15.1.2. Высокочастотные магнитные материалы

С увеличением частоты в диапазоне от звуковых частот до СВЧ включительно потери на вихревые токи настолько сильно возраста­ют, что применение магнитомягких материалов, рассмотренных в гл. 15.1.1, становится неэффективным, а часто и невозможным. Исклю­чение составляют тонколистовые рулонные холоднокатаные элек-

494

тротехнические стали толщиной 25—30 мкм и пермаллои толщиной 2—3 мкм, которые можно использовать при звуковых, ультразвуко­вых и низких радиочастотах. Однако эти материалы имеют несколь­ко повышенную коэрцитивную силу, высокую стоимость и сложную технологию получения из них магнитных изделий. Потери на вихре­вые токи можно снизить путем увеличения электрического сопро­тивления материала и уменьшения его индукции. Материалами, ко­торые обладают высоким электрическим сопротивлением и малым значением магнитной индукции, являются также магнитодиэлектри­ки и ферриты.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики — это фактически высокочастотные магнит­ные пластмассы, в которых наполнителем является ферромагнетик, а связующим — электроизоляционный материал органический (на­пример, фенолоформальдегидная смола, полистирол) или неоргани­ческий (например, жидкое стекло).

В магнитодиэлектриках частицы ферромагнетика разделены друг от друга сплошной пленкой из электроизоляционного материа­ла, образующего непрерывную фазу-матрицу с высоким электриче­ским сопротивлением, являющуюся одновременно механическим связующим. Благодаря тому что частицы ферромагнетика (их размер d и 10~⁴—10~⁶ м) электроизолированы друг от друга, потери на вихре­вые токи и на гестерезис малы. Поэтому основным видом потерь становятся потери на магнитное последействие, которые превышают остальные виды потерь в 10—30 раз. Суммарная мощность потерь Р складывается из потерь на гистерезис Р_п вихревые токи Р_вг, магнит­ное последействие Р„ и диэлектрические потери в электроизоляци­онном материале Р_я:

Р=Р_г + Р_т + Р_п + Р_я. (15.2)

Общий (суммарный) тангенс угла потерь магнитодиэлектрика можно выразить через его сопротивление потерь г, следующей фор­мулой:

^tg5_r4'

(oL Q

где г, — активное сопротивление, эквивалентное всем видам магнит­ных потерь, потерям в обмотке и в электрической изоляции; со — частота; L и Q — индуктивность и добротность катушки, соответст­венно. Величина мощности потерь в магнитодиэлектриках зависит в значительной мере от размера частиц ферромагнетика и характера изоляции.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектрика \х_т всегда мень­ше \х ферромагнетика, составляющего его основу, и вычисляется по формуле

495

(15.3)

ц ⁺ 3

где ц — магнитная проницаемость исходного ферромагнетика; V — относительный объем, занимаемый электроизоляционным материа­лом.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков имеет невысо­кое значение (см. табл. 15.1) и мало зависит от частоты. Преимуще­ство магнитодиэлектриков перед ферритами заключается в том, что они обладают более высокой стабильностью магнитных свойств и изделия из них получают более высоких классов геометрической точности и степени шероховатости поверхности. Однако по ряду электромагнитных параметров магнитодиэлектрики уступают ферри­там, поэтому применение их постепенно сокращается.

Наиболее широко применяются магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденового пермаллоя, имеющих рабочую частоту соответственно не более примерно 100, 0,1 и 0,7 МГц. Для придания молибденовому пермаллою хрупкости и возможности получать из него порошки, в него в процессе выплавки вводят небольшое количество серы.

Ферриты

Ферриты — это ферримагнитная керамика, сочетающая в себе высокие магнитные свойства и высокое удельное сопротивление и, следовательно, низкие потери на вихревые токи, что позволило их применять в области ВЧ и СВЧ, т.е. там, где металлические магнито-мягкие материалы применять уже нельзя. Это важное преимущество ферритов перед другими магнитными материалами.

Ферриты представляют собой сложные системы окислов железа и двухвалентного (реже одновалентного) металла, имеющие общую формулу MeOFe₂O₃. В качестве металла применяют ионы Ni⁺², Mn²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Li⁺ и др., которые и дают название фер­риту. Например, NiOFe₂O₃ — никелевый феррит, ZnOFe₂O₃ — цин­ковый феррит. Применяющиеся в технике ферриты называют также оксиферами. В последнее время широко применяются ферриты с об­щей формулой 3Me₂O₃-5Fe₂O₃ (где Me — ион двух- или трехвалент­ного металла).

Свойства ферритов и соответственно изделий из них сильно зави­сят от их состава и технологии получения. В промышленности используют наиболее простую технологию, заключающуюся в спека­нии оксидов при высокой температуре: в приготовленный феррито-вый порошок, состоящий из обожженных окислов соответствующих металлов, тонко измельченных и тщательно перемешанных, добавля­ют пластификатор (обычно раствор поливинилового спирта) и из по­лученной массы под большим давлением прессуют изделия требуемой формы и обжигают их при температуре 1100—1400°С. В процессе об­жига и образуется феррит, представляющий собой твердый раствор

496

' окислов. При этом происходит усадка, которая может составлять 10—20%. Очень важно, чтобы обжиг происходил в окислительной сре­де (обычно в воздухе). Присутствие даже небольшого количества во­дорода может вызвать частично восстановление окислов, что приведет к увеличению магнитных потерь. Полученные ферритовые изделия являются твердыми и хрупкими и не позволяют производить механи­ческую обработку, кроме шлифования и полирования.

Ферриты имеют гранецентрированную плотноупакованную ку­бическую решетку, в которой ионы кислорода образуют тетраэдры. Ионы кислорода образуют и октаэдры, которые тоже участвуют в формировании магнитных свойств. В центре тетраэдра располагается ион металла. Если этим ионом является Fe³⁺, то материал обладает магнитными свойствами, например, ферриты никелевый (NiOFe₂O₃) и марганцевый (MnOFe₂O₃). Если этим ионом является Zn²⁺ или Cd²⁺, то магнитные свойства отсутствуют, образуется немагнит­ный феррит, например, цинковый (ZnOFe₂O₃) или кадмиевый (CdO-Fe₂O₃). Указанные явления объясняются тем, что в ферритах между магнитными моментами соседних атомов осуществляется кос­венное обменное взаимодействие, которое приводит к их антипарал­лельной ориентации (см. гл. 14.1.5). В связи с этим кристаллическую решетку ферритов можно представить как состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток, имеющих противоположные на­правления магнитных моментов ионов (атомов). В магнитном фер­рите намагниченность подрешеток неодинаковая, поэтому возникает суммарная спонтанная намагниченность, а в немагнитном феррите суммарная намагниченность равна нулю.

Технические ферриты представляют собой, как правило, твердые растворы магнитных и немагнитных ферритов. К магнитомягким ферритам в первую очередь относятся две группы ферритов: никель-цинковые и марганец-цинковые, представляющие собой трехкомпо-нентные системы NiO—ZnO—Fe₂O₃ и MnO—ZnO—Fe₂O₃ (табл. 15.5). Немагнитные ферриты добавляют к магнитным для увеличения маг­нитной проницаемости и уменьшения коэрцитивной силы. Однако при этом снижается температура Кюри.

Магнитные свойства ферритов, как и альсиферов, очень сильно зависят от их состава. На рис. 15.3 приведена зависимость начальной магнитной проницаемости никель-цинкового феррита от его соста­ва. Из рисунка видно, что высокие значения ц_н достигаются на очень узком участке диаграммы.

Начальная магнитная проницаемость ц„ — один из основных магнитных параметров магнитомягких ферритов. Ее величина у раз­личных марок магнитомягких ферритов изменяется от 7 до 20000 (ц_м = 45—35000). Чем выше начальная магнитная проницаемость феррита данной группы, тем ниже его температура Кюри (рис. 15.4) и менее стабильны магнитные свойства при изменении температу­ры. Магнитная проницаемость влияет также на величину критиче­ской частоты Уй_р; чем больше ц_н, тем ниже/_кр. Ферриты, у которых

497

%NiO 40 60

•е-

а,

и в

0

о

о о

8

Я

о

о

о

8

о vn

и

<N

<N

ГЧ

1—«

•ч-

3

2,0

Ов тГ*

in CN

О ГЧ

"оо

о CN

'^> in

о о

000

а?

s

в

4)

со

г<~>

СО

ГО

«п CN

Г^ ГЧ

чо гч

<о m

CN

а

<ч*

О

О

О

О

о

О

о

о

О

О

о.

in О

*п о

»п

\о

о

О

3

О*

о

О

о

о

3

о

о

гч

m

—'

3

о.

а

1

ферр

^и

3

in

о

in

<и

•п

us +

,—Г

гч"

|Г1

3

ГО

00

13*4

UHKI

1 О

1 in

о

о

1 *п

J>

J,

О

1 О

1_

гг

гч

a S.

гг

3"

-о

сз

м

Е

Map

35000

17000

3500

3500

1800

7000

3000

600

280

in

00

с

о II £ Sj>

0,01)

0,02)

(Г0)

(Г0)

(0,1)

(Го)

о"

(1,0)

(81)

(ое)

to 00

Д.

при

о

m

"П

гч

ОО

о in

о in

ГО

280

U

о Я

О О

о

о

0

о

0

in гч

о

"П гч

«п гч

0 гч

О

V")

о

гч

с: к

15000—

-0008

1700-

1 о о

с с с*

> > 0

1800-

800-

1 гч

о ОО

16-

™ 1

X

X

X

т

X

X

X V

са

гч :г

«■ §■ S|

о ГЧ

ЮОО! |

2000

2000]

| 1000

О гч

о о

400

100

о гч

S

CQ

_I

-50 0 50 100 Т, °С '

Рис. 15.4. Зависимость начальной маг­нитной проницаемости ц„ от температу­ры Т для марганец-цинковых и никель-цинковых ферритов

NiO 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Fe₂O, %Fe₂O₂

Рис. 15.3. Зависимость начальной маг­нитной проницаемости ц_н никель-цин­ковых ферритов от состава (температура обжига 1380°С)

|д_н — 20—20000, во многих случаях в слабых полях эффективно заме­няют пермаллои и электротехническую сталь. Однако в средних и сильных полях низкой частоты ферриты применять нецелесообразно, так как они имеют более низкую (в 2—3,5 раза) индукцию насыще­ния, чем металлические ферромагнетики.

ТКц

"Иг,

Температурная зависимость магнитной проницаемости характе­ризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТКц и относительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости а_ц, К"¹, определяемого из выражения

(15.4)

Индукция насыщения у ферритов составляет 0,1—0,4 Тл (значи­тельно ниже, чем у магнитомягких сплавов). Однако у сплавов в вы­сокочастотных полях Д. становится ниже, чем у ферритов, из-за вы­соких размагничивающих вихревых токов.

р -

Магнитные потери ферритов часто оценивают тангенсом угла магнитных потерь tg5_M (см. формулы (14.17) и (14.21)). В слабых по­лях потери на вихревые токи у них ничтожны из-за высокого удель­ного сопротивления, на гистерезис малы и в основном образуются за счет потерь на магнитное последействие. Удельные потери Р на пе-ремагничивание в слабых полях тороидального ферритового сердеч­ника можно вычислить по формуле

(15.5)

499

-5-10"

Из формулы (15.5) видно, что удельные потери на перемагничи-вание в основном зависят от квадрата индукции В и тангенса угла магнитных потерь, приведенного к величине начальной магнитной проницаемости (tg5_M/V_H).

Маркировка. В основу маркировки магнитомягких ферритов по­ложена величина начальной магнитной проницаемости. Стоящее впереди число указывает номинальное значение |д_н. Следующие за числом буква Н или В означают соответственно низкочастотный или высокочастотный материал. Далее следует буква, указывающая со­став феррита: М — марганец-цинковый, Н — никель-цинковый. На­пример, 2000НМ означают, что это низкочастотный марганец-цинковый феррит с ц„ = 2000. В ряде случаев в конце маркировки добавляют букву, указывающую преимущественное использование данной марки: С — в сильных полях, П — в контурах, перестраивае­мых подмагничиванием, Т — для магнитных головок, РП — для ра-диопоглощающих устройств. Иногда в конце ставят еще цифру 1, 2 или 3, которая означает различие по свойствам. Производят ферри­ты для СВЧ и с прямоугольной петлей гистерезиса (см. ниже). В маркировке этих ферритов введены соответствующие индексы. Основные характеристики некоторых магнитомягких ферритов при­ведены в табл. 15.5.

Основные недостатки ферритов — трудность получения точных размеров изделий из-за большой усадки при обжиге (до 20 %), не­достаточно высокая воспроизводимость магнитных свойств, невысо­кие значения индукции насыщения и температуры Кюри, невысокая стабильность магнитных параметров во времени (у некоторых фер­ритов с высокой ц,, в течение первого года величина ц снижается на 3-7 %).

Исходя из условий эксплуатации и области применения, ферриты условно делят на несколько групп.

Группа 1 — ферриты общего применения. К ним относятся низкочастотные ферри­ты никель-цинковые (100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН 2000НН) и марганец-цинковые (1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, ЗОООНМ), работающие в диапазоне частот до 30 МГц в качестве сердечников трансформаторов, дросселей, антенн, где нет особых требований к температурной и временной стабильности. Основными нормируемыми характеристиками этих ферритов являются ц_н и tg6_M.

Группа 2 — термостабильные ферриты. К ним относятся низкочастотные марганец-цинковые ферриты (700НМ, 1000НМЗ, 1500 НМ1, 1500НМЗ, 2000НМ1, 2000НМЗ), применяемые на частотах до 3 МГц и имеющие 7*_к = 200—240°С, и высо­кочастотные никель-цинковые ферриты (7ВН, 20ВН, 30ВН, 50ВН, 100ВН, 150ВН), применяемые на частотах до 100 МГц и имеющие Т_к = 400—450°С.

Группа 3 — высокопроницаемые ферриты. К ним относятся низкочастотные марганец-цинковые ферриты (4000НМ, 6000НМ, 6000НМ1, 10000НМ, 20000НМ). Ра­бочая частота до 1 МГц. Изделия из этих ферритов значительно дешевле, чем из тонкокатанного пермаллоя для тех же частот.

Группа 4 — ферриты для телевизионной техники — применяют в основном для магнитопроводов выходных строчных трансформаторов и специальных узлов в цвет­ных телевизорах. К ним относятся ферриты марок 2500НМС1, ЗОООНМС.

Группа 5 — ферриты для импульсных трансформаторов работают в импульсном ре­жиме подмагничивания. К ним относятся ферриты марок 300ННИ, 300ННИ1, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ, 1100ННИ.

500 . . .

Группа б — ферриты для перестраиваемых контуров. К ним относятся высокочас­тотные никель-цинковые ферриты (10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП). Используют их в контурах, перестраиваемых подмагничиванием, мощных радиотехнических устройствах.

Группа 7 — ферриты для широкополосных трансформаторов. К ним относятся вы­сокочастотные никель-цинковые ферриты (50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, 300ВНС), ис­пользуемые в радиопередающей аппаратуре. Эти ферриты обладают повышенной доб­ротностью в слабых и сильных полях при частотах до 250 МГц.

Группа 8 — ферриты для магнитных головок. Эти ферриты в конце маркировки имеют букву Т (500НТ, 500НТ1, 1000НТ, 1000НТ1, 2000НТ, 500МТ, 1000МТ, 2000МТ, 5000МТ). Одними из основных их магнитных характеристик являются д_н и порис­тость (поверхностная пористость должна быть <1 %).

Группа 9 — ферриты для датчиков температуры. Основное назначение — сердеч­ники для индуктивных бесконтактных датчиков температуры. К ним относятся низко­частотные никель-цинковые ферриты (1200НН, 1200НН1, 1200НН2, I200HH3, 800НН).

Группа 10 — ферриты для магнитного экранирования. К ним относятся ферриты марок 200ВНРП, 800ВНРП. Эти ферриты отличаются высоким значением магнит­ных потерь в широком диапазоне частот и используются в радиопоглощающих уст­ройствах.