1. Общие вопросы принципов действия и проектирования электромашинных элементов и устройств систем управления

1.1. Разновидности магнитных материалов и их характеристики

Современная техника располагает широкой номенклатурой магнитных материалов, обладающих различными свойствами. В магнитных и электромеханических устройствах автоматики и вычислительной техники функции, выполняемые конструкциями из магнитных материалов, несмотря на все их многообразие, могут быть сведены к созданию определенного магнитного потока в объеме заданной конфигурации при минимальной затрате энергии и минимальной внешней намагничивающей силе (н.с.); обеспечению нелинейной зависимости между магнитным потоком и создающей его н.с.; созданию длительно существующего магнитного потока без потребления электрической энергии.

Одним из основных параметров, по которому различают магнитные материалы, является коэрцитивная сила H_C. Материалы, у которых H_C не превосходит 4 кА/м, относят к магнитомягким. Материалы с коэрцитивной силой более 4 кА/м относят к магнитотвердым. Из магнитомягких материалов изготавливают сердечники трансформаторов, электромагнитов, магнитных усилителей и т. д. из магнитотвердых материалов - постоянные магниты.

Важнейшими характеристиками магнитных материалов также следует считать: индукцию насыщения B_S (часто указывают намагниченность насыщения J_S), остаточную индукцию B_r , удельное электрическое сопротивление ,технологические свойства (обрабатываемость литьем, резаньем, шлифованием, штамповкой и т.п.), механические свойства (твердость, прочность), стабильность свойств во времени и под влиянием внешних воздействий (температуры, атомной радиации, ударов, вибраций), стоимость. В зависимости от применения, существенными могут быть и другие характеристики, например, теплопроводность, особенности формы петли гистерезиса и т.п.

К магнитомягким материалам относятся: технически чистое железо (армко - железо), электротехнические стали, пермаллои, пермендюр, магнитомягкие ферриты и некоторые другие.

Технически чистым считают железо, содержащее не более 0,04% углерода и весьма малое количество других примесей (кремния, серы и т.п.). Близкими к нему по свойствам являются малоуглеродистые конструкционные стали. Для этой группы материалов характерны значения ₀ J_S = 2,1  2,15 T, B_r = 0,7  1,7 T, H_C = 60  200 А/м,  = 0,1  0,13 Ом мм²/м. Вследствие малого электрического сопротивления эти материалы применяются преимущественно в постоянных и медленно изменяющихся (не более нескольких герц) полях, т.к. в переменных полях в них возникают значительные вихревые токи, что обычно нежелательно.

Большую группу магнитомягких материалов составляют электротехнические стали. Они выпускаются в виде листов, рулонов и лент с толщиной от 1 до 0,1 мм, представляют собой сплавы железа, содержащие от 0,8 до 5% кремния. Легирование кремнием значительно повышает удельное электросопротивление, что сильно снижает потери на вихревые токи. При этом остальные магнитные свойства не снижаются, а даже несколько улучшаются. Содержание кремния сильно влияет также на механические свойства стали. С ростом его содержания растет твердость и хрупкость материала.

Для листовых электротехнических сталей характерно: ₀ J_S = 2 T, B_r = 0,7  1,6 T, H_C = 80  60 А/м (рекордное значение порядка 1 А/м),  = 0,25  0,60. Высокое электросопротивление и малая толщина электротехнической стали позволяют применять ее в сильных полях на частотах до нескольких килогерц, а в слабых полях - во всем звуковом диапазоне частот. При этом очень важной характеристикой являются удельные потери. Так, для стали Э11 с толщиной листа 1 мм они характеризуются величинами Р10/50 = 5,18 и Р15/50 = 13,4. Для стали ЭЗЗ0А с толщиной листа 0,35 мм Р10/50 = 0,5 и Р15/50 = 1,10. Здесь буква Р означает удельные потери в ваттах на килограмм, число в числителе - индукция в килогаусах (10 кгс = 1 Т), а в знаменателе - частота, на которой определяются потери.

В слабых полях (до сотен ампер на метр) и на высоких частотах (до сотен килогерц) широко применяют пермаллой – сплавы железа с никелем, часто лигированны молибденом, кобальтом, хромом и др. Пермалой выпускается в виде лент толщиной 2,5 - 0,002 мм, а также листов и прутков разной толщины. Для сердечников элементов вычислительной техники выпускаются специальные пермалоевые ленты толщиной до 2  10 мк. Пермалой очень чувствителен к механическим воздействиям (наклеп, механические напряжения). После изготовления сердечники из пермалоя обычно проходят специальную термическую обработку в вакууме или восстановительной среде (водороде). Некоторые марки пермалоя (например, 50 НП, 65 НП) имеют магнитную текстуру, создаваемую путем термообработки в магнитном поле. Электрические и магнитные свойства пермалоев зависят от химического состава и обработки. Порядок характерных величин для них следующий: B_S= 0,6  1,6 T; B_r / B_S достигает 0,85  0,95, а в тонких лентах до 0,98, H_C = 32  1 А/м;  = 0,25  0,50 Ом мм²/м.

В тех случаях, когда необходимо возможно большую индукцию, применяют такие сплавы, как пермендюр, у которых ₀ J_S достигает 2,46Т. На высоких частотах (до мегагерц) и в импульсных полях применяют сердечники из ферритов. Ферриты - твердые не пластические вещества. Процесс их изготовления аналогичен процессу изготовления керамики, вследствие чего их часто называют магнитной керамикой. В отличии от ферромагнитных магнитомягких материалов ферриты обладают малой индукцией насыщения B_S= 0,5  0,13 T и большим удельным электросопротивлением, которое у разных марок феррита колеблется от 10³ до 10¹⁰ Омсм. Для большинства ферритов также характерна значительная зависимость свойств от температуры и низкая температура Кюри (100  500⁰С). Коэрцитивная сила лежит в пределах (для магнитомягких ферритов) H_C = 8  700 А/м.

В импульсной технике, когда счет времени идет на наносекунды, при создании микромодулей примененяют магнитные пленки из пермаллоя.

Существуют и другие типы магнитомягких материалов, например, с ярко выраженной зависимостью магнитных свойств от температуры (термомагнитные сплавы) и др.

Значительный прогресс в совершенствовании магнитных свойств и технологии магнитотвердых материалов, достигнутый за последние десятилетия, сделал их одним из важнейших электротехнических материалов.

Свойства магнитотвердых материалов характеризуются, в первую очередь, тремя параметрами: остаточной индукцией B_r, коэрцитивной силой H_C и магнитной энергией, определяемой как произведение (BH)_макс кДж/м³.

Среди магнитотвердых материалов в настоящее время наибольшее значение имеют сплавы на основе системы железо-никель-алюминий-кобальт, а также магнитотвердые ферриты и некоторые специальные материалы, например, на основе системы железо-кобальт-молибден. В последнее время большое значение приобретают сплавы, легированные редкоземельными элементами, обладающие особо высокими магнитными свойствами. Магнитотвердые материалы часто классифицируются по технологическому признаку: литые, металлокерамические и ковкие. Первые две группы сплавов (железо-никель-алюминевые сплавы и ферриты) отличаются большой твердостью и хрупкостью. Постоянные магниты из них изготавливаются, соответственно, литьем и металлокерамическими методами с последующей обработкой шлифованием, электрофизическими и электрохимическими методами. В процессе изготовления большинство постоянных магнитов проходят специальную термическую обработку. Сплавы с высоким содержанием кобальта проходят термическую обработку в магнитном поле, приобретая при этом магнитную текстуру. Особо высокие свойства магнитные сплавы приобретают при создании в них направленной кристаллизации или при структуре, близкой к монокристаллической. Последняя обеспечивается путем переплава в специальных вакуумных установках.

Характерный диапазон параметров литых магнитотвердых материалов:

B_r = 0,4  1,4 T; H_C = 40  150 кА/м; (BH)_макс = 7,2  80 Т∙ кА/м.

Для ферритов B_r = 0,18  0,40 T; H_C = 110  240 кА/м; (BH)_макс = 5,5  28 Т кА/м.

Рекордные показатели имеют материалы на базе кобальта и редкоземельных элементов: B_r = 0,8 T; H_C = 700 кА/м; (BH)_макс = 200 Т кА/м.