Магнитные материалы

Ферромагнитные материалы широко используются для изготовления сердечников трансформаторов, дросселей, электрических машин, магнитных усилителей, контакторов, датчиков и др. При этом используются свойства ферромагнетика усиливать (концентрировать) магнитные поля за счёт собственной намагниченности.

Рассмотрим катушку с ферромагнитным сердечником (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Катушка с ферромагнитным сердечником

К катушке подводится переменная внешняя ЭДС е_с частотой f_c, W – число витков в обмотке. При протекании тока i в сердечнике создаётся магнитный поток Ф, который в основном замыкается по сердечнику, так как магнитное сопротивление воздуха в μ раз больше чем у сердечника (μ – относительная магнитная проницаемость). Часть магнитного потока замыкается, минуя сердечник – это поток рассеяния Ф_s.. Пока потоком рассеяния пренебрегаем.

Если сердечник первоначально был полностью размагничен, то процесс его намагничивания в координатах индукция - напряжённость идёт по линии 0 – b (рисунок 2.2). На этом рисунке: В – магнитная индукция [Вб/м2] = Тесла, Н – напряженность магнитного поля [ А/м].

Когда внешняя ЭДС меняет знак, то сердечник перемагничивается в другую сторону, но в точку 0 он уже никогда не вернётся. Рабочая точка перемещается по

Рисунок 2.2 – Намагничивание сердечника (петля гистерезиса)

частной петле гистерезиса (b-d-b). Если увеличить внешнюю ЭДС, то площадь петли возрастает. Вершина петли переходит из точки b в точку a. В конце концов настаёт такой момент, когда увеличение ЭДС не приводит к увеличению площади петли гистерезиса, которая в этом случае называется кривой предельного цикла. Она отсекает на оси абсцисс отрезок H_C, называемый коэрцитивной силой, а на оси ординат отрезок B_r - остаточную индукцию. Индукция в сердечнике при напряжённости H = 5H_C называется максимальной индукцией - B_m. Величины B_r, H_C и B_m являются справочными параметрами магнитного материала. Напомним также, что μ_а = В / Н – абсолютная магнитная проницаемость, μ₀ = 4π10^-7 [Гн / м]

– магнитная проницаемость вакуума, μ = μ_а / μ₀ – относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина), индуктивность измеряется в генри - [Гн] = [в * сек / а] = [Ом * сек], магнитный поток Ф измеряется в веберах - [Вб] = [в * сек], отношение B_r /B_m= П – коэффициент прямоугольности магнитного материала.

Геометрическое место точек вершин частных петель гистерезиса есть основная кривая намагничивания В(Н), которая приведена на рисунке 2.3.

На рисунке 2.3 приведена также зависимость µ(Н). Здесь выделяются три области: 1 -линейная (почти!), 2 - область перегиба и 3 - область насыщения. В первой области работают силовые трансформаторы и дроссели сглаживающих фильтров, во второй – магнитные усилители, в третьей – магнитные ключи (дроссели насыщения). Для расчётов кривую намагничивания линеаризируют, считая на линейном участке .

Рисунок 2.3 – Основная кривая намагничивания – В(Н) и

кривая Столетова - µ (Н)

Параметры сердечника определяются свойствами магнитного материала и весьма существенно конструкцией магнитопровода. В качестве магнитных материалов используют различные высокоуглеродистые стали, пермаллои, магнитодиэлектрики и ферриты [31,37]. В зависимости от технологии изготовления различают сердечники пластинчатые, ленточные и прессованные. На частотах 50…400 Гц используют сталь в виде лент или пластин толщиной 0,3…0,5 мм, а на частотах 400…1000 Гц – 0,1…0,2 мм. На более высоких частотах используют пермаллои, магнитодиэлектрики и ферриты.

Пермаллой – железоникелевый сплав – сталь с высоким процентным содержанием Cr, Ni, Mn, Co, Mo. Используют в виде лент толщиной 5…20 микрон. Это “магнитомягкий” материал (узкая петля гистерезиса – Нс менее 5 А/м).

Магнитодиэлектрик – мелкодисперсный ферромагнитный порошок, формируемый в сердечники связующим материалом на основе полистирола. Используются на высоких частотах (1…500 кГц). Это альсиферы и прессованный пермаллой – прессперм (порошок пермаллоя!).

Феррит – ферромагнитный порошок спекаемый при высокой температуре (~ 1200 ۫С) и давлении до 30 Атм. Ферриты более технологичны и дешевле в производстве, но в диапазоне температур от – 60 до + 125 ۫⁰С их индукция изменяется на 30%, а у пермаллоя на 5%. В таблице 2.1 приведены характеристики некоторых магнитных материалов.

Таблица 2.1 – Характеристики магнитных материалов

Название, марка	Вm, Тл	Нс, А/м	μнас.	μmax.	П	Точка Кюри
Сталь		1,9				-
	2,0				-
Пермаллой	50НП	1,5		-		0,93
79НМ	0,85	1,5			0,4
80НХС	0,65	3,2			-
Магнито- диэлектрик	ТЧ – 60 (альсифер)	0,5		-		0,1	-
МП – 60	0,4	-	-
МП – 140	0,5		-
МП – 250	0,8	-	-
Феррит	1500 НМ3	0,35				0,25
2000 НМ1	0,38				0,32
1000 НН	0,27				0,55

Пояснения к таблице:

а) Точка Кюри – температура, выше которой материал перестаёт быть

ферромагнетиком.

б) Маркировка электротехнической стали выполняется четырьмя

цифрами от 1 до 4 – 1234, при этом:

Первая цифра (1) обозначает тип проката стали:

1– горячая изотропная

2 – холодная изотропная (свойства стали не зависят от направления

намагничивания)

3 – холодная анизотропная (свойства стали зависят от направления

намагничивания)

Вторая цифра (2) показывает содержание кремния в процентах:

1 – 0,8 … 1,8 %

2 – 1,8 … 2,8 %

3 – 2,8 … 3,8 %

4 – 3,8 … 4,8 %

Третья цифра (3) показывает удельные потери размерностью [Вт/кг].

Четвёртая цифра (4) обозначает номер модификации (разработки).

в) Число в маркировке пермаллоев указывает процентное содержание

никеля (50НП – 50% Ni), а буквы – другие компоненты: Н –

никель, М – марганец, Х – хром, К – кобальт, П – прямоугольная

петля гистерезиса.

г) Число в маркировке магнитодиэлектриков и ферритов показывает

максимальную магнитную проницаемость, а буквы – повышенное

содержание какого-либо химического элемента: Н – никеля; М –

марганца.

На форму петли и магнитные характеристики влияет много факторов такие как, частота, температура и толщина ленты. Например, если Н_{с исх} – коэрцитивная сила массивного образца, то зависимость коэрцитивной силы от толщины ленты выглядит как показано на рис. 2.4

Рисунок 2.4 – Зависимость коэрцитивной силы от толщины ленты

Видно, что для тонких лент 3, 5, 10, 20, 30 и 50 микрон коэрцитивная сила существенно увеличивается.

Магнитные свойства ферромагнетиков зависят и от частоты приложенного напряжения.

Рисунок 2.5 – Зависимость петли гистерезиса от частоты для пермаллоя

50НП толщиной 0,05 мм (50 микрон)

Видно, что с увеличением частоты f, уменьшается магнитная проницаемость μ_а = В/H, расширяется петля гистерезиса и увеличиваются потери.

На магнитные свойства ферромагнитных материалов существенно влияет и температура. С ростом температуры увеличивается омическое удельное сопротивление сердечника, уменьшаются потери на вихревые токи и уменьшается Н_с и В_m. Для различных материалов степень такого влияния существенно отличается. При нагревании ферромагнетика до температуры Кюри материал теряет магнитные свойства, петля гистерезиса стягивается в точку – домены разрушаются, но восстанавливаются при уменьшении температуры. (Напомним, что домен это область спонтанной однородной намагниченности с геометрическими размерами в пределах 10^-5…10^-4м и внутри каждого домена вещество намагничено до насыщения.) То есть теплового гистерезиса не наблюдается.