I II III IV

например, 3 4 2 4

I цифра означает класс по структурному состоянию и виду прокатки: 1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой.

II цифра – суммарное содержание легирующих элементов: классы от 0 до 5 (0 – кремния менее 0,5%; 5 – кремния от 3,8% до 4,8%).

III цифра – группа по основной нормируемой характеристике: 0 – удельные потери при В = 1,7 Тл, f = 50Гц; 6 – магнитная индукция в слабых полях при Н = 0,4 А/м; 7 – магнитная индукция в средних полях при Н = 10 А/м.

IV цифра – порядковый номер стали.

Важным преимуществом электротехнических сталей является высокая точка Кюри (700 - 750°С), что позволяет использовать эти материалы при высоких температурах. Их свойства сильно зависят от частоты. Они наиболее дешевы и имеют большие индукции насыщения В_s до 2 Тл и µ до десятков тысяч. Но имеют большие коэрцитивные силы до Н = 50 А/м и их чувствительность к изменениям внешнего поля не велика.

Холоднокатаные стали выпускают в виде листов толщиной 0,35 - 0,2мм и в виде ленты толщиной до 0,01мм. Горячекатаные – 0,05 – 0,15мм.

Примеры применения. Ответственные детали электрических машин – валы якорей и роторов, стяжные шпильки, пружины – изготовляют из стали с повышенными механическими свойствами – легированной, содержащей в своем составе хром, никель, вольфрам, молибден.

В некоторых электротехнических устройствах возникает необходимость применения немагнитных материалов, и, в частности, немагнитных стали или чугуна. Из них выполняют, например, крышки, кожуха, крепежные детали силовых трансформаторов. Для получения такой стали и чугуна в их состав вводят значительные добавки никеля (20 – 25% для стали и 9 – 12% для чугуна), которые способствуют созданию особой кристаллической структуры, препятствующей образованию областей самопроизвольного намагничивания. Немагнитная сталь и чугун являются парамагнитными материалами. Относительная магнитная проницаемость их составляет 1,05 – 1,2.

3. Пермаллои. К классификационной группе пермаллоев относятся железоникелевые сплавы, легированные хромом, молибденом, кремнием, медью и другими присадками.

Магнитные материалы, образующие большую группу пермаллойных сплавов на железо-никелевой основе, открыл и описал в 1921г. Elmen. К этой работе его побудило именно желание найти сплав с высокой магнитной индукцией. Он хотел обойтись без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение индукции насыщения было открыто им же. К этому периоду относится и первое применение пермаллоя в технике связи при конструировании телеграфного реле. Другой пермаллойный сплав – му-металл, который долго являлся материалом с наибольшей проницаемостью, был разработан в 1927 г. в Германии. С этого времени начинается интенсивная и очень успешная работа над улучшением качества металлических магнитных материалов.

Легирование молибденом вызывает значительное увеличение удельного электросопротивления, оказывает положительное влияние на величину начальной магнитной проницаемости и позволяет двойную термообработку заменить сравнительно простым отжигом. Кроме того, наличие молибдена уменьшает чувствительность к деформации.

Отрицательное действие молибдена проявляется в уменьшении индукции насыщения.

Действие хрома в значительной степени аналогично действию молибдена.

Медь способствует увеличению постоянства магнитной проницаемости при изменении напряженности магнитного поля, улучшает температурную стабильность, а также повышает электросопротивление. Сплавы с медью хорошо поддаются механической обработке.

Основное преимущество пермаллоев высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы (узкая и крутая петля гистерезиса).

Недостатками являются большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженное значение индукции насыщения, по сравнению с электротехническими сталями и сравнительно высокая стоимость, сложность термообработки.

Исследования показывают очень сильную зависимость магнитных свойств пермаллоев от содержания никеля.

Сплавы с содержанием никеля 40 – 50% называют низконикелевыми, а сплавы с содержанием 70 – 80% никеля – высоконикелевыми.

Марки пермаллоев обозначают цифрами и буквами, например, 50Н, 50НП, 50НХС, 80НХД. Цифры в марке означают среднее содержание в процентах основного элемента (никеля), кроме железа. Последующие буквы указывают на наличие других легирующих элементов: Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Ф – ванадий, Х – хром. Наличие буквы «П» говорит о том, что это материал с прямоугольной петлей гистерезиса. Наличие буквы А (или У) в конце маркировки указывает на то, что это материал с улучшенными свойствами.

Все сплавы содержат в небольших количествах марганец (0,30 – 0,60%) и кремний (0,15 – 0,30%).

К отдельной группе пермаллоев относятся пермендюры - железокобальтовые сплавы от 30 до 50% кобальта. Они имеют наибольшее значение индукции насыщения В_s до 2,5 Тл, и наиболее высокую температуру Кюри (до 980°С).

В таблице 3 представлены свойства прецизионных пермаллоев.

Таблица 3

Прецизионные пермаллои изготавливают в виде холоднокатаных лент, холодно-и горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков и проволоки.

Недостатками пермаллоев является их относительно высокая стоимость, дефицитность отдельных компонентов, прежде всего никеля, необходимость применения сложного отжига после механической обработки, а также большая зависимость магнитных свойств от механических воздействий.

Попытки найти заменители пермаллоев, свободных от указанных недостатков, привели к исследованию сплавов железо-алюминий без третьего и с третьим компонентом.

Примером тройного сплава такого рода является альсифер – сплав алюминия-кремния-железа. О нем речь пойдет дальше.

4. Аморфные магнитомягкие сплавы. Широкое применение находят аморфные магнитные материалы (металлические сплавы с аморфной структурой) в качестве магнитомягкого материала магнитопроводов различных магнитных преобразователей, усилителей, элементов магнитной памяти, трансформаторов, индукторов, магнитных головок, экранов и т.д.

Аморфные магнитные сплавы (АМС) обладают комплексом уникальных свойств с высокими прочностными, магнитными, коррозионностойкими свойствами, большим удельным сопротивлением, малыми потерями на вихревые токи и гистерезис и низким температурным коэффициентом, хорошими технологическими свойствами и другими, которые превышают аналогичные свойства кристаллических сплавов.

Аморфные магнитные сплавы достаточно технологичны при изготовлении и обработке. В процессе изготовления получают ленты из АМС в больших количествах микронной толщины, не требующие дополнительного проката. Свойствами АМС можно варьировать, изменяя химический состав сплава и используя термическую или термомагнитую обработку и др.

Аморфные магнитные сплавы переходных металлов с металлоидами являются магнитомягкими материалами, обладающими высокими значениями: начальной и максимальной проницаемости, индукции насыщении я, удельного электрического сопротивления, а также малой коэрцитивной силы. Наиболее перспективны АМС на основе Fe·Ni, кобальта, железа, обладающие наилучшими значениями перечисленных характеристик [µ_нач – до 20000, µ_max – до 300000…600000, Н_с менее 1А/м, ρ от (1…1,15)·10^-6]. Недостаток по сравнению с кристаллическими – меньшая индукция насыщения (В_s < 1Тл).

Ведущим отечественным предприятием по производству изделий из этих сплавов является ООО НПП «ГАММАМЕТ», основанное в 1991 году. Предприятие обладает полным циклом производства, начиная от выплавки сплавов, производства тонкой ленты с аморфной структурой и заканчивая изготовлением магнитопроводов трансформаторов, реакторов и электротехнических изделий из этих сплавов. Вся продукция защищена патентами России.

