Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
2.9. Явление магнитной анизотропии и магнитострикции
110
111
100
б
Ni
Fe
a
111
110
100
Практически все ферромагнетики состоят из большого числа кристаллов.
Кристаллы различных материалов имеют разные пространственные кристаллические решетки, в узлах которых находятся атомы вещества. Так, кристалл железа представляет собой куб, в вершинах и в центре которого располагаются
атомы железа (рис. 2.18а).
Рис. 2.18. Основные кристаллографические направления
железа и никеля
В кристаллах железа различают три основные кристаллографические
направления:
100 — направление по ребру куба;
110 — направление по диагонали грани куба;
111 — направление по диагонали грани самого куба.
Если ферромагнетик намагничивать по различным кристаллографическим направлениям, то состояние насыщения будет достигаться при разных
значениях напряженности магнитного поля.
Состояние магнитного насыщения железа достигается при наименьшей
напряженности намагничивающего поля, если намагничивание производится
по направлению 100, т.е. по ребру куба. И наоборот, насыщение железа происходит при максимальной напряженности намагничивающего поля, если намагничивание производится по кристаллографической оси 111.
Направление 100 называется осью легкого намагничивания, направление
111 — осью трудного намагничивания.
101
Если железо намагничивать по кристаллографическому направлению 110,
B
B
нас
100
110
111
H
нас1
H
нас2
H
нас3
H
то насыщение материала достигается при меньшей напряженности намагничивающего поля, чем при намагничивании по оси 111, и большей, чем при намагничивании по кристаллографическому направлению 100. Кристаллографическое направление 110 называется осью среднего намагничивания. Кривые
намагничивания для разных направлений железа приведены на рисунке 2.19.
Рис. 2.19. Кривые намагничивания
для разных направлений железа
В отличие от железа, у кристалла никеля атомы располагаются в вершинах и в центрах каждой грани куба. Такое расположение атомов в кристалле
никеля приводит к изменению осей легкого и трудного намагничивания. У никеля осью легкого намагничивания является направление 111, а осью трудного
намагничивания — кристаллографическое направление 100 (рис. 2.18б).
Направление среднего намагничивания у никеля остается таким же, как и у железа — 110.
Различие магнитных свойств у ферромагнетиков при намагничивании
по различным кристаллографическим направлениям называется магнитной
анизотропией.
Явление магнитной анизотропии учитывается при изготовлении холоднокатаных анизотропных текстурованных электротехнических сталей. У таких
сталей оси легкого намагничивания всех кристаллов совпадают с направлением
прокатки. Применение анизотропных холоднокатаных сталей позволяет
уменьшить вес электрических машин примерно на одну треть по сравнению
с электрическими машинами такой же мощности, в которых используется изотропная горячекатаная сталь.
102
Намагничивание ферромагнетиков сопровождается изменением линей-
l
lΔ
λ ±=
ных размеров образца за счет магнитного взаимодействия электронов, вызывающего изменение расстояний и деформацию кристаллической решетки. Это явление называется магнитострикцией. Относительное изменение линейных размеров ферромагнетика при намагничивании оценивается коэффициентом
магнитострикции:
,
где ∆l — удлинение образца ферромагнетика при намагничивании;
l — исходная длина образца до намагничивания.
Значение и знак коэффициента магнитострикции зависят от направления
намагничивания и вида ферромагнетика.
Так, при намагничивании кристалла железа по оси легкого намагничивания происходит его удлинение вдоль этой оси и, следовательно, коэффициент
магнитострикции является положительным.
Если же железо намагничивать по оси трудного намагничивания, то происходит укорочение образца вдоль данной оси, т.е. коэффициент магнитострикции отрицателен.
В отличие от железа, у кристаллов никеля коэффициент магнитострикции
отрицателен при намагничивании по оси легкого намагничивания 111, и положителен, если намагничивать кристалл по оси трудного намагничивания.
