Основные виды магнитных потерь

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле сопровождается превращением определенной части энергии магнитного поля в теплоту, что внешне проявляется в нагреве магнитного материала. Эта энергия за единицу времени называется магнитными потерями. Она обычно характеризуется удельными магнитными потерями p_уд, Вт/кг, или тангенсом угла магнитных потерь tgδ_м.

С точки зрения механизма возникновения потерь различаются два основных вида магнитных потерь — потери на гистерезис и потери на вихревые токи.

Потери па гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимыми перемещениями доменных границ. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Так как гистерезисный цикл и связанные с ним потери повторяются в течение каждого периода, потери на гистерезис пропорциональны частоте переменного магнитного поля.

Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуктирует в магнитном материале. Они пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, а потому при высоких частотах являются ограничивающим фактором применения магнитных материалов.

В очень слабых магнитных полях и, как правило, в магнитомягких материалах различают еще одинмеханизммагнитных потерь — дополнительные потери на магнитное последействие (магнитную вязкость). Физическая сущность этого механизма пока еще недостаточно ясна.

Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса, т.е. очень малую коэрцитивную силу. Например, коэрцитивная сила такого материала, как супермаллой, равна 0,2 А/м. Кроме того, принимаются различные меры для уменьшения вихревых токов. Общей целью этих мер является повышение удельного электрического сопротивления магнитных материалов. Например, в электротехнических сталях повышение удельного электрического сопротивления достигается примесью кремния в концентрации до 5%. Эти материалы изготавливаются в виде тонких листов, поверхность которых электрически изолируется. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты соответствующим электроизоляционным материалом. С этой точки зрения наиболее выгодны ферримагнитные материалы (ферриты), которые по значению удельного сопротивления могут быть отнесены к полупроводникам и даже диэлектрикам.

Магнитомягкие материалы отличаются способностью легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют узкую петлю гистерезиса, малую коэрцитивную силу, высокие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости, большую магнитную индукцию насыщения и малые удельные магнитные потери.

Свойства и область применения технически чистого железа, а также листовых электротехнических сталей с разным содержанием кремния

Технически чистым железом считается железо, содержащееменее 0,1% углерода и очень малое количество других примесей.

В зависимости от способа изготовления чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо применяется в постоянных полях, когда требуется большая индукция насыщения.

Карбонильное железо используется, главным образом, в виде порошка для изготовления сердечников в высокочастотной электротехнике.

Листовые электротехнические стали изготавливаются из кремнистых сталей с содержанием углерода менее 0,05% и кремния от 0,7 до 4,8%.

По способу прокатки электротехнические листовые стали делятся на обычные (горячекатаные), которые имеют изотропные свойства, и на текстурованные (холоднокатаные), которые имеют магнитную текстуру, вследствие чего они являются анизотропными.

По содержанию кремния электротехнические листовые стали делятся на:

- стали с содержанием кремния от 0,7 до 1,8%. Используются для изготовления деталей электрических машин, работающих в постоянном магнитном поле;

- стали с содержанием кремния от 1,8 до 2,8%. Используются в электрических машинах переменного тока;

- стали с содержанием кремния от 2,8 до 4,8%. Используются, главным образом, для изготовления магнитопроводов трансформаторов.

Свойства и область применения сплавов с высокой начальной магнитной проницаемостью (пермаллои), с постоянной магнитной проницаемостью (перминвары) и с большой магнитной индукцией насыщения (пермендюры)

К материалам с высокой начальной проницаемостью относится группа сплавов железа и никеля с содержанием никеля от 35 до 80%, известных под названием пермаллои. Наряду с совершенно чистым железом это наиболее ярко выраженные магнитомягкие материалы вообще. Сплав супермаллой с приблизительным составом 79% Ni, 15% Fе, 5% Мо, 0,5% Мn имеет максимальную относительную проницаемость до 2 10⁶ при незначительной коэрцитивной силе H_с=0,2 А/м.

Недостатками сплавов типа пермаллоя являются их относительно высокая стоимость (содержат дефицитные металлы), необходимость сложной термообработки и сильная зависимость свойств от механических воздействий.

Материалы с постоянной магнитной проницаемостью отличаются узкой петлей гистерезиса. Самым известным материалом с постоянной магнитной проницаемостью является перминвар (состав: 45% Ni, 29,4% Fе, 25% Со и 0,6% Mn). Сплав подвергают отжигу при 1000 °С, после чего выдерживают при 400 - 500 °С и медленно охлаждают. Перминвар имеет небольшую коэрцитивную силу, начальная магнитная проницаемость перминвара равна 300 и сохраняет постоянное значение в интервале напряженности поля до 250 А/м при индукции 0,1 Тл. Перминвар недостаточно стабилен в магнитном отношении, чувствителен к влиянию температуры и механическим напряжениям. Более удовлетворительной стабильностью магнитной проницаемости отличается сплав, именуемый изопермом, в состав которого входят железо, никель и алюминий или медь. Изоперм имеет магнитную проницаемость 30-80, которая мало изменяется в поле напряженностью до нескольких сот ампер на метр.

Наибольшей магнитной индукцией насыщения наряду с кремнистыми электротехническими сталями с низким содержанием кремния отличаются материалы типа пермендюр на основе железокобальтовых сплавов, обладающие особо высокой индукцией насыщения, до 2,4 Тл, т.е. большей, чем у всех известных ферромагнетиков. Удельное электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Это сплавы железа с кобальтом при содержании кобальта от 49 до 70%, легированные ванадием (2%).

Пермендюры могут применяться вследствие их высокой стоимости только в специализированной аппаратуре, в частности в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах и т.д.

Свойства и область применения сплавов со специальными свойствами (термокомпенсационные сплавы, сплавы для изготовления постоянных магнитов на основе металлов)

Материалы с большой зависимостью магнитной проницаемости от температуры используются для температурной компенсации (термокомпенсации) магнитных цепей. К ним относятся термомагнитные сплавы на основе Ni-Cu, Fe-Ni или Fe-Ni-Сr. Указанные сплавы применяются для компенсации в установках температурной погрешности, вызываемой изменением индукции постоянных магнитов или изменением сопротивления проводов в магнитоэлектрических приборах по сравнению с тем значением, при котором производилась градуировка. Для получения ярко выраженной температурной зависимости магнитной проницаемости используется свойство ферромагнетиков снижать индукцию с ростом температуры вблизи точки Кюри. Для этих ферромагнетиков точка Кюри лежит между 0 и 100 °С в зависимости от добавок легирующих элементов. Сплав Ni-Cu при содержании 30 % Cu может компенсировать температурные погрешности для пределов температуры от -20 до +80 ⁰С (рис. 48), а при 40 % Cu - от -50 до +10°С.

-40 0 40 80 120 16О С

Рисунок 48 - Температурная зависимость индукции термомагнитного сплава в магнитном поле напряженностью 8 кА/м

Наибольшее техническое применение получили сплавы Fe-Ni-Со (компенсаторы). Достоинствамиих являются: полная обратимость свойств в диапазоне изменения температуры от -70 до +70 °С, высокая воспроизводимость характеристик образцов и хорошая механическая обрабатываемость.

Из них изготавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность магнитных свойств цепей с постоянным магнитом. С ростом температуры магнитный поток в рабочем зазоре постоянного магнита падает. Это изменение компенсируется увеличением магнитного сопротивления магнитного шунта.

Известными термокомпенсационными сплавами являются пермаллой с содержанием никеля 30%, в котором значение температуры точки Кюри регулируется небольшими изменениями содержания никеля, а также сплав железа с никелем (30%) и молибденом (2%).

Для изготовления постоянных магнитов используются магнитотвердые материалы, которые отличаются высокими значениями удельной магнитной энергии, а следовательно, и энергетического произведения (ВН)_тах. Они, как правило, имеют высокие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции. С точки зрения структуры для них типичны внутренние напряжения и большое количество различных дефектов, которые затрудняют перемещение доменных границ. В ряде случаев в материалах преднамеренно создаются однодоменные области, которые можно перемагнитить только путем изменения направления намагничивания, что требует значительной энергии. Поэтому такие материалы имеют большую коэрцитивную силу.

Самыми старыми материалами для постоянных магнитов являются мартенситные стали. В настоящее время используются только легированные мартенситные стали, несущие названия в соответствии с названием легирующей присадки: хромовые (до 3% Сr), вольфрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). В настоящее время доля магнитов, изготавливаемых из мартенситных сталей, составляет менее 10%.

Самое большое количество постоянных магнитов изготавливается из сплавов типа Аl-Ni и Аl-Ni-Co.

Сплавы типа Аl-Ni (альни) являются сплавами железа с никелем (20-30%) и алюминием (11-13%). Они очень тверды и хрупки, поэтому постоянные магниты изготавливаются из них литьем или методами порошковой металлургии. Они обладают анизотропией свойств. Сплавы легируются медью, чем достигается лучшая повторяемость свойств и облегчается обработка. В качестве легирующего элемента используется и титан. Коэрцитивная сила Н_c сплавов достигает 50 кА/м, а (ВН)_max достигает 12 кДж/м³.

Сплавы типа Аl-Ni-Со (альнико) представляют собой сплавы железа с никелем (12-26%), кобальтом (2-40%) и алюминием (6-13%) с добавлением меди (2-8%), титана (0-9%) и ниобия (0-3%) для улучшения свойств. При содержании Со до 15% они изотропны, при большем содержании кобальта они подвергаются термомагнитной обработке и являются анизотропными. Изотропные сплавы имеют (ВН)_тах до 16 кДж/м³, анизотропные сплавы - до 44 кДж/м³. Сплавы с ориентированной кристаллизацией в направлении предстоящего намагничивания имеют (ВН)_тах до 83 кДж/м³. Сплавы типа альнико в несколько раз дороже сплавов типа альни.

Имеют большое значение и магнитотвердые сплавы типов Fе-Со-Мо, Fе-Со-V, Сu-Ni-Fе (анизотропный), Сu-Ni-Со, Аg-Мn-Аl и др.