На предприятии изготавливают кольцевые, прямоугольные, разрезные, стержневые магнитопроводы из аморфных и нанокристаллических сплавов на основе железа и кобальта под торговой маркой «ГАММАМЕТ»; измерительные трансформаторы тока и напряжения, силовые трансформаторы, импульсные, согласующие, накопительные трансформаторы, реакторы различного назначения, работающие при частоте до 200кГц, под торговой маркой «ГАММАТРАНС». Изготавливают датчики тока и напряжения, блоки питания для люминесцентных ламп, источники вторичного питания с применением аморфных и нанокристаллических материалов, аморфные припои «СПАЙМЕТ», резистивные аморфные ленты «РЕЗИМЕТ».

5. Магнитомягкие ферриты. Магнитные материалы, изготавливаемые на основе окислов металлов и имеющие свойства ферромагнетика, называются ферритами. Магнитомягкие ферриты являются неметаллическими ферромагнетиками. Это поликристаллические многокомпонентные соединения из смеси окислов железа, никеля, цинка, марганца, меди и других металлов, у которых общая химическая формула MeFe₂O₃ (где Ме – двухвалентный металлический ион). Для простых ферритов в качестве Ме может быть использован один из элементов: Mn, Zn, Ni, Co и др. Сложные ферриты представляют твердые растворы двух-трех простых ферритов.

Для магнитопроводов МЭ наибольшее применение получили Mn –Zn, Ni-Zn ферриты. Находят также применение литийцинковые, свинцовоникелевые и другие типы.

В отличие от металлических сердечников ферритовые сердечники малочувствительны к механическим воздействиям, поэтому им не нужны защитные каркасы. Механические свойства ферритов подобны свойствам керамических изделий. С точки зрения прочности самыми опасными видами деформаций являются растяжение и изгиб. Пределы прочности ферритов имеют широкий разброс между партиями и зависят от размера сердечника, от температуры окружающей среды. Простота изготовления сердечников сложной формы является достоинством ферритов.

Удельное сопротивление ферритов на много порядков больше, чем сопротивление металлических и аморфных ферромагнитных материалов, что дает возможность использовать материал, не разделяя его на тонкие пластины, т.к. потери от вихревых токов очень малы, и использовать их на высоких частотах (до 10⁸Гц).

По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводящих или даже диэлектриков.

Марки ферритов обозначаются цифрами и буквами. Например, для ферритов общего назначения 1500НМ, 2000НН – цифры означают начальную магнитную проницаемость, НН – магнитомягкие низкочастотные (никель-цинковые) для слабых полей, НМ – магнитомягкие низкочастотные (марганец-цинковые) для слабых полей.

Число в наименовании феррита характеризует в большинстве случаев номинальное значение начальной магнитной проницаемости, первая буква (Н) или первые буквы (ВЧ) указывают диапазон рабочих частот (Н - низкочастотный, обычно 2-3МГц), (ВЧ или В – высокочастотный), вторая буква в марке означает: Н – никель-цинковый феррит, М – марганец-цинковый феррит.

Практическое применение ферритов СВЧ основано на:

а) магнитооптическом эффекте Фарадея;

б) эффекте ферромагнитного резонанса;

в) изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита.

Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в намагниченном за счет внешнего поля феррите. При этом могут быть получены различные углы поворота плоскости поляризации, а, следовательно, и коммутирование энергии в разные каналы.

Ферромагнитный резонанс наблюдается при совпадении частоты внешнего возбуждающего поля с собственной частотой прецессии спинов электронов. Собственная частота прецессии зависит от магнитного состояния образца, а потому ее можно изменять с помощью постоянного подмагничивающего (управляющего) поля Н_. При резонансе резко возрастает поглощение энергии электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе в обратном направлении; для волны прямого направления поглощение оказывается значительно меньшим. В результате получается высокочастотный вентиль. Рассмотренный эффект наиболее сильно проявляется в том случае, когда напряженности переменного возбуждающего и постоянного подмагничивающего полей взаимно перпендикулярны.

Если частоту внешнего поля поддерживать постоянной, а изменять напряженность подмагничивающего поля Н_, то вентильные свойства феррита будут проявляться в довольно узком интервале напряженностей постоянного поля DH_, называемом шириной линии ферромагнитного резонанса. Чем меньше значение DH_, тем сильнее поглощение электромагнитной волны, что благоприятно сказывается на характеристиках ряда СВЧ-устройств (антенные переключатели, циркуляторы, служащие для распределения энергии между отдельными волноводами; фазовращатели, фильтры, модуляторы, ограничители мощности и др.).

Все марки ферритов разделены на 10 групп.

1. Ферриты общего назначения.

2. Термостабильные ферриты.

3. Высокопроницаемые ферриты.

4. Ферриты для телевизионной техники.

5. Ферриты для импульсных трансформаторов.

6. Ферриты для перестраиваемых контуров мощных радиотехнических устройств.

7. Ферриты для широкополосных трансформаторов.

8. Ферриты для магнитных головок.

9. Ферриты для датчиков температуры с заданной точкой Кюри.

10. Ферриты для магнитного экранирования.

Из магнитомягких ферритов изготовляют магнитопроводы и сердечники броневой, тороидальной и цилиндрической конструкции

6. Магнитодиэлектрики. Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитомягкого материала, связанных друг с другом органическим или неорганическим диэлектриком.

В качестве магнитомягких материалов применяют карбонильное железо, альсифер и некоторые сорта пермаллоев, измельченные до порошкообразного состояния.

В качестве диэлектриков применяют полистирол, стеклоэмали, бакелитовые и формальдегидные смолы, жидкое стекло и др. Назначение диэлектриков не только в том, чтобы соединить частицы магнитного материала, но и изолировать их друг от друга, а, следовательно, резко повысить величину удельного электрического сопротивления магнитодиэлектрика. Удельное электрическое сопротивление магнитодиэлектрика составляет 10³…10⁴Ом·м.

В магнитном отношении магнитодиэлектрик представляет собой ферромагнитную среду с беспорядочно распределенным по ее объему большим числом немагнитных зазоров. Магнитная проницаемость магнитодиэлектрика невелика (от нескольких единиц до сотен), ее значение определяется в основном процентным соотношением немагнитной и магнитной фаз. Благодаря большому размагничивающему эффекту параметры магнитодиэлектриков мало зависят от воздействия постоянных и переменных магнитных полей.

Преимущества магнитодиэлектриков перед ферритами – это более высокая стабильность свойств, а их технология соответствует технологии пластмасс и позволяет получить изделия более высокой точности и чистоты, чем при керамической технологии получения ферритов.

Распространены три основные группы магнитодиэлектриков:

• на основе альсифера;

• на основе карбонильного железа;

• пресс-пермы (на основе молибденового пермаллоя).

а) Магнитодиэлектрики на основе альсифера. Альсифер представляет собой сплав алюминия, кремния и железа. Для магнитодиэлектриков применяют сплавы с содержанием 9…11%Si и 6…8% Al. Важная особенность альсифера в том, что его температурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания Si и Al может быть как меньше, так и больше нуля. Альсифер является дешевым и недефицитным материалом, предназначенным для работы в интервале температур от -60 до +120°С и на частотах от 20 до 700 кГц. Верхняя граница рабочего частотного диапазона f_кр для каждой марки альсифера нормируется предельно допустимым значением (0,1) тангенса угла потерь (в поле 80 А/м). Альсифер был создан в 1935 г. В Японии Х. Масумото.

Марки этого магнитодиэлектрика обозначают цифрами и буквами: ТЧ-90П, ТЧК-55П, ВЧК-22П. Буквы обозначают: ТЧ – тональная частота, ТЧК – тональная частота со скомпенсированным температурным коэффициентом магнитной проницаемости; ВЧ – высокая частота, ВЧК – высокая частота с компенсацией. Буквы П или Р – говорят о назначении материала для проводной связи или радиоаппаратуры. Цифры означают начальную магнитную проницаемость.

б) Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа. Для изготовления этих магнитодиэлектриков химическая промышленность выпускает два класса карбонильных железных порошков: класс Р (марок Р-10, Р-20, Р-100) для радиоаппаратуры и класс П для проводной связи. Начальная магнитная проницаемость карбонильного железа составляет 10…15.

Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа применяют реже других, в основном для индуктивных катушек малой энергоемкости. Отечественная промышленность выпускает броневые сердечники типа СБ (ГОСТ 10983 – 75) из карбонильного железа трех марок:МР-10, МР-20, МР-100 с максимальными рабочими частотами 10, 20, 100 МГц соответственно. Индуктивные элементы на этих сердечниках предназначены для работы в интервале температур от -60 до +100°С.

в) Пресс-пермы. Магнитодиэлектрики, производимые на основе Мо-пермаллоя. Изготовляют их из мелкого металлического порошка на базе высоконикелевого пермаллоя (79…81%), легированного молибденом. Пресспермы обладают повышенной магнитной проницаемостью, низким уровнем гистерезисных потерь. Отечественной промышленностью разработаны 10 марок пресспермов (5 нетермокомпенсированных и столько же термокомпенсированных): МП-60, МП-100, МП-250, МПК-60 и т.д. В обозначении термокомпенсированных пресс-пермов добавляется буква «К». Цифра в обозначении – это номинальная магнитная проницаемость. Верхняя рабочая частота МО-пермаллоевых сердечников составляет 100кГц, температурный диапазон -60…85°С.

При равных значениях проницаемости, коэффициенты потерь на гистерезис и вихревые токи для магнитодиэлектриков марок МП-60, МП-100 в несколько раз меньше, чем для ТЧ-60 и ТЧ-90.

В заключение приведем таблицу сравнительных характеристик магнитных материалов (таблица 4).

Таблица 4

Наименование материала	Состав	µнач	Вs,Тл	Температура Кюри, Тс, °С	Нс, А/м	Плотность Ρ, г/см3
1	2	3	4	5	6	7
Электротехническая сталь	3%Si 97%Fe	1500	1,5-1,8	750	30-50	7,3
Низконикелевый пермаллой	50%Ni 50%Fe	2000	1,42-1,58	500	8-16	8,24
Высоконикелевый пермаллой с ППГ	79%Ni 17%Fe 4%Mo	12000 – 100000	0,66-0,82	460	1,6-3,2	8,73
Высоконикелевый пермаллой	78%Ni 17%Fe 5%Mo	10000 - 50000	0,65-0,82	460	0,5-0,64	8,76
Аморфный 2605SC	81%Fe 13,5%B 3,5%Si	3000	1,5-1,6	370	2,4-6,4	7,32
Аморфный 2714А	66%Co 15%Si 4%Fe	20000	0,5-0,58	205	0,25-1,6	7,59
Ферриты	MnZn	750-15000	0,3-0,5	100-300	3,2-20	4,8

Литература

1 Амелин С.А. Магнитные элементы электронных устройств. Курс лекций. Филиал ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», Смоленск, 2012г.-123с.

2 Коровский Ш. Я. Летающие металлы. М.:Издательство «Машиностроение», 1967. – 255 с.: ил.

3 Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»/под ред. В.С. Чередниченко. – 6-е изд., стер. – М.: Издательство «Омега – Л», 2010. – 752 с.: ил., табл. – (Высшее техническое образование).

4 Миловзоров В.П.Электромагнитные устройства автоматики. М.: Высшая школа, 1983. – 409с.

5 Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учебник. 5-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2003. – 368 с., ил. – (Учебники для вузов. Специальная литература).

6 Сидоров И.Н. и др. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники: Справочник/ И.Н. Сидоров, А.А. Христинин, С.В. Скорняков. – М.: Радио и связь, 1989. – 384с.:ил.

7 Электротехнические и конструкционные материалы: учеб.пособие для студентов учреждений сред. проф. Образования/ В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, В.М. Матюнин и др.; под ред. В.А. Филикова. – 7-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2012. – 280 с.

8 www.5ballov.ru.