Тема 5.1 Основные характеристики магнитных материалов

Материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются, т. е. приобретают особые магнитные свойства, называют магнитными.

Основными магнитными материалами являются железо, никель, кобальт и различные сплавы на основе технически чистого железа. Свойства магнитных материалов оцениваются магнитными характеристиками:

1) Магнитная проницаемость (относительная магнитная проницаемость) μr является безразмерной величиной и входит в выражение абсолютной магнитной проницаемости (Гн/м):

где μо — магнитная постоянная, равная 1,256637· 10-6 Гн/м.

Магнитная проницаемость определяет способность материала к намагничиванию: чем она больше, тем легче намагничивается материал и, наоборот, чем она меньше, тем в меньшей степени материал может быть
намагничен.

Всякий магнитный материал обладает магнитными свойствами только до определенной температуры — температуры Кюри θК, по достижении которой магнитные свойства у материала исчезают, т. е. он не может быть намагничен. Это обусловлено дезориентацией внутренних областей (доменов) намагничивания из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала.

2) Индукцией насыщения Bs определяются свойства магнитного материала, поведение которого в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания (рис. 42).

Рисунок 42 Начальная кривая намагничивания (1) и петля гистерезиса (2)

Эта кривая показывает изменение магнитной индукции В магнитного материала в зависимости от напряженности Н: вначале магнитная индукция растет, затем ее рост замедляется, а по достижении индукции В она остается постоянной. При этом говорят, что магнитный материал достиг насыщения, а
индукцию В называют индукцией насыщения. Чем больше Bs, тем выше свойства магнитного материала. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл).

3) Остаточная магнитная индукция Вr и коэрцитивная сила Нс также характеризуют свойства магнитных материалов. Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, то магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой намагничивания. Эта кривая начинается в точке О и заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения Bs.

При уменьшении напряженности Н магнитная индукция также будет уменьшаться, но начиная с Вм ее значения не будут совпадать со значениями этой характеристики на начальной кривой намагничивания, и, когда напряженность магнитного поля станет равной нулю, в образце магнитного материала будет обнаруживаться остаточная магнитная индукция Вr.

Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное (— Н). Напряженность поля Hs, при которой индукция станет равной нулю, называют коэрцитивной силой.

Если после этого образец магнитного материала начать намагничивать в противоположном направлении, то снова будет наблюдаться индукция насыщения (—Bs). При дальнейшем уменьшении напряженности магнитного поля до Н = 0 и новом намагничивании в первоначальном направлении индукция будет непрерывно увеличиваться до индукции насыщения Bs.
В результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной или статической петлей гистерезиса. Предельную петлю гистерезиса снимают при медленном изменении постоянного магнитного поля от + Н до —Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения Bs.

4) Коэффициент прямоугольности αп, характеризующий степень прямоугольности предельной петли гистерезиса, рассчитывают по формуле:

Чем больше αп, тем более прямоугольна петля гистерезиса.

При воздействии на материал переменного магнитного поля получают динамическую кривую намагничивания и динамическую петлю гистерезиса. Отношение значения индукции к значению магнитного поля на динамической кривой представляет собой 5) динамическую магнитную
проницаемость:

При низких частотах и малой толщине магнитного материала динамическая кривая намагничивания совпадает со статической. При этом значения динамической магнитной проницаемости практически совпадают со значениями проницаемости, вычисленными по статической кривой намагничивания. Динамическая петля гистерезиса имеет несколько большую площадь, чем статическая, так как при воздействии переменного магнитного поля в материале кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие.

Потери энергии на вихревые токи Рв зависят от удельного электрического сопротивления ρ магнитного материала: чем оно больше, тем меньше потери на вихревые токи.

6) Удельная объемная энергия W — это энергия, создаваемая постоянным магнитом в воздушном зазоре (между его полюсами), отнесенная к единице
его объема (Дж/м3).

Магнитной характеристикой материала является максимальная объемная энергия (Дж/м3):

где Bd и Hd — индукция и соответствующая максимальной удельной объемной энергии напряженность магнитного поля.

Согласно поведению в магнитном поле магнитные материалы делят на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы обладают большой начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Эти материалы легко намагничиваются и размагничиваются и отличаются малыми потерями на гистерезис, т. е. им соответствует узкая петля гистерезиса.

Чем меньше различных примесей в магнитомягком материале, тем выше его характеристики, т. е. тем больше μн и μм и тем меньше Нс и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитомягких материалов стремятся
удалить из них наиболее вредные примеси — углерод С, фосфор Р, серу S, кислород О2, азот N2 и различные оксиды. Одновременно стараются не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем

внутренних напряжений. Магнитомягкие материалы используют для изготовления сердечников электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов.

Магнитотвердые материалы обладают большими коэрцитивной силой и остаточной индукцией и соответственно имеют широкую петлю гистерезиса. Эти материалы намагничиваются с большим трудом, а будучи намагничены могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т. е. служить источниками постоянного магнитного поля. Магнитотвердые материалы применяют главным образом для изготовления постоянных магнитов.

По составу все магнитные материалы делятся на металлические и неметаллические. К металлическим относят чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов, а к неметаллическим — ферриты.

«Металлические магнитомягкие материалы»

Основными металлическими магнитомягкими материалами, применяемыми в электротехнике, являются пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремниевые стали.

Пермаллои — пластичные железоникелевые сплавы содержанием никеля от 36 до 80 %. Для улучшения тех или иных свойств в них вводят молибден, хром или медь, получая легированные пермаллои. Пермаллои, содержащие 36—50 % никеля, называются низконикелевыми, а 60—80 % — высоконикелевыми.

Все пермаллои отличаются высокими магнитными характеристиками, что обеспечивается не только их составом и химической чистотой, а также
специальной тепловой обработкой. При этом сплав нагревают со скоростью 400—500 °С в час, выдерживают при 1000—1150°С в течение 3—6 ч, затем охлаждают со скоростью 100—200 °С в час до комнатной температуры. Некоторым пермаллоям необходим повторный нагрев до 600 °С и быстрое охлаждение со скоростью 150 °С в минуту. Наилучшие магнитные характеристики имеют пермаллои, отжигаемые в вакууме.

Все пермаллои чувствительны к механическим деформациям, наклепу при резке, штамповке и другим механическим воздействиям. Поэтому детали из пермаллоя, полученные этими способами, подвергают дополнительной тепловой обработке — отжигу (по определенному режиму).

Пермаллои поставляют в виде лент толщиной 0,002—1,5 мм, листов толщиной 1—2,5 мм и прутков диаметром 8—60 мм и более. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, а высоконикелевые — деталей аппаратуры, работающих на частотах несколько выше звуковых.

Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5—13 % алюминия, 9—10 % кремния, остальное — железо. Альсиферы предназначались для замены дорогих пермаллоев, но удалось это сделать в
сравнительно ограниченной области их применения. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 20 кГц, так как на более высоких частотах в них возникают большие потери
на вихревые токи. Кроме того, из альсифера отливают полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм.

Трансформаторные стали. Электротехнические кремнистые стали представляют собой низкоуглеродистые стали (0,04%), в которые вводят от 0,8 до 4,8 % кремния для улучшения магнитных свойств. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, реагирует с закисью железа FeO. При этом
из стали выделяется чистое железо и образуется кремнезем 2FeO + Si →2Fe+Si02.

Кремнезем повышает удельное сопротивление стали, что снижает потери на вихревые токи. Кремний также способствует росту кристаллов железа, что
повышает уровень магнитных характеристик стали. Введение больших количеств кремния в сталь улучшает все магнитные характеристики, но вызывает ее повышенную хрупкость, исключающую изготовление из нее штампованных деталей. Поэтому вводят кремний в сталь в количестве, не превышающем 4,8 %.

Листы кремнистой стали изготовляют прокаткой заготовок в нагретом или не нагретом состоянии. В соответствии с этим различают горячекатаную и холоднокатаную кремнистую сталь.

Как известно, железо имеет кубическую структуру кристаллов и намагничивается наиболее интенсивно, когда направление магнитного поля совпадает с направлением ребра куба кристалла. Поэтому для улучшения

магнитных свойств листы электротехнической стали прокатывают в холодном состоянии в одном и том же направлении, после чего отжигают в атмосфере водорода при 900 °С.

