5 ∙ 10^-3 м, листів товщиною 1..2 ∙ 10^-3 м і прутків діаметром 5…50 ∙ 10^-3 м і більше. Низьконікелеві пермалої застосовують для виготовлення осердь дроселів, малогабаритних трансформаторів і магнітних підсилювачів, високонікелеві – деталей апаратури, які працюють при частотах вищих за звукові. Магнітні характеристики пермалоїв стабільні в інтервалі температур від –60 до +60°С.

Альсифери – нековкі крихкі сплави, які складаються з 5,5…13% алюмінію, 9…10% кремнію, решта – залізо. Промислові зразки альсиферів мають наступні характеристики: = 35500; = 120000; Н_с=1,8 А/м;  = 0,8 ∙ 10^-6 Ом м; В_S = 1,0 Тл.

Альсифери призначалися для заміни дорогих пермалоїв, але вони замінили пермалої у порівняно обмеженій області застосування. Із альсиферів виготовляють відлиті осердя, які працюють у діапазоні частот не більше 20 кГц, бо на більш високих частотах у них виникають великі втрати на вихрові струми. Із альсиферів виливають деталі з товщиною стінки не менше 2 ∙ 10^-3 м – екрани, корпуси приладів, деталі магнітопроводів.

Також існує ряд магнітом’яких матеріалів із спеціальними магнітними властивостями.

Пермінвар – це трійний сплав (25% Со, 45% Ni, 30% Fe). Магнітна проникність пермінвару після спеціальної термічної обробки у вакуумі становить  = 300, і залишається постійною при напруженості поля від 0 до 160 А/м, В_S = 1,55 Тл.

Пермендюр – трійний сплав (30…50% Со, 1,5…2% V, все інше – залізо). Сплав має найбільшу індукцію насичення серед феромагнетиків – В_S = 2,43 Тл.

До сплавів із спеціальними магнітними властивостями відносяться також: кальмалой (Сu-Ni), термалой (Fe-Ni), ізотерм (Fe-Ni-Al-Cu) та ін.