К статическим ЭМУ также относятся безвитковые дроссели* (см. § 2.5), магнитопроводы которых выполнены в виде полых цилиндров или многоотверстных пластин).
Конструкции магнитопроводов ЭМУ не ограничиваются вышеприведенными вариантами и могут иметь форму гантели, рамки, куба и т. п. – в зависимости от конструктивных особенностей ЭМУ. Наиболее простые магнитопроводы обычно выполняют в виде стержней, они применяются для создания электромагнитных реле, антенн, датчиков и других устройств.
Достаточно сложные конструкции имеют магнитопроводы устройств, в которых происходит прямое или обратное преобразование электромагнитной энергии в механическую (например, магнитопроводы вращающихся электрических машин – см. § 2.5). В таких устройствах используются формованные или пластинчатые магнитопроводы.
§ 2.4. Материалы магнитопроводов электромагнитных устройств
При выборе материалов для изготовления магнитопроводов ЭМУ учитывают требования, изложенные в § 2.2.
Электротехнические стали, которые используются при производстве магнитопроводов, можно разделить на нелегированные и легированные.
Нелегированные электротехнические стали по химическому составу соответствуют технически чистому железу, они значительно дешевле легированных. Пластинчатые и ленточные магнитопроводы из нелегированных электротехнических сталей обладают изотропными магнитными свойствами в плоскости пластины или ленты. Магнитные свойства формованных магнитопроводов не зависят от направления. Стали этого класса имеют высокую магнитную индукцию: от 1,38 до 2,05 Тл соответственно при изменении напряженности магнитного поля от 500 до 30 000 А/м. Низкое удельное электрическое сопротивление (меньше 0,1 мкОм ∙ м) вызывает большие потери на вихревые токи, увеличивающиеся с ростом частоты перемагничивания. В связи с этим на частотах более 500 Гц применение не-
* Безвитковые дроссели – устройства, состоящие из токонесущего проводника (или стержня), на который надет ферромагнитный сердечник (ГОСТ 30382).
46
легированных электротехнических сталей для создания магнитопроводов нецелесообразно. Существенным недостатком сталей данного класса является низкая коррозионная стойкость в атмосферных условиях. Для ее повышения проводят химико-термическую обработку (например, диффузное насыщение поверхности алюминием или хромом), формирующую на поверхности стали одноили многокомпонентные защитные покрытия*. Нелегированные стали применяются для изготовления магнитопроводов, работающих в постоянных и медленно изменяющихся магнитных полях низковольтных реле, переключателей и других подобных устройств, а также в некоторых электродвигателях (в случаях, когда потери на вихревые токи не превышают 8…16 %). Максимальная магнитная проницаемость нелегированных электротехнических сталей не превышает 3500…4500.
Легированные электротехнические стали представляют собой сплав железа и кремния (0,5…5,0 %) при массовой доле углерода менее 0,05 %. Легирование кремнием, с одной стороны, приводит к увеличению начальной и максимальной магнитных проницаемостей, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис, а с другой – ухудшает механические свойства материала. Увеличение содержания кремния более 5 % приводит к тому, что твердость и хрупкость стали не позволяют штамповать из нее пластины и, соответственно, изготавливать из них магнитопроводы. Легированные электротехнические стали широко используются при производстве ЭМУ всех типов.
Кроме состава на свойства электротехнических сталей влияет технология их изготовления. При обработке давлением сталь может подвергаться дополнительному разогреву. К таким сталям относятся горячекатаные и кованые. Если в технологическом процессе отсутствует дополнительный разогрев, то такие стали относятся к калиброванным (например, холоднокатаным). Несмотря на более высокую трудоемкость изготовления, в основном применяются калиброванные стали, что объясняется получаемой при их производстве кристаллической структурой. Калиброванная и горячекатаная стали
* Применение такой обработки может в некоторых пределах изменить магнитные свойства стали.
47
отличаются размерами кристаллитов. Холодная прокатка позволяет получить сталь крупнокристаллического строения, обладающую большей магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой по сравнению со сталью горячей прокатки.
