МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Магнитомягкие материалы должны иметь малую коэрцитивную силу (что уменьшает потери на гистерезис), большое значение магнитной проницаемости (что увеличивает к.п.д. трансформатора), большое значение индукции насыщения (что позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы), повышенное удельное сопротивление, (что уменьшает потери на вихревые токи). Кроме того, их свойства не должны изменяться с течением времени и при изменении температуры.

Очень существенным является также требование независимости магнитных свойств рассматриваемых материалов от величины механических напряжений, приложенных к магнитопроводу. Чем меньше эта зависимость, то есть чем меньше магнитострикция материала, тем большие усилия стяжки, обжимки можно прикладывать ксердечнику, не опасаясь ухудшения его параметров.

Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. Среди элементарных ферромагнетиков железо имеет наибольшую индукцию насыщения (около 2,2 Тл). Особое чистое железо (электролитическое и карбонильное) содержит малое количество примесей (меньше 0,5%). Электролитическое железо получают электролизом раствора сернокислого или хлористого железа. Осажденное на железном катоде железо снимают, размельчают в порошок, отжигают в вакууме, после чего переплавляют (тоже в вакууме).

Карбонильное железо вырабатывают термическим разложением пентакарбонила железа согласно уравнению Fe(CO₅) = Fe + 5CO. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что дает возможность изготовлять сердечники прессованием. В карбонильном железе отсутствуют кремний, фосфор и сера, но есть углерод. Магнитные свойства различных видов железа приведенные в таблице 5.1. Примеси слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация меньше границы растворимости. Низкую границу растворимости в железе имеют углерод, кислород, азот, сера. Поэтому такие примеси являются наиболее вредными. При охлаждении металла после термообработки такие примеси выделяются в виде микровключений побочных фаз, которые затрудняют смещение доменных границ в слабом магнитном поле. Свойства железа зависят также от структуры материала, размера зерен, наличия механических напряжений.

Технически чистое железо содержит небольшое количество примесей серы, углерода, марганца, кремния и других. Их суммарный объем - 0,08-0,1%.

Кремнистая электротехническая сталь (тонколистовая) является основным магнитомягким материалом. Примесь кремния в железе повышает удельное сопротивление, что снижает потери на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также связывает кислород в SiО₂. Последний выделяется в виде шлака. Это приводит к повышению магнитной проницаемости и уменьшает величину коэрцитивной силы. Промышленные марки электротехнической стали имеют не большее 5% кремния. Это связано с ростом хрупкости и ломкости стали, что делает невозможным штамповку из неё деталей. Кремний также уменьшает индукцию насыщения.

Свойства стали, возрастают при ее холодной прокатке вследствие возникновения магнитной текстуры (ребровой или кубической, как показано на рис. 5.3). Эффективное использование текстурированных сталей возможно только при такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит вдоль направления легкого намагничивания. Поэтому сердечники трансформаторов из электротехнической стали с реберной текстурой выгодно изготовлять в виде ленты.

Марки сталей обозначают четырьмя цифрами.

Первая цифра обозначает класс по структурному состоянию и прокатке стали: 1 – горячекатаная изотропная; 2 -холоднокатаная изотропная; 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой; 5 - холоднокатаная изотропная с кубической текстурой.

Вторая цифра обозначает количество кремния в сплаве: 0 - до 0,4 %; 5 - до 3,8-4,8 %

Третья цифра обозначает группу по основной нормированной характеристике: 0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц; 1 - удельные потери при индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц; 2 - удельные потери при индукции 1 Тл и частоте 400 Гц; 4 - удельные потери при индукции 0,5 Тл и частоте 3 кГц; 6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при Н<0,4 А/м; 7 - магнитная индукция при напряженности 10 А/м.

Четвертая цифра обозначает порядковый номер разработки.

Таким образом, марка стали 3405 означает: холоднокатаную анизотропную с ребровой текстурой, с наличием кремния (2,8-3,8)%, рекомендованная для индукции 1,7 Тл, при частоте 50 Гц, номер разработки 5.

Пермаллои – это железоникелевые сплавы, которые имеют большую магнитную проницаемость в низких полях и маленькую коэрцитивную силу.

Низконикелевые пермаллои имеют (40-50)% никеля, а высоконикелевые – (72-80)%. Изменение основных магнитных свойств нелегированных пермаллоев в зависимости от состава сплава приведены на рис. 5.11 Наибольшее значение магнитной проницаемости имеет сплав с 78,5% Ni. Это объясняется отсутствием у него магнитной анизотропии и явления магнитострикции. Вследствие малой анизотропии облегчается поворот магнитных моментов доменов из направления легкого намагничивания в направлении магнитного поля, а отсутствие магнитострикции не вызовет появления механических напряжений, которые задерживают смещение доменных границ под влиянием слабых полей. Магнитные свойства пермаллоев зависят от химического состава, наличия примесей, режимов термообработки. Недостатком пермаллоев является малое удельное сопротивление и уменьшение магнитной проницаемости с ростом частоты. Кроме того, стоимость их достаточно высока.

Для придания пермаллоям необходимых свойств, в их состав вводят ряд примесей: Mn и Сr - повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость, однако снижают индукцию насыщения; Cu - делает постоянной магнитную проницаемость в малых полях, повышает температурную стабильность и удельное сопротивление; Si и Мn - увеличивают удельное сопротивление.

Пермаллои подразделяют на четыре группы:

1 группа характеризуется большой магнитной проницаемостью ₍m_н = 20000 ÷ 200000, m_max = 100000 - 1000000). Это сплавы марок 79НМ, 80ХС, 81НМА, 78НМ и прочие. Их используют для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле, магнитных экранов, магнитных усилителей.

2 группа имеет большую магнитную проницаемость и повышенное удельное сопротивление (m_н = 1500 - 6000; m_max = 15000 - 100000, В_S = 1,0-1,4 Тл; ρ = 0,9-1,0 мкОм×м). Это сплавы марок 50 НХС, 38НС. Их используют как сердечник импульсных трансформаторов и звуковых частот.

Пермаллои 3-ои группы имеют большую магнитную проницаемость и повышенную индукцию насыщения ( m_Н = 2000 - 5000; m_max = 20000 - 300000, В_мах = 1,3-1,5 Тл). Это сплавы марок 50Н, 50Н-ВИ. Сердечники из таких материалов используют для работы в постоянных и переменных полях в широком диапазоне частот.

4 группа - пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса. Это сплавы 50НП, 68НМП, 79НМП. Их используют в устройствах памяти.

Альсиферы - это тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав 9,5% Si, 5,6% Al, остальное Fe. Из альсифера изготовляют магнитные экраны, корпусы устройств. Он очень хрупок.