Магнитомягкие материалы

Основным видом потерь в магнитомягких материалах являются потери на вихревые токи, которые для листового образца про­порциональны квадрату частоты перемагничивания. Это явление связано с магнитным поверхностным эффектом, суть которого со­стоит в следующем. В магнитомягком материале магнитное поле вытесняется в поверхностные слои листа и магнитная индукция рас­пределяется в сечении листа так, что центральная часть намагни­чивается слабее, чем поверхностные слои. При этом магнитная индукция снижается тем больше, чем выше частота перемагничи­вания.

Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо

• снижать толщину отдельных листов магнитного материала, так как при уменьшении толщины листа магнитный поверхностный эффект про­является слабее;

• применять магнитные материалы с повышенным удельным электрическим сопротивлением, так как чем оно больше, тем на более высоких частотах можно использовать материал.

Магнитно-мягкие материалы, обладая высокой магнитной про­ницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформа­торов, электромагнитов, в измерительных приборах и в ряде других случаев, где необходимо при наименьшей затрате энергии достиг­нуть наибольшей индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют магнитно-мягкие материалы с повышенным удельным электрическим сопротивлением, обычно применяя магнитопроводы, собранные из отдельных изолированных друг от друга тонких листов.

Железо (низкоуглеродистая сталь). Технически чис­тое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшаю­щих его магнитные свойства. Благодаря сравнительно низкому удельному электрическому сопротивлению технически чистое же­лезо используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока. Обычно технически чистое железо изготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах или конверторах и имеет суммарное содержание примесей до 0,08— 0,1%. За рубежом такой материал известен под названием «армко-железо».

Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь — это одна из разновидностей технически чистого железа, выпускается в виде листов толщиной от 0,2 до 4 мм, содержит не свыше 0,04% углерода и не свыше 0,6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости для различных марок — не менее 3500— 4500, коэрцитивная сила — соответственно не более 100—65 А/м.

Особо чистое железо, содержащее "весьма малое количество примесей (менее 0,05%), может быть получено двумя сложными путями, в результате которых получают: '"

1. Электролитическое железо изготовляют 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 или переплавку в вакууме.

2. Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа согласно уравнению Fe(CO)6=Fe+5CO. Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получае­мую воздействием окиси углерода на железо при температуре около 200°С и давлении около 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его весьма удобным для изготовле­ния прессованных высокочастотных магнитных сердечников.

Листовая электротехническая сталь является основным магнит­но-мягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивле­ния, что дает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, присутствие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали. Это дает увеличение μн, уменьшение Нс и снижение потерь на гистерезис. Вместе с тем кремний неблагоприятно влияет на механические свойства железа, увеличивая его хрупкость и затрудняя прокатку в листы и штамповку. При содержании кремния до 4% сталь обла­дает еще достаточно хорошими механическими свойствами, но при содержании кремния выше 5% она становится очень хрупкой. Путем комбинированной горячей и холодной прокатки кремнистой стали и особой термической обработки можно изготовить текстурованную сталь крупнокристаллического строения, причем кри­сталлы оказываются ориентированными таким образом, что ось их легкого намагничивания совпадает .с направлением прокатки. Магнитные свойства такой стали в направлении прокатки значи­тельно выше, чем стали, не подвергавшейся подобной обработке.

Высоколегированная сталь находит применение главным образом для сердеч­ников трансформаторов. Применение этой стали в силовых трансформаторах позволяет умень­шить массу и габаритные размеры на 20—25%, а в радио трансформаторах — на 40%.

К характеристикам электротехнической, стали относятся:

1) магнитная индукция В с числовым индексом, который опре­деляет соответствующую напряженность магнитного поля (кА/м);

2. суммарные удельные потери мощности в ваттах на килограмм стали (отдельные листы стали изолированы друг от друга), нахо­дящейся в переменном магнитном поле, обозначаемые буквой Р с индексом в виде дроби, числитель которой представляет собой амплитудное значение магнитной индукции в теслах, а знамена­тель — частоту в герцах.

Пермаллои.Это железоникелевые сплавы, обладают весьма большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей, что связано с практиче­ским отсутствием у них анизо­тропии и магнитострикции. Различаютвысоко никелевыеиниз­коникелевыепермаллои. Высоко никелевые пермаллои содержат 72—80%Ni, низконикелевые 40—50%Ni.

Характеристики пермаллоев. Изменение ос­новных магнитных свойств и удельного сопротивления спла­вов железо—никель в зависимо­сти от содержания никеля по­казано на рис. 9-14. 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 очень 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 высоко никелевых пермаллоев почти в два раза ниже, чем у электротехнической стали, и в полтора раза ниже, чем у низконикелевых пермаллоев. Магнитные проницаемости высоко никелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низко­никелевых, и намного превосходят проницаемости электротехнических сталей. Удельное сопротивление высоко никелевых пермал­лоев почти в 3 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.

Влияние легирующих добавок. Для придания спла­вам необходимых свойств в состав пермаллоев вводится ряд добавок. Молибден и хром повышают дельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермал­лоев и уменьшают чувствительность к механическим деформациям. К сожалению, одновременно с этим снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство р, в узких интервалах напряженности магнитного поля, повышает тем­пературную стабильность и удель­ное сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися механической обработке. Кремний и марганец в основном только увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.

Альсиферы. Сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5%Si, 5,6%Al, остальное Fe. Такой сплав отличается твёрдостью и хрупкостью, но может быть изготовлен в виде фасонных отливок. Основные свойства альсифера: _н=35500, _макс=120000, H_c=1,8 А/м, =0,8 мкОм  м, т. е. не уступают свойствам высоконикелевых пермаллоев. Изделия из альсифера: магнитные экраны, корпусы приборов и т. д.— изготовляются методами литья с толщиной стенок не менее 2—3 мм из‑за хрупкости сплава. Эта особенность ограничивает применение данного материала. Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.

Магнитодиэлектрики представляют собой одну из разновидностей магнитных материалов, предназначенных для использования при повышенных и высоких частотах, так как они характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, а следовательно, и малым тангенсом угла магнитных потерь. Магнитодиэлектрики получают путём прессовки порошкообразного ферромагнетика с изолирующей зёрна друг от друга органической или неорганической связкой. В качестве основы применяют карбонильное железо, размолотый альсифер и др. Изолирующей связкой служат фенолоформальдегидные смолы, полистирол, стекло и т. п. От основы требуется наличие высоких магнитных свойств, от связки — способность образовывать между зёрнами сплошную, без разрыва электроизоляционную плёнку. Такая плёнка должна быть по возможности одинаковой толщины и должна прочно связывать зёрна между собой. Магнитодиэлектрики характеризуют эффективной магнитной проницаемостью, которая всегда меньше μ ферромагнетика, составляющего основу данного магнитодиэлектрика. Это объясняется двумя причинами: наличием неферромагнитной связки и тем, что магнитную проницаемость магнитодиэлектриков часто приходится измерять у готовых сердечников, а не у тороидов.

Материалы специализированного назначения