Удлинение или сжатие ферромагнетика в направлении намагничивающего поля сопровождается сжатием или удлинением, соответственно, в поперечном направлении.
Явление магнитострикции обнаруживается и во влиянии внешних механических воздействий на магнитные свойства ферромагнетиков.
Растяжение ферромагнетика внешними механическими силами вызывает
облегчение, а сжатие — затруднение процесса намагничивания, если у ферромагнетика положительный коэффициент магнитострикции. Для материалов
с отрицательным коэффициентом магнитострикции сжатие приводит к облегчению, а растяжение — к затруднению процесса намагничивания. Явление
магнитострикции широко используется в технике. Например, в области ультразвуковой локации магнитострикционные материалы широко используются как
источники ультразвука.
103
Явление магнитострикции, свойственное магнитным материалам, приводит к тому, что линейные размеры магнитопроводов машин переменного тока
колеблются с частотой, равной частоте переменного магнитного поля. Это приводит к возникновению дополнительных механических напряжений в местах
крепления магнитопровода к корпусу электрической машины и появлению шума, что является нежелательным.
2.10. Магнитомягкие материалы
К магнитомягким материалам относятся магнитные материалы, имеющие
узкую петлю гистерезиса, малую коэрцитивную силу, высокие значения магнитной проницаемости и индукции технического насыщения и малые потери
мощности на перемагничивание.
Все магнитомягкие материалы подразделяются на следующие группы:
– технически чистое железо;
– листовые электротехнические стали;
– пермаллои и альсиферы;
– магнитомягкие ферриты.
К магнитомягким относятся также материалы, использование которых
основано на наличии у них каких-либо особых свойств:
– сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью;
– сплавы с постоянной магнитной проницаемостью (перминвар, изоперм);
– сплавы с особо высоким значением индукции насыщения (перминдюр);
– сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости от темпера-
туры (Fe-Ni, Fe-Cu);
– сплавы с высокой магнитострикцией (сплавы Fe-Co, Fe-Al).
Относительная магнитная проницаемость разных магнитомягких материалов находится в диапазоне от 3500 до 2·106. Коэрцитивная сила НС не превышает 64 А/м. Удельные потери при частоте 50 Гц и индукции магнитного поля
1,5 Тл — Р
≤ 65 А/м. Индукция технического насыщения B
1,5/50
≈ (0,8–2,1) Тл.
S
Технически чистое железо используется для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока. В переменных магнитных полях не применяется из-за малого удельного электрического сопротивления.
Пермаллои (сплавы Fe-Ni) и магнитомягкие ферриты (магнитные керами-
ческие материалы) обладают значительно более высокими электрическими сопротивлениями и в связи с этим широко используются для изготовления магнитопроводов в переменных магнитных полях. Недостатком пермаллоев является
104
их высокая чувствительность к ударам, заключающаяся в резком уменьшении
магнитной проницаемости при ударе.
2.10.1. Технически чистое железо
Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его
магнитные свойства.
Чистое железо, содержащее весьма малое количество примесей (менее
0,05 %), может быть получено двумя сложными путями, в результате которых
имеем:
1. Электролитическое железо — изготавливают электролизом раствора
сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо,
катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина
слоя 4–6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок
в шаровых мельницах, после чего производят вакуумный отжиг и переплавку
в вакууме.
2. Карбонильное железо — получают термическим разложением пентакарбонила железа согласно уравнению:
Fe (СО)
= Fe + 5СО.
5
Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получаемую воздействием оксида углерода на железо при температуре около 2000 °С и давлении около 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его весьма удобным для изготовления прессованных высокочастотных магнитных сердечников.
Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и
от структуры материала, размера зерен, механических напряжений (табл. 2.1).