При прокатке листов стали в одном и том же направлении кристаллы железа ориентированы преимущественно в направлении прокатки. При последующем отжиге листов стали из материала удаляются примеси,
снижающие его магнитные свойства (углерод, кислород). Кроме того, при отжиге деформированные прокаткой кристаллы железа принимают прежнюю форму.

Холоднокатаные кремнистые стали, кристаллы железа которых расположены преимущественно в направлении прокатки, называют текстурованными.

Улучшенные магнитные характеристики наблюдаются у холоднокатаных сталей только при совпадении направления их прокатки с направлением магнитного потока. В ином случае все магнитные характеристики холоднокатаных текстурованных сталей ниже, чем горячекатаных.

Поэтому холоднокатаные стали наиболее рационально применять в ленточных сердечниках и других конструкциях, где направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки.

Электротехническую сталь прокатывают в листы и ленты толщиной от 0,05 до 1 мм. Это доступный и дешевый материал. Для сердечников электрических машин, имеющих круглую форму, применяют горячекатаные
стали, а также холоднокатаные малотекстурованные, которые обладают лучшими магнитными свойствами, чем горячекатаные.

Обозначения марок электротехнической стали расшифровываются следующим образом: буква Э — «электротехническая сталь»; первые цифры 1, 2, 3 и 4 после буквы Э —степень легирования кремнием, а именно: 1 — слаболегированная сталь с содержанием кремния в пределах 0,8—1,8%, имеющая удельное объемное сопротивление 0,2·10 - 6 Ом·м; 2 — среднелегированная с содержанием кремния в пределах 1,8—2,8% (0,40-10 -6 Ом-м); 3 — повышенно легированная сталь с содержанием кремния в пределах 2,8—3,8% (0,50·10 -6 Ом· м); 4 — высоколегированная сталь с содержанием кремния 3,8—4,8% (0,60· 10-6 Ом-м). Вторые цифры (от 1 до 8) указывают на важнейшие магнитные свойства: 1 — нормальные удельные потери; 2 — пониженные потери; 3 — низкие потери; буква А — особо низкие потери; 4 — гарантированные значения потерь при частоте 400 Гц и магнитной индукции в средних по силе полях; 5 — гарантированное значение относительной магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 6 — гарантированное повышенное значение относительной магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 7 — гарантированное значение относительной магнитной проницаемости в средних магнитных полях; 8 — гарантированное повышенное значение относительной магнитной проницаемости в средних магнитных полях. Третья цифра (0) означает холоднокатаную текстурованную сталь; третья и четвертая
цифры (00) означают холоднокатаную малотекстурованную сталь. Примеры обозначения марок: Э41, Э48А, Э3100, Э330А.

В трансформаторостроении применяют листовую и рулонную электротехническую сталь преимущественно толщиной 0,35 и 0,5 мм. Применение стали пониженной толщины сказывается благоприятно на снижении потерь на вихревые токи.

«Изолирующие и защитные покрытия трансформаторных сталей»

Магнитопроводы трансформаторов собирают из пластин электротехнической стали, изолированных пленкой жаростойкого покрытия или лака.

Магнитопроводы ремонтируют частично и полностью, в зависимости от степени повреждения.

Очаги прогара и оплавления активной стали расчищают, снимая образовавшиеся наплывы металла карборундовым камнем или вырубая зубилом. После очистки поврежденного участка от наплывов металла частично распрессовывают пластины магнитопровода на этом участке, отделяют сварившиеся кромками пластины друг от друга, и очистив этот участок от остатков старой изоляции и металлических опилок, изолируют пластины снова.

Полная разборка и перешихтовка магнитопровода необходима при таких тяжелых повреждениях, как «пожар стали», при котором может выйти из строя значительная часть пластин активной стали магнитопровода и изоляционных деталей.

Очистку листов стали (пластин) магнитопровода от старой изоляции осуществляют механическим и химическим способами, а также отжигом и отпариваем в горячей воде.

Механический способ используют преимущественно для очистки пластин горячекатаной стали обычно на станках с вращающимися стальными кардолентными щетками. Этот способ наиболее распостранненый и простой, обеспечивающий быструю очистку стали, но возникающая шлифовка поверхности увеличивает потери в стали.

Химический способ очистки позволяет легко удалять с пластин лаковую и бумажную изоляцию. При удалении лаковой изоляции пластины погружают в специальную ванну с каустической содой на 15 – 20 минут, затем вынимают и промывают проточной горячей водой и сушат.

Способом отжига в специальных термических печах при 300-500 0С используют для очистки пластин, покрытых тонкими листами бумаги и лаками. Применяют редко из – за резкого снижения магнитной проницаемости и увеличения потерь в стали вследствие образования окалины на поверхности пластин и изменения структуры стали, кроме того идет загрязнение атмосфе5ры продуктами сгорания бумаги и лака.

Наиболее простой способ удаления бумажной изоляции с пластин – отпаривание в воде, нагретой до 90-100 0С. Для ускорения отслоения добавляют слабый раствор каустической соды.

После очистки любым из способов пластины изолируют снова с обеих сторон однократно и двукратно пленкой лака и запекая ее.

Основным повреждением шихтованных сердечников является порча изоляции вследствие повышения температуры магнитопровода. Порча изоляции, в частности лака, отражается в виде высыхания и потрескивания. В следствие повреждения изоляции происходит короткое замыкание, которое приводит к спайке трансформаторных листов. Для предупреждения повреждения сердечников необходимо следить за нагрузкой трансформатора, а следственно, за рабочей температурой трансформатора, производить проверку на наличие повреждений в изоляции.

«Металлические магнитотвердые материалы»

Основное требование, предъявляемое к постоянным магнитам, состоит в том, что они должны создавать в воздушном зазоре между своими полюсами магнитное поле с постоянными по значениям напряженностью и магнитной индукцией. Постоянный магнит должен обладать большой магнитной энергией, т.е. магнитотвердые материалы должны иметь возможно большие
коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается, а следовательно, снижается и удельная магнитная энергия. Этот процесс называют старением магнита. Если старение магнита наступает в результате вибраций, ударов, резкого изменения температуры, ему повторным намагничиванием можно возвратить прежние магнитные свойства. Старение же, связанное с изменением структуры магнитотвердого материала, является необратимым. Поэтому магнитотвердые материалы должны быть устойчивы к старению.

Постоянные магниты изготовляют из стальных прутков и полос мартенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их закаливают на мартенсит, а затем намагничивают. Для стабилизации магнитных характеристик все магниты подвергают искусственному старению.

Лучшими материалами являются кобальтовые стали, но они значительно дороже хромистых и вольфрамовых.

«Ферриты»

Ферриты изготовляют из порошкообразных смесей, состоящих из оксидов железа и специально подобранных других металлов. Отпрессованные ферритовые изделия спекают при высоких температурах. Название феррита определяется названием двухвалентного или реже одновалентного металла, оксид которого входит в состав феррита. Так, если в состав феррита входит
оксид цинка ZnO, то феррит называют ферритом цинка, если оксид никеля NiO — ферритом никеля и т. д.

Ферриты, в состав которых кроме оксида железа входит только один оксид другого металла, называют простыми.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные, или смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы одного простого феррита в другом. В этом случае могут быть использованы немагнитные ферриты в сочетании с магнитными простыми ферритами. Например, твердый раствор двух простых ферритов цинка и никеля образует смешанный никельцинковый феррит.

Ферриты изготовляют по керамической технологии, т. е. исходные порошкообразные оксиды металлов, взятые в определенном соотношении, измельчают в шаровых мельницах, затем из смеси тонкопомолотых порошков прессуют брикеты, которые подвергают первоначальному обжигу в печах. Спекшиеся брикеты размалывают и в полученный тонкодисперсный порошок вводят какой-либо пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изделия (сердечники, кольца), которые обжигают при 1000—1400 °С. Полученные твердые хрупкие изделия (преимущественно черного цвета)
можно обрабатывать только шлифованием.

Достоинство ферритов — стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи и простота изготовления ферритовых деталей.

Как все магнитные материалы, ферриты сохраняют свои магнитные свойства только до температуры Кюри. Температура Кюри различных по составу ферритов колеблется в широких пределах: от 70 до 450 °С. Все ферриты обладают небольшой пористостью.

Недостатком всех ферритов являются хрупкость и возможность обработки только шлифованием.

Ферриты являются магнитными полупроводниками и, следовательно, с ростом температуры их удельное сопротивление уменьшается, что вызывает увеличение потерь на вихревые токи.