Легированные электротехнические стали выпускаются с изотропными и анизотропными магнитными свойствами. Анизотропия обеспечивается сочетанием холодной прокатки с отжигом – нагревом до определенной температуры и последующим медленным охлаждением. В результате кристаллиты приобретают пространственную ориентацию, соответствующую направлению прокатки. Вследствие этого направление ОЛН совпадает с направлением прокатки, что обеспечивает в указанном направлении наилучшие магнитные свойства. Магнитопроводы из таких сталей изготавливают ленточными или пластинчатыми.
Легированные электротехнические стали, по сравнению с нелегированными, обладают повышенным удельным электрическим сопротивлением и используются для создания магнитопроводов, работающих на частотах не более 5 кГц (при малых толщинах листов и лент).
Сплавы прецизионные магнитно-мягкие – это магнитомягкие материалы, к которым относят нелегированные и легированные двойные железоникелевые (пермаллои), железокобальтовые (пермендюры) и железохромистые сплавы, а также тройные железоникелькобальтовые сплавы с высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. По сравнению с электротехническими сталями максимальная магнитная проницаемость таких сплавов существенно выше и обычно составляет 8000…350 000*. Максимальная индукция сплавов в зависимости от их состава находится в диапазоне 0,63…1,5 Тл. Однако на частотах 15…20 кГц потери мощности достаточно велики, что вынуждает снижать рабочую индукцию маг-
нитопровода до 0,3…0,2 Тл (см. (1.10) и (1.11)).
Себестоимость сплавов этой группы выше себестоимости электротехнических сталей, что обусловлено более дорогостоящими ком-
* Для тройных сплавов и пермаллоя с содержанием никеля 68 % максимальная магнитная проницаемость достигает значений 600 000 и 800 000 соответственно.
48
понентами и особенностями получения (специальные способы выплавки, обеспечивающие заданное соотношение компонентов металла, например вакуумно-индукционная выплавка и др.). Высокие значения максимальной магнитной проницаемости достигаются за счет уменьшения магнитной анизотропии специальной термообработкой (отжигом), которая позволяет уменьшить внутренние напряжения. Несмотря на термообработку такие сплавы не выдерживают пластической деформации, которая приводит к уменьшению магнитной проницаемости и увеличению коэрцитивной силы. Магнитопроводы, выполненные из этих материалов, требуют дополнительной защиты, поэтому их устанавливают в корпуса или закрывают защитными кожухами.
Из вышеперечисленных прецизионных сплавов наиболее широко применяются пермаллои. Высокая магнитная проницаемость и большее́ (по сравнению со сталями) удельное электрическое сопротивление позволяют использовать пермаллоевые магнитопроводы вплоть до диапазона радиочастот. Применение пермендюров в основном ограничено устройствами, работающими в сильных полях*, к которым относятся полюсные наконечники электромагнитов, пластины малогабаритных электродвигателей и прочие устройства, сосредоточивающие магнитный поток в небольшом объеме. Пермендюр имеет высокую температуру Кюри (980 °С для сплава 49КФ).
Прецизионные сплавы обычно используются на частотах до 20 кГц.
Аморфные и нанокристаллические сплавы используются для изготовления ленточных магнитопроводов, имеющих толщину лент 15…40 мкм. В аморфных ферромагнитных сплавах магнитная анизотропия, обусловленная кристаллической структурой, отсутствует. Вместе с тем установлено, что структура реальных аморфных сплавов не является идеально однородной, в ней присутствуют как микронеоднородности, так и больших́ размеров неоднородности, обусловленные технологией получения и топологическим химическим упорядочением атомов сплава. Они могут присутствовать в расплаве и затем наследоваться твердым состоянием благодаря высокой скорости закалки. Та-
* Деление носит достаточно условный характер, для магнитомягких материалов слабые поля соответствуют напряженности до 1,0 А/м, средние – до 10 А/м, сильные – более 10 А/м.
49
ким образом, существование ближнего порядка в расположении атомов и структурных неоднородностей ведет к образованию флуктуирующей в пространстве локальной магнитной анизотропии.