105
Состав и магнитные свойства железа,
Материал
Магнитные свойства
Магнитная
угле-
кисло-
Началь-
µ
Максималь
µ
Технически
Электролитиче-
Карбонильное
Переплавленное
Железо,
Железо,
Монокристалл
подвергнутого различным видам обработки
Содержание
Таблица 2.1
чистое железо
ское железо
железо
в вакууме элек-
тролитическое
железо
обработанное
примесей, %
Коэрцитив-
проницаемость
ная сила Н
А/м
род
род
ная,
rн
ная,
r max
0,020 0,060 250 7000 64,0
0,020 0,010 600 15000 28,0
0,005 0,005 3300 21000 6,4
0,010 – – 61000 7,2
0,005 0,003 6000 200000 3,2
,
С
в водороде
обработанное
в водороде
собо тщательно
чистейшего же-
леза, отожжен-
ный в водороде
особо тщательно
– – 20000 340000 2,4
– – – 1430000 0,8
106
rн
μ
Вторая
⋅
Нелегированная
0
7,85
0,14
Слаболегированная
1
7,82
0,17
Нижесреднелегированная
2
7,80
0,25
Среднелегированная
3
7,75
0,40
Повышеннолегированная
4
7,65
0,50
Высоколегированная
5
7,55
0,60
2.10.2. Листовые электротехнические стали
Листовая (кремнистая) электротехническая сталь — это одна из разновидностей технически чистого железа, которая имеет повышенное содержание
кремния (Si). Эта сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые
токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода
в виде графита, а также почти полному раскислению стали. Это приводит
к увеличению
, уменьшению НC и к снижению потерь на гистерезис.
Сталь, содержащая до 4 % кремния, обладает достаточно удовлетворительными механическими свойствами, а при наличии выше 5 % кремния она
становится очень хрупкой. Путем специализированной прокатки и особой термической обработки можно изготовить текстурованную сталь крупнокристаллического строения, причем кристаллы окажутся ориентированными осями
наиболее легкого намагничивания параллельно направлению прокатки. Магнитные свойства такой стали в направлении прокатки значительно выше, чем
стали, не подвергавшейся подобной обработке.
Плотность и удельное электрическое сопротивление электротехнической
стали зависят от степени ее легирования кремнием, как это показано в таблице 2.2.
Таблица 2.2
Плотность и удельное электрическое сопротивление
электротехнической стали в зависимости от содержания кремния
Степень легирования
стали кремнием
цифра
марки
Плотность,
3
т/м
107
Удельное электрическое
сопротивление, мкОм
м
Существует большое количество марок стали, отличающихся по струк-
0 — содержание < Si ≤ 0,4 %;
1 — 0,4 < Si ≤ 0,8 %;
2 — 0,8 < Si ≤ 1,8 %;
3 — 1,8 < Si ≤ 2,8 %;
4 — 2,8 < Si ≤ 3,8 %;
5 — 3,8 < Si ≤ 4,8 %.
0 — удельные потери мощности на перемагничивание при магнитной ин-
ду
1 — то же, что и 0, но при индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (P
);
2 — то же, что и 0, но при индукции.1,0 Тл и частоте 400Гц;
6 — гарантируется магнитная индукция в слабых магнитных полях
при
7 — гарантируется магнитная индукция в средних магнитных полях
при
турному состоянию и способу прокатки, содержанию кремния в стали и магнитным характеристикам. В обозначении марки стали используется четырехзначное число.
Первая цифра числа означает структурное состояние и вид прокатки:
1 — сталь горячекатаная изотропная;
2 — сталь холоднокатаная изотропная;
3 — сталь холоднокатаная анизотропная.
Изотропные стали обладают одинаковыми магнитными свойствами, независимо от направления намагничивания. Анизотропные стали обладают
наилучшими магнитными свойствами при намагничивании вдоль направления
прокатки.
Вторая цифра в обозначении марки стали характеризует содержание
кремния:
Третья цифра в обозначении марки стали указывает на основную нормируемую характеристику:
кции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (Р
1,7/50
);
1,5/50
напряженности поля 0,4 А/м;
Н ≤ 10 А/м (В
10
).
Четвертая цифра означает порядковый номер марки стали.
Пример. Сталь 3411. Холоднокатаная анизотропная сталь с содержанием
кремния от 2,8 до 3,8 %, с гарантией потерь мощности не более 2,45 Вт/кг
при индукции 1,5 Тл и частоте поля 50 Гц.
В таблице 2.3 приведены предельные значения удельных потерь и индукции для стали класса 2, а в таблице 2.4 — для стали класса 3.
108
Предельное значение удельных потерь и индукции
Удельные
Магнитная индукция, Тл,
Р
Р
1000
2500
5000
10000
30000
2013
0,65
3,10
7,0
1,53
1,64
1,74
1,85
2,05 0,50
2,50
5,6
1,54
1,65
1,75
1,85
2,05
2112
0,65
3,50
8,0
1,46
1,59
1,67
1,77
2,02 0,50
2,60
6,0
1,46
1,60
1,68
1,77
2,02
2212
0,65
2,60
6,3
1,42
1,58
1,67
1,77
2,00 0,50
2,20
5,0
1,42
1,60
1,68
1,77
2,00
2312
0,65
2,40
5,6
1,38
1,54
1,64
1,72
1,96 0,50
1,75
4,0
1,40
1,56
1,66
1,74
1,96
2412
0,50
1,30
3,1
1,35
1,50
1,60
1,70
1,95 0,35
1,15
2,5
1,35
1,50
1,60
1,70
1,95
Магнитная индукция, Тл,
Р
Р
Р
100
250
2500
3411
0,50
1,10
2,45
3,20 – –
1,75
0,35
0,80
1,75
2,50 – –
1,75
3414
0,50
0,70
1,50
2,20
1,60
1,70
1,88
0,35
0,50
1,10
1,60
1,60
1,70
1,88
3415
0,35
0,46
1,03
1,50
1,61
1,71
1,90
для электротехнической стали класса 2
Таблица 2.3
Марка
мм
потери,
Вт/кг, не более
1,0/50
1,5/50
при напряженности магнитного
поля, А/м, не менее
Таблица 2.4
Марка
Предельное значение удельных потерь и индукции
для электротехнической стали класса 3
Удельные потери,
при напряженности
Толщина,
Вт/кг, не более
магнитного поля, А/м,
мм
не менее
1,0/50
1,5/50
1,7/50
109
Листовые электротехнические стали являются основным магнитным материалом, из которого изготавливаются магнитопроводы электрических машин
переменного тока. Выпускаются в виде рулонов, листов и ленты толщиной
от 0,1 до 1 мм.
2.10.3. Пермаллои и альсиферы
Пермаллои — это железноникелевые сплавы, обладающие весьма большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей, что связано с практическим отсутствием у них анизотропии и магнитострикции. Различают высоконикелевые и низконикелевые пермаллои. Высоконикелевые пермаллои содержат 70–83 % Ni, низконикелевые 40–50 % Ni.
Основные магнитные свойства и удельное сопротивление сплавов железо-никель зависят от содержания никеля. Наибольшим значением максимальной магнитной проницаемости обладает сплав, содержащий 78,5 % Ni. Очень
легкую намагничиваемость пермаллоев в слабых полях объясняют практическим отсутствием у них анизотропии. Магнитные свойства пермаллоев чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического
состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко меняются
от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, состава окружающей среды и т.д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых. Индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев почти в два раза ниже, чем у электротехнической
стали, и в полтора раза ниже, чем у низконикелевых пермаллоев. Магнитная
проницаемость высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и намного превосходит проницаемость электротехнических сталей. Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза
меньше, чем низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительно использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, и магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты, и тем резче,
чем больше ее первоначальное значение. Это объясняется возникновением
в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления. Стоимость пермаллоев определяется содержанием в их составе никеля.
Для придания сплавам необходимых свойств в состав пермаллоев вводятся добавки. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную
магнитную проницаемость пермаллоев и уменьшают чувствительность к деформациям. К сожалению, одновременно с этим снижается индукция насыще-
110