Магнитомягкие материалы

Основные требования.

В постоянных и низкочастотных магнитных полях (на частотах до единиц килогерц) применяют металлические магнитомягкие материалы: листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы (пермаллои). Эти материалы должны обладать малой ко­эрцитивной силой, высокой магнитной про-ницаемостью и малыми потерями при перемагничивании, что позволяет широко использо­вать их в устройствах, где требуется получение максимальных зна­чений индукции материала при минимальных затратах энергии на перемагничивание.

Основным видом потерь в магнитомягких материалах являют­ся потери на вихревые токи, -пропорциональные для листового об­разца квадрату частоты перемагничивания [см. выражение (19.10)].

Основным видом потерь в магнитомягких материалах являют­ся потери на вихревые токи, -пропорциональные для листового об­разца квадрату частоты перемагничивания [см. выражение (19.10)].

В основе этого явления лежит магнитный поверхностный эффект, который связан, аналогично поверхностному эффекту в про­водниках, с вытеснением поля в поверхно­стные слои листа, что сопровождается изме­нени-ем распределения магнитной индукции в сечении листа (центральная часть сечения намагничивается слабее, чем приповерхно­стные слои). В среднем магнитная индукция материала снижается и тем больше, чем выше частота перемагничивания (рис. 20.1).

Уменьшение потерь на вихревые токи в соответствии с формулой (19.10) достига­ется двумя способами: снижением толщины отдельных листов, из которых собирают магнитопровод; применением магнитных ма­териалов с повышенным удельным сопротив­лением.

При уменьшении толщины листа магнитный поверхностный эф­фект проявляется слабее. Причем, чем выше частота перемагничивания материала, тем тоньше должны быть отдельные листы магнитопровода и тем больше должно быть значение удельного элект­рического сопротивления материала, чтобы сохранить потери на вихревые токи на прежнем уровне. Кроме того, отдельные листы магнитопровода изолируют друг от друга, что препятствует сложе­нию отдельных вихревых токов {i₁ + i₂+ ••• +i_n) и приводит к сни­же-нию общих тепловых потерь, пропорциональных согласно зако­ну Джоуля —Ленца квадрату величины протекающего тока.

С точки зрения механических свойств магнитомягкие материа­лы для низкочастотных полей должны обладать высокой пластич­ностью, обеспечиваю-щей качественную вырубку пластин для магнитопроводов. Геометрические параметры листовых материалов должны характеризоваться малыми колебаниями толщины мате­риала, отсутствием окалины, бугров, вмятин. Все перечисленные факторы уменьшают платность прилегания отдельных листов маг­нитопровода друг к другу, снижают фактический коэффициент заполнения магнитопровода магнитным материалом за счет зазо­ров, пустот. Это приводит к увеличению габаритов магнитопро­вода.

-Электротехнические стали

Из всех ферромагнитных металлов наиболее высокими значе­ниями индукции насыщения обладает железо. Его свойства улуч­шают присадками некоторых элементов и в виде электротехниче­ской стали широко используют в устройствах, работающих на по­стоянном и переменном токах низкой частоты. Применяют две ос­новные разновидности магнитомягких электротехнических сталей: низкоуглеродистые стали и кремнистые стали.

Низкоуглеродистая электротехническая сталь. Это сталь с со­держанием углерода менее 0, 1%, выплавляемая в электрических или мартеновских печах. Отечественная промышленность выпускает такие стали в виде листов толщиной 0, 2—4 мм, марок Э, ЭА, ЭАА, ЭП355 и ЭП620, общее содержание примесей в них не превышает 1%. В наибольшей степени ухудшают магнитные свойства мате­риала примеси углерода и серы. Их содержание не должно превышать сотых долей процента.

Электротехническая сталь поступает от предприятия-изготовите­ля в необожженном состоянии с посредственными магнитными свой­ствами. Высокие магнитные свойства (проницаемость, индукцию насыщения и др.) материал приобретает в результате специальной термообработки, которая заключается в медленном нагреве до 900° С, длительный выдержке (2—4 ч) и медленном охлаждении (не более чем на 30—40° С в час) до 600° С. Для предохранения от окисления материала весь цикл термообработки проводят или в защитной среде, предохраняющей металл от окисления, или в активной среде (азот + водород), обеспечивающей дополнительную очистку стали от при-месей. В результате термообработки кроме очистки материала происходит увеличение размеров отдельных кристаллических, зерен, сокращение числа зерен в единице объема и вследствие этого улучшение магнитных свойств материала.

Этот материал отли­чается низкой стоимостью, технологичностью, легко обрабатывает­ся и штампуется, обладая в то же время сравнительно высокими магнитными свойствами в постоянных магнитных полях. В пере­менных магнитных полях из-за низкого эл. сопротивле­ния порядка 0, 1 мкОм *м в этих сталях возникают большие потери на вихревые токи, особенно при больших значениях индукции [см. выражение (19.10)].

Из них изготавливают,, например, сердечники трансформаторов, детали реле, элементы магнитоэлектрических, индукционных и электромагнитных прибо­ров и т. д.

Кремнистые электротехнические стали. Одним из путей умень­шения потерь на вихревые токи в листах низкоуглеродистой стали является повышение ее удельного электрического сопротивления. При легировании такой стали кремнием последний образует с железом твердый раствор и повышает сопротивление стали в 2—6.

Присутствие кремния в стали улучшает ее состав, поскольку кремний связывает часть растворенных в металле газов и в пер­вую очередь кислород.

Легирование кремнием оказывает благоприятное действие на магнитные свойства стали: снижается ее магнитострикция, сталь приобретает более крупнозернистую структуру. Это приводит к увеличению магнитной проницаемости стали, снижению коэрци­тивной силы и потерь при перемагничивании. Вместе с тем кремний неблагоприятно влияет на механические свойства стали, повышая ее твердость и хрупкость. При содержании кремния свыше 5% снижается индукция материала, затрудняется прокатка и штампов­ка стали.

Кремнистые стали изготавливают двумя способами: горячей и холодной прокаткой. По уровню магнитных свойств, геометриче­ской точности листа, качеству отделки холоднокатаные стали су­щественно превосходят горячекатаные и постепенно вытесняют последние.