Достоинствами сплавов данной группы являются:
–более высокие (по сравнению с вышеперечисленными материалами) значения удельного электрического сопротивления (1,2…1,8 мкОм ∙ м), снижающие потери на вихревые токи;
–значения начальной и максимальной магнитных проницаемостей, которые сравнимы (а иногда и выше) с соответствующими значениями, характерными для прецизионных сплавов;
–малые удельные потери на перемагничивание.
Аморфные сплавы сохраняют значение действительной компоненты магнитной проницаемости ≥ 10 000 вплоть до частот ~1 МГц.
Нанокристаллические сплавы обладают большими́ значениями индукции насыщения (до 1,7 Тл) и меньшими значениями коэрцитивной силы (0,1…0,2 А/м) по сравнению с аморфными сплавами на основе кобальта при сопоставимых значениях магнитной проницаемости (µн ~ 100 000). Технология получения нанокристаллических магнитных сплавов включает этап аморфизации, и только затем этап кристаллизационного отжига. В связи с этим в нанокристаллических сплавах, как и в аморфных, возникает магнитная анизотропия. Малый размер и случайная ориентация зерен позволяют говорить о флуктуирующем локальном характере магнитной анизотропии.
Более высокие значения удельного электрического сопротивления по сравнению с электротехническими сталями и прецизионными сплавами позволяют использовать аморфные и нанокристаллические сплавы для изготовления магнитопроводов, работающих на частотах 200…1000 кГц.
Недостатком этих сплавов является необходимость размещения магнитопровода в корпусе, служащем защитой от механических воздействий. Применение корпуса увеличивает площадь поперечного сечения магнитопровода, не занятого магнитным материалом.
Магнитомягкие ферриты, применяемые для изготовления магнитопроводов (в основном Mn–Zn и Ni–Zn), обладают удельным сопротивлением 0,1…108 Ом ∙ м, что практически исключает потери на вихревые токи даже в мегагерцовом диапазоне. Магнитная про-
50
ницаемость ферритов составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч и остается неизменной в диапазоне 100…1000 кГц (в зависимости от марки феррита). Максимальная индукция ферритов не превышает 0,5 Тл (в среднем – 0,3…0,35 Тл).
Отечественные и зарубежные производители выпускают широкую номенклатуру изделий из ферритов, предназначенных для использования в различных устройствах:
– в силовых устройствах на частотах до 400 кГц с μнач =
=1500…3000 и 200 кГц…10 МГц с μнач = 80…2000;
–в антеннах (Ni–Zn-ферриты с μнач = 100…2000);
–в катушках индуктивности на частотах до 1 МГц (Mn–Zn-
ферриты с μнач = 700…3000);
– в помехоподавляющих фильтрах и устройствах (на частотах до 200 кГц: Mn–Zn-ферриты с μнач = 700…3000, на частотах до 1 ГГц: Ni–Zn-ферриты с μнач = 100…2000) и т. д.
Ферриты, как и магнитодиэлектрики, могут использоваться для создания магнитопроводов, работающих в диапазоне 0,01…100 МГц.
Магнитодиэлектрики – магнитные материалы, в которых связкой является диэлектрик, а наполнителем – металлический магнитомягкий или ферритовый порошок. Магнитодиэлектрики представляют собой композитные* материалы.
В качестве магнитного наполнителя в настоящее время используются в основном частицы карбонильного железа** (μнач = = 10…12), альсифера (μнач = 20…90) и молибденового пермаллоя (μнач = 60…250). Индукция насыщения магнитодиэлектриков со-
ставляет 0,75…1,5 Тл, что значительно больше, чем у ферритов. Магнитодиэлектрические магнитопроводы широко использу-
ются при изготовлении высокоточных катушек индуктивности, работающих в широком интервале температур и магнитных полей в диапазоне частот от десятков килогерц до ста мегагерц.
*Композитные материалы (композиционные материалы, композиты) – материалы, состоящие из двух или более компонентов (дискретных элементов и связующей их матрицы), имеющих границу раздела между фазами, и обладающие специфическими свойствами, отличными от свойств их компонентов, взятых по отдельности.
**Такие частицы получают восстановлением пентакарбонила железа Fe(CO)5.
51