Магнітом’які й магнітотверді матеріали

Застосовувані в електротехнічній промисловості магнітні матеріали розділяються на дві основні групи: магнітом’які й магнітотверді.

Магнітом’які матеріали, володіючи високою магнітною проникністю, невеликою коерцетивною силою і магнітними втратами на гістерезис, використовуються в якості сердечників трансформаторів, електромагнітів, у вимірювальних пристроях та в інших випадках, де необхідно при найменшій затраті енергії досягти найбільшої індукції. Магнітом’які, тобто матеріали, що легко намагнічуються, мають вузьку петлю гістерезісу невеликої площі при високих значеннях індукції.

До магнітом’яких матеріалів належать різні марки заліза: (технічно чисте залізо, низьковуглецева електротехнічна сталь листова, електролітичне залізо, карбонільне залізо, кремнієва електротехнічна сталь, пермалої, альсифери.

Низьковуглецева електротехнічна сталь – це один із різно-видів технічно чистого заліза, випускається у виді листів товщиною 0,2-4 мм, містить не більше 0,04% вуглецю і 0,6% інших домішок. Максимальне значення магнітної проникності для різних марок – не менше μ _мах = 3500-4500, коерцетивна сила – відповідно не більше 100-165 А/м.

Кремнієва електротехнічна сталь є основним магніто-м’яким матеріалом масового споживання. Введенням у склад цієї сталі кремнію досягається підвищення питомого опору, що викликає зменшення втрат на вихрові струми. Наявність кремнію в сталі покращує її склад, оскільки кремній зв’язує частину розчинених в металі газів в першу чергу кисень. Легування кремнієм забезпечує покращені магнітні властивості сталі. Збільшується магнітна проникність сталі, знижується коерцитивна сила і втрати при перемагнічуванні. Сталь маркується чотирма цифрами. Перші три цифри разом означають тип сталі, четверта – порядковий номер типу сталі. Сталь, що містить до 4% кремнію, володіє доволі хорошими механічними властивостями, а при наявності домішок вище 5% кремнію вона стає більш хрупкою.

Сталь електротехнічну тонколистову підрозділяють і маркують так:

а) за структурним станом й видом прокатки на класи (перша цифра марки: 1 – гарячекатана ізотропна, 2 – холоднокатана ізотропна, 3 – холоднокатана анізотропна з ребристою текстурою;

б) за вмістом кремнію (друга цифра марки): 0 – зі вмістом кремнію до 0,4% (нелегована); 1 – від 0,4 до 0,8%; 2 – 0,8-1,8%; 3 –1,8-2,8%; 4 – 2,8-3,8%; 5 – 3,8 -4,8%;

в) за основною нормованою характеристикою на групи (третя цифра в марці): 0 – питомі втрати при магнітній індукції 1,7 Тл і частоті 50 Гц: 1 – при 1,5 Тл і 50 Гц; 2 – при 1,0 Тл і 400Гц; 6 – магнітна індукція в слабких магнітних полях при напруженості поля 0,4 А/м; 7 – магнітна індукція в середніх магнітних полях при 10 А/м.

Пермалої – це сплави заліза і нікелю. Основні магнітні властивості цих сплавів залежать від вмісту нікелю. Найбільшу магнітну проникність має сплав що містить 78,5% Nі. Дуже легку намагнічуваність пермалоїв в слабких полях пояснюють відсутністю в них анізотропії. Їх магнітні властивості чуттєві до зовнішніх механічних напружень, залежать від хімічного складу домішок в сплаві. Індукція насичення високонікелевих пермалоїв майже в два рази нижча, ніж в електротехнічній сталі. Магнітна проникність суттєво знижується із збільшенням частоти, що пояснюється виникненням в матеріалі значних вихрових струмів із-за невеликого питомого опору. Введенням в склад пермалоїв молібдену і хрому підвищується питомий опір і початкову магнітну проникність, але з іншого боку одночасно знижується магнітна індукція насичення. Пермалої застосовуються для виготовлення сердечників малогабаритних силових трансформаторів, дроселів, реле і деталей магнітних кіл, що працюють при підвищених індукціях без підмагнічування.

Пермалої випускають декількох груп, кожна з яких містить ще ряд марок. У марках пермалоїв використовують наступні літерні позначення: Н – нікель, К – кобальт, М – марганець, Х – хром, С – кремній, Д – мідь. Додаткова буква У означає сплав з поліпшеними властивостями, П – з прямокутною петлею гістерезиса. Цифра в марці вказує процентний вміст нікелю.

Альсифери – сплави заліза з кремнієм і алюмінієм. Оптимальний склад альсиферу: 9,5 % Sі; 5,6 % Аl, 84,9 % Fе. Основні властивості альсиферу: μ _rн = 35500, μ _rmax = 120000, Н _с = 1,8 А/м, ρ= = 0,8·10 мкОм·м, тобто не поступаються властивостям нікелевих пермалоїв. Завдяки крихкості альсиферу його можна використовувати, як порошок для виготовлення пресованих сердечників.

Умовно магнітом’якими вважають матеріали, в яких Н _с < 800 А/м, а магнітотвердими – із Н _с > 4 кА/м.

Основні вимоги до магнітом’яких матеріалів наступні:

– повинні мати велику індукцію насичення, тобто пропускати максимальний магнітний потік через задану площу поперечного перерізу магнітопроводу. Це дасть змогу зменшити габаритні розміри й масу магнітної системи;

– повинні мати якнайменші втрати на перемагнічування у змінних магнітних полях. Як правило, магнітопроводи збирають з окремих ізольованих один від одного листах або стрічок, які повинні мати високу пластичність для полегшення процесу виготовлення виробів з них;

– повинні мати стабільність властивостей у процесі експлуатації, а також при впливі таких зовнішніх факторів, як температура й механічні напруження.

Характеристиками магнітотвердих матеріалів для постійних магнітів служать коерцитивна сила, залишкова індукція і максимальна індукція, що віддається магнітом у навколишнє середовище. Для них характерна велика площа петлі гістерезису. Магнітна проникність матеріалів для постійних магнітів нижча, ніж магнітом’яких матеріалів, причому чим більша коерцитивна сила, тим менша магнітна проникність.

До магнітотвердих матеріалів також відносять леговані мар-тенситні сталі, литі магнітотверді сплави, магніти із порошків, ферити, металічні і неметалічні матеріали для звукозапису, магнітні носії інформації.

Магнітотверді матеріали за складом, станом й способом одержання підрозділяють на: 1) леговані мартенситні сталі, 2) литі магнітотверді сплави, 3) магніти з порошків, 4) магнітотверді ферити, 5) пластичні сплави, що деформуються і магнітні стрічки.

Для виробництва постійних магнітів спочатку використо-вувалися леговані мартенситні сталі, з огляду на їх невисоку вартість і можливість механічної обробки на металорізальних верстатах. Однак у зв'язку з низькими магнітними характеристиками в цей час їхнє застосування обмежене.

Типові петлі гістерезису магнітом'яких і магнітотвердих матеріалів показані на рис. 6.8.

Рис.6.8. Гістерезисний цикл магнітом’якого (1)

магнітотвердого (2) матеріалів.

Великою магнітною енергією володіють литі магнітотверді сплави: альні (Al - Ni - Fe), альніко (сплав альні з добавкою кобальту), альнісі (сплав альні з добавкою кремнію), магніко (сплав альніко з вмістом кобальту 24%). Поліпшення магнітних властивостей сплавів зумовлено не тільки складом, але й спеціальною обробкою – охолодженням магнітів у сильному магнітному полі.

До недоліків цих сплавів слід віднести їхню твердість і крихкість, внаслідок чого вони можуть оброблятися тільки шляхом шліфування.

Для виготовлення постійних магнітів зі строго витриманими розмірами використовують методи порошкової металургії. Розрізняють металокерамічні магніти, які одержують пресуванням і подальшим спіканням при високій температурі, й металопластичні магніти, які виготовляють із зерен порошку, скріплених зв’язуючими речовинами.

6.5. Запитання до самоконтролю:

1. Наведіть класифікацію речовин за магнітними властивостями.

2. Перелічіть основні характеристики магнітних матеріалів. Укажіть причини виникнення магнітних втрат.

3. Перелічіть зовнішні фактори, що впливають на характеристики магнітних матеріалів.

4. Укажіть основні відмінності магнітом’яких матеріалів від магнітотвердих.

5. Наведіть основні марки електротехнічних сталей.

6. Укажіть основні властивості пермалоїв.

7. Укажіть основні властивості альсиферів.

8. Поясніть, що мається на увазі під добротністю осердя.

9. Перелічіть можливі шляхи зменшення втрат на вихрові струми.

10. Поясніть, що називається коерцитивною силою.

11. Поясніть, що називається кривою намагнічування.

12. Опишіть методику визначення відносної магнітної проникливості з основної кривої намагнічування.

13. Поясніть, що називається залишковою індукцією.

14. Перелічіть назви литих магнітотвердих сплавів.