3.5. Магнітні матеріали

Магнітні матеріали за своїми експлуатаційними властивостями дуже різноманітні. Розглянемо найважливіш з них. Грубо вони можуть бути розділені на дві групи - на магнітном’які і магнітожорсткі матеріали. Перші з них призначені для виготовлення магнітопроводів, другі - для постійних магнітів. Іншими словами, магнітном’які матеріали проводять магнітний потік, що генерується яким-небудь джерелом, а магнітожорсткі матеріали самі є джерелом магнітного потоку. Дуже часто сполучення матеріалів обох груп являє собою магнітну систему (магнітний ланцюг). За своїм складом і структурою, а також за своїми властивостями матеріали обох груп протилежні один одному.

3.5.1. Магнітом’які сплави

Найважливішим матеріалом цього класу є електротехнічна сталь. Вона повинна мати малу коерцитивну силу і велику магнітну проникність, отже, малі гістерезисні втрати, і по можливості високу індукцію в полях (порядку 1003000 А/м). Якщо в сердечнику трансформатора, наприклад, індукція висока в слабкому полі, то при заданій силі струму в первинній обмотці можна мати менше витків, тобто зменшити габарити трансформатора. Важливо також, щоб втрати на вихрові струми в сердечнику трансформатора або в статорі і роторі двигуна також були малі. Для цього потрібно підвищити електроопір стали, що досягається її легуванням кремнієм. Щоб зазначені втрати, деталі машин і трансформаторів виготовляють із тонких листів товщиною порядку 0,1 мм і ці листи мають електроізоляційні покриття. Їх штампують, збирають у пакети, і з пакетів виготовляють сердечники трансформаторів і деталі електромашин. Крім втрат на вихрові струми і гістерезис, існують ще додаткові втрати, пов'язані з рухом доменних стінок при циклічному перемагнічуванні в змінному полі.

Для зменшення гістерезисних втрат сталь повинна бути чистою, тобто не містити неметалевих включень, і крупнозернистою (0,5 - 1 мм). Але все ж таки розміри зерна не повинні перевершувати 1 мм, тому що при більшому діаметрі зерна будуть зростати додаткові втрати.

При тевній термообробці в електротехнічній сталі отримується так звана текстура Госса (реброва) типу {110} <001>. Вісь найлегшого намагнічування <001> напрямлена вздовж листа і зборка сердечника трансформатора ведеться таким чином, щоб напрямки <001> і магнітного потоку в сердечнику співпадали. Завдяки цьому знижуються гістерезисні втрати й одержується висока індукція в порівняно слабких полях. Текстуровану сталь називають анізотропною, вона йде головним чином для сердечників трансформаторів. Її часто називають трансформаторною. Сталь без текстури називається ізотропною. Вона вживається головним чином для деталей машин (мотори, генератори), у який має місце обертання магнітного силового потоку. Її часто називають динамною.

Технологія виготовлення листової електротехнічної сталі включає виплавку в електропічах, гарячу прокатку, відпали проміжні й остаточні. У більшості випадків для одержання гладкого і точного за розмірами листа останні два обтиснення здійснюються холодною прокаткою з проміжним відпалом. Ця сталь текстурована, вона містить 2,8 - 3,8% Si. Зі зменшенням товщини листа зменшуються загальні втрати Р в основному внаслідок зменшення втрат на вихрові струми. Р зростає зі збільшенням індукції (збільшується площа петлі гістерезису). Магнітна індукція зростає з напруженістю поля і не залежить від товщини листа.

Чисті сорти заліза після спеціальної обробки можна застосовувати, так само як і електротехнічну сталь, тобто як матеріал з високою проникністю в слабких полях, у слабкострумовій апаратурі, що працює в постійному полі.

Проте у промисловості найбільш широкого застосування набули сплави з високою проникністю в слабких полях високої частоти (до 10⁴ Гц), так звані пермалої, на основі нікель - залізо. Ці сплави однофазні, мають, як і нікель, ГЦК гратку і склад (70-85 % Ni) їх лежить в поблизу Ni₃Fe. У них виникає атомне впорядкування при температурах нижче 550 ^оС. Вони мають високу початкову (2010010³) і максимальну (100100010³) проникність та малу коерцитивну силу (0,05-0,003 А/см). Їхня індукція насичення складає 5,27,510^-1 Тл, тобто порівняно невелика, тому що в їхньому складі переважає нікель, а не залізо. Для підвищення електроопору (зменшення втрат на вихрові струми) ці сплави легують Мо, W, V, Сг і іншими елементами, що входять у твердий розчин на основі Ni-Fe. Питомий опір сплавів складає 5570 мкОмсм. Їхня точка Кюрі колеблет- сяколивається від 330 до 450 ^оС. Найбільш поширений сплав 79Н містить 78,5-80% Ni, 3,8-4,1% Мо, останнє - Fe. Його прокочують у холодному стані на стрічки і листи товщиною від 0,005 до 2,5 мм. Чим вище частота, у якій вони працюють, тим тоншими вони повинні бути. При будь-якій технології прокату остаточною обробкою повинен бути високотемпературний рафінуючий (наприклад, у атмосфері водню) відпал. Він видаляє домішкові елементи і знижує внутрішні напруги.

У тих випадках, коли потрібно мати підвищену індукцію насичення, застосовують Ni-Fe сплави, у яких вміст заліза вищий, ніж у розглянутих сплавів. Типовим є сплав 50Н (50% Fe і 50% Ni), що має індукцію насичення ~ 1,5 Тл і порівняно високу максимальну проникність ( 20 000-35000).

У ряді випадків (сердечники магнітних підсилювачів, трансформатори, апаратура зв'язку) потрібно мати високе значення максимальної магнітної проникності (3540010³) і прямокутну форму петлі гістерезису ( = 0,85-0,98). Таке сполучення утворюється на сплаві 50 НП (50% Ni і 50% Fe), підданому холодній прокатці з великим обтисненням (98-99%) і відпалу, в результаті якого утворюється текстура {001} <001>. Через те, що <001> - це напрямок найлегшого намагнічування, стрічка зі сплаву 50 НП має високу максимальну проникність і прямокутну петлю як уздовж, так і поперек прокатки.

Прямокутну петлю гістерезису можна отримати і створенням магнітної текстури. Вона одержується при відпалі в магнітному полі Н при температурі, близькій до точки Кюрі.