Электротехнические материалы

виях даже слабого внешнего поля векторы доменов начинают ориентироваться в направлении этого поля. Когда магнитные моменты всех доменов оказываются сориентированными в направлении внешнего магнитного поля, наступает магнитное насыщение.

Спонтанной намагниченностью обладают только те материалы, атомы которых имеют недостроенные внутренние электронные оболочки. Так, например, атом железа (рис. 17) содержит 26 электронов в четырех оболочках. На 4S-оболочке находится два электрона со спинами, имеющими противоположные направления (+ и ); о таких спинах говорят, что они взаимокомпенсированы. На подоболочке 3d находится 6 электронов, из них у 4 электронов спины не скомпенсированы, эта оболочка недостроена, так как в ней вместо 6 могло бы располагаться 10 электронов. Атомы с недостроенными внутренними оболочками и не скомпенисрованными спинами обладают определенным магнитным моментом, который под влиянием внешнего магнитного поля увеличивается, создавая суммарный магнитный момент всего тела.

Рис. 17. Электронные оболочки в атоме железа (цифры указывают количество электронов на подоболочках; направления спинов обозначены «+» и «–»; подоболочка 3 недостроенная)

61

Если ферромагнитное тело поместить в магнитное поле и постепенно увеличивать его напряженность Н, то магнитная индукция В будет меняться по кривой 0абв (рис. 18), называемой кривой первоначального намагничивания. Магнитная индукция плотность магнитного потока определяется как сумма внешнего Н и внутреннего М магнитных полей. В = 0 (Н + М), где 0 магнитная постоянная, равная 4 10 7 Гн/м. В слабых магнитных полях намагничивание происходит за счет увеличения объема доменов, направление векторов намагничивания которых близко к направлению вектора внешнего магнитного поля. Этот процесс идет за счет смещения стенок доменов, его сокращенно называют процессом смещения.

Рис. 18. Изменение положения доменов при намагничивании: 0 без магнитного поля; а и б при увеличении магнитного поля; в материал намагничен до насыщения

В более сильных полях (Н велико) намагничивание происходит за счет того, что магнитные моменты доменов поворачиваются в ту сторону, в которую направлено внешнее поле. Эти процессы именуются процессами вращения. В области очень сильных полей увеличения магнитной индукции практически не происходит, так как почти все моменты уже ориентированы по полю. Магнитная индукция, отвечающая этому состоянию, называется индукцией насыщения ВS.

62

Если теперь уменьшить напряженность внешнего поля Н, то магнитные моменты доменов начнут поворачиваться в обратных направлениях, однако суммарный магнитный момент при Н = 0 не обращается в нуль. В материале сохраняется преимущественная ориентировка части магнитных моментов доменов. Явление отстаивания изменений индукции от изменений напряженности поля называется гистерезисом.

По кривой первоначального намагничивания и петле гистерезиса определяются основные характеристики (параметры) ферромагнитных материалов (рис. 19).

Рис. 19. Петля гистерезиса с первичной кривой намагничивания и графиком магнитной проницаемости

Состояние намагниченности материала принято оценивать магнитным потоком через единицу площади поперечного сечения (1 м2). Эта величина называется магнитной индукцией В, измеряемой в теслах (Т).

Магнитное поле характеризуется величиной, называемой напряженностью внешнего магнитного поля. Данная величина обозначается буквой Н и измеряется в амперах на метр (А/м).

63

Способность материала намагничиваться в магнитном поле оценивается величиной μ, которая называется магнитной проницаемостью. Величина μ для каждой точки кривой первоначального намагничиванияопределяетсякакотношениекоординатВ кН, Гн/м,

HB .

Если напряженность магнитного поля Н близка к нулю, то величина μ называется начальной магнитной проницаемостью и обозначается μ0. При увеличении напряженности магнитного поля магнитная проницаемость возрастает до максимального значения μmax, а затем уменьшается (см. рис. 19).

Кроме абсолютной магнитной проницаемости , используют безразмерную относительную магнитную проницаемость 0.

По предельной петле гистерезиса определяются следующие характеристики:

ВS магнитная индукция, соответствующая состоянию технического насыщения материала;

Вr остаточная магнитная индукция, которая наблюдается в материале при напряженности внешнего поля, равной нулю (Н = 0). Величина Вr характеризует отставаниеразмагничиванияобразца;

Нс коэрцитивная (удерживающая) сила, численно равная такой напряженности магнитного поля, которую необходимо приложить к образцу для снятия остаточного магнетизма (Вr = 0).

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях всегда наблюдаются потери энергии в форме тепла.

В условиях низких частот величина магнитных потерь пропорциональна площади петли гистерезиса. При высоких частотах магнитные потери складываются из потерь на гистерезис (Рr), потерь на вихревые токи (Рв) и потерь на магнитное последействие

(Рпд).

Р = Рr + Рв +Рпд.

Потери на гистерезис характеризуют энергию внешнего поля, расходуемую на смещение границ доменов и поворот их магнитных

64

моментов. Потери на гистерезис пропорциональны частоте тока и тем выше, чем больше коэрцитивная сила и неоднородность материала.

Величина потерь на вихревые токи пропорциональна квадрату частоты тока и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению магнитного материала. Снижение потерь на вихревые токи может быть обеспечено увеличением электрического сопротивления материала. Кроме потерь мощности, вихревые токи создают размагничивающее поле, препятствуя намагничиванию и уменьшая магнитную индукцию. Потери на последействие малы по сравнению с остальными и аналитическому расчету не поддаются.

4.2. Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы характеризуются высокой магнитной проницаемостью , малой коэрцитивной силой Нс и малыми магнитными потерями при перемагничивании. Они широко используются в качестве сердечников трансформаторов, дросселей, якорей, статоров электромашин, электромагнитов и др.

По применению магнитно-мягкие материалы разделяют на низкочастотные и высокочастотные.

4.2.1.Низкочастотные магнитно-мягкие материалы

Книзкочастотным магнитно-мягким материалам относятся технически чистое железо, электротехническая (кремнистая) сталь, железоникелевые сплавы.

Техническое железо или армко-железо получают мартеновским способом или в электропечах; оно содержит незначительное

количество углерода (до 0,025 %) и выпускается трех марок: Э нормального качества, ЭА повышенного качества и ЭАА высшего качества, которые отличаются разными значениями max и Нс. Вследствие малого значения удельного электрического сопротивления ( 0,1 мкОм м) техническое железо используется в основном для магнитопроводов электрических машин и приборов постоянного тока. В отдельных случаях его применяют для изготовления сер-

65

дечников электромагнитов, работающих на низких частотах в средних и сильных магнитных полях.

Электролитическое железо содержит значительно меньшее количество примесей (углерода не более 0,01 %), ввиду чего резко улучшаются магнитные характеристики, особенно μ и Нс. Получают его методом электрической очистки с последующей переплавкой в глубоком вакууме. Это железо очень дорогое, и поэтому находит ограниченное применение.

Карбонильное железо содержит ничтожное количество примесей (углерода не более 0,005 %). Получают его методом термического разложения пентакарбонила железа:

Fe CO 5 Fe 5CO

Стоимость карбонильного железа еще больше, чем электролитического, поэтому применяется оно в особо точных приборах

с малой Нс.

Электротехнические (кремнистые) стали являются основным магнитно-мягким материалом в электро- и трансформатостроении, представляющим собой сплавы железа с кремнием. Их получают в мартеновских и электрических печах; они содержат не более 0,1 % углерода и 0,8–4,8 % кремния. Присадка кремния повышает удельное электрическое сопротивление стали и уменьшает площадь петли гистерезиса, что ведет к снижению потерь на вихревые токи

игистерезис. Электротехнические стали выпускаются в виде листов толщиной от 0,05до 0,5 мм.

Иногда для повышения магнитных свойств с помощью термомеханической обработки изготавливается текстурованная сталь. В таком случае микрокристаллы стали направлены параллельно прокатке, и магнитные свойства в этом направлении много выше, чем у сталей, не подверженных подобной обработке.

Листовая электротехническая сталь производится следующих марок: Э11, Э12, Э21, Э31, Э34, Э310, Э320, Э340, Э41, Э42, Э43

идр. Буква Э означает, что сталь электротехническая, первая цифра указывает на содержание кремния в процентах; вторая цифра харак-

66

теризует магнитные свойства; цифры 1, 2, 3 гарантируют потери (обычные, пониженные или совсем малые) при частоте 50 Гц, цифра 0 означает, что сталь текстурованная (табл. 8).

Таблица 8

Основные свойства низкочастотных магнитно-мягких материалов

Применяются электротехнические стали в сердечниках статоров и роторов электрических машин (динамные стали), трансформаторов, дросселей, реле и т.д.

Пермаллои относятся к железоникелевым сплавам, содержащим никеля от 35 до 85 %. С увеличением содержания никеля повышается магнитная проницаемость, но снижается удельное электрическое сопротивление. Обладая исключительно высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой, пермаллои представляют собой очень ценные материалы для радиотехники

иприборостроения.

Косновным недостаткам пермаллоев относятся относительно низкое удельное электросопротивление и большая чувствительность к наклепу. Вследствие этого с ростом частоты сильно увели-

67

чиваются потери на вихревые токи и понижается магнитная проницаемость, поэтому пермаллои применяются для работы в цепях постоянного тока и в переменных полях с частотой не выше 100 кГц.

Магнитные свойства пермаллоев существенно улучшаются путем легирования их некоторыми элементами. Так, добавки (2–5 %) молибдена повышают удельное электросопротивление и уменьшают чувствительность к наклепу. Введение 3–5 % хрома, до 10 % марганца и до 3 % кремния резко повышает удельное электрическое сопротивление, а добавки меди до 5–15 % обеспечивают постоянство проницаемости в слабых магнитных полях.

Высоконикелевые легированные пермаллои марок 80НХС, 79НМ, 79НМА обладают наибольшей магнитной проницаемостью и достаточно высоким электросопротивлением. Эти сплавы применяются для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов и реле, магнитных экранов толщиной не более 20 мкм, сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле.

Низконикелевые пермаллои марок 38НС, 42НС, 50НХС отличаются более высоким электросопротивлением, вследствие чего они применяются для сердечников катушек индуктивности и трансформаторов при повышенных частотах, а также в вычислительной технике для изготовления головок магнитной записи электрических импульсов.

Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса, которые широко используют в вычислительной технике и устройствах автоматического управления. Отличительная особенность таких материалов большая остаточная индукция Вr, близкая к ВS, коэффициент прямоугольности а = Вr/ВS у них достигает 0,85–0,90 в поле напряженностью Н = 800 А/м. Толщина ленты из сплавов 50НП и 65НП составляла 0,1 мм, а из сплава 79НМП

0,003 мм.

У сплава 50НП прямоугольность петли достигается прокаткой, а у сплавов 65НП и 79НМП путем обработки в магнитном поле (рис. 20). Сердечники, изготовленные из анизотропных лент

68

толщиной 3 мкм, могут работать при частотах 700 кГц, а при толщине 1,5 мкм до 1 МГц.

Дороговизна и дефицитность пермаллоев привели к разработке дешевых заменителей, наиболее распространенным их которых является альсифер (сплав железа с алюминием и кремнием), отличающийся высокой твердостью и хрупкостью; изделия из него изготавливаются литьем. Альсифер дешевый сплав с малыми магнитными потерями и высокой магнитной проницаемостью. Применяется он для изготовления магнитных экранов, магнитопроводов и деталей приборов в постоянных полях, а в виде порошка для изготовления магнитодиэлектриков, работающих в высокочастотном диапазоне.

Пермендюр сплав железа с кобальтом (50%), ванадием (1,8– 2,0 %) отличается повышенной индукцией насыщения. Применяется для изделий, концентрирующих магнитный поток в осциллографах, телефонах, микрофонах, репродукторах и других приборах (полюсные наконечники и сердечники).

Аморфные металлические сплавы разделяют на железные,

железоникелевые и кобальтовые. Они содержат 20–25 % элементоваморфизаторов (P, B, Si, C), а также добавки Cr, Mo, Mn, Y, Nb. Основной технологией получения лент с аморфной структурой является быстрая закалка расплава. Изделия из ленты изготавливают вырубкой, гибкой, навивкой.

4.2.2. Высокочастотные магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкими материалами высокочастотной техники являются магнитодиэлектрики и ферриты.

69

Магнитодиэлектрики представляют собой вещества, получаемые путем прессования порошков из магнитно-мягких материалов в смеси с электроизоляционной связкой. Структуру таких материалов составляют отдельные частицы ферромагнетика, разделенные диэлектриком (рис. 21).

Рис. 21. Строение магнитодиэлектрика:

ачастицы ферромагнетика; б диэлектрик

Вкачестве ферромагнитных порошков применяется карбонильное железо, альсифер, магнетит, изолирующей связкой служит полистирол, шеллак, фенолформальдегидная смола или стекло, содержание которого колеблется от 0,8–15 %.

Диэлектрик, изолируя частицы магнитно-мягкого материала, способствует резкому уменьшению потерь на вихревые токи, поскольку вихревые токи замыкаются в пределах областей, ограниченных размерами зерен. Наличие диэлектрика между ферромагнитными частицами вызывает резкое увеличение электросопротивления и снижает магнитную проницаемость. Чем меньше ферромагнитного порошка и больше диэлектрика, тем меньше проницаемость, но тем выше ее постоянство по напряженности. Такие сердечники обладают меньшими потерями на перемагничивание

имогут применяться до более высоких частот.

Технология изготовления магнитодиэлектриков включает процессы тщательного перемешивания магнитного порошка с диэлектриком, прессования изделий необходимой формы и их термической обработки (отжига).

Магнитодиэлектрики применяются для изготовления сердечников контурных катушек индуктивности приемников и генераторов, катушек частотомеров, фильтров, дросселей.

70