Железоникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью

Сплавы железа с никелем, называемые также пермаллоями, обладают при определенном соотношении компонентов высокими магнитными свойствами. Для сплавов этого состава характерны наивысшие значения магнитной проницаемости, минимальные зна­чения коэрцитивной силы. Наибольшими значениями начальной и максимальной магнит­ных проницаемостей обладают сплавы, содержащие 70—80% Ni (высоконикелевые сплавы), второй, меньший, максимум наблюдается, если сплав содержит 40—50% Ni (низконикелевые сплавы). По сравнению с электротехническими сталями магнитная проницаемость железоникелевых сплавов в несколько сотен раз выше как в постоянных, так и в переменных магнитных полях (см. рис. 19.8). Индукция насыщения высоконикелевых сплавов примерно в 2 раза ниже, чем у электротехнической стали, и в 1,5 раза ниже, чем у низконикелевых сплавов. Из этого следует что, например, для магнитопроводов мощных силовых трансформаторов и мощных магнитопроводов других назначений не следует использовать высоконикелевые сплавы.

Удельное электрическое сопротивление низконикелевых сплавов приблизительно 2 раз выше, чем высоконикелевых. Это позволяет использовать низконикелевые сплавы на более высоких частотах.

Большим недостатком всех железоникелевых сплавов является их высо­кая чувствительность к механическим воздействиям, причем в наибольшей степени по этой причине снижаются начальная и максимальная проницае­мости и возрастает коэрцитивная сила и потери при перемагничивании.

Все марки железоникелевых сплавов разделены на 4 группы:

1. Нелегированные низконикелевые сплавы 45Р и 50Н с содер­жанием 45% и 50% никеля (Н) соответственно.

2. Низконикелевый сплав 50НХС, легированный хромом (X) и кремнием (С).

3. Сплавы, обладающие магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса, 50НП, 65НП, 34НКМП с содержанием никеля 50, 65 и 34% соответственно, но сплав 34НКМП легирован кобаль­том (К) и молибденом (М). Буква П означает, что в результате особой технологии изготовления и термической обработки сплав мо­жет обладать прямоугольной петлей гистерезиса

4. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД, легирован­ные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью (Д).

Принципиальная технологическая схема изготовления магнитопроводов из железоникелевых сплавов подобна указанной ранее для электротехнических сталей. Все железоникелевые сплавы поставляют только в неотожжен- ном виде. Режимы термообработки сплавов, протекающей при тем­пературе 1000—1200° С, регламентированы ГОСТ 10160—75. Толь­ко при их строгом соблюдении могут быть получены гарантирован­ные магнитные свойства.

Области применения основных марок сплавов в приборострое­нии:

сплав 50Н с более высоким значением индукции насыщения, чем у остальных сплавов этой группы; применяют его для изготов­ления ленточных, витых и штампованных магнитопроводов мало­габаритных силовых трансформаторов и трансформаторов звуковых частот, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих в широком диапазоне частот при повышенных магнитных индукциях преимущественно без подмагничивания;

сплав 50НХС, обладающий повышенным удельным сопротив­лением; может быть использован для изготовления магнитопрово­дов аппаратуры связи звуковых и высоких частот, работающих без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием, а также для изготовления импульсных трансформаторов;

сплавы 79НМ, 80HXG, 76НХД, имеющие высокую магнит­ную проницаемость в слабых полях; применяют их для изготовле­ния магнитопроводов малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле магнитных экранов, а при толщине ленты 20 мкм — для изго­товления магнитопроводов магнитных усилителей, элементов вы­числительных устройств, бесконтактных реле и т. д.

Сплав 76НХД обладает повышенной температурной стабиль­ностью в интервале температур —60÷ + 60° С.

Магнитная проницаемость рассматриваемых ферритов составля­ет µ_н=20—20 ООО и µ_max= 45—35 000. Ферриты, у которых µ_н= 400—20 000 в слабых полях во многих случаях эффективно заме­няют листовые железоникелевые сплавы и электротехническую сталь. Однако в средних и сильных полях низкой частоты исполь­зование магнитомягких ферритов нецелесообразно, поскольку они имеют в 2—3,5 раза более низкую индукцию насыщения, чем ме­таллические магнитные материалы.

Для ферритов характерна сильная зависимость проницаемости: µ_Н от температуры. Начальная проницаемость ферритов повышает­ся с ростом температуры, а при подходе к температуре Кюри резка снижается в связи с потерей ферримагнитных свойств. Значения температуры Кюри, зависящие от состава и структуры феррита и определяющие рабочий температурный диапазон приме­нения.

Практический интерес представляет вопрос о стабильности маг­нитной проницаемости во времени, которую оценивают по формуле:

где Кµ — коэффициент стабильности, показывающий изменение па­раметра в течение года, %; µ_τ1, µ_τ2 — значения начальной проница­емости в моменты времени τ1 τ2.

Рис. 21.2. Эквивалентная схема и векторная диа­грамма катушки с маг­нитным «сердечником»

Магнитные потери, возникающие в ферритовых сердечниках при перемагничивании, часто оценивают величиной тангенса угла потерь. Действительно тороидальную катушку с ферритовым сер­дечником можно представить в виде экви-валентной схемы, изобра­женной на рис. 21.2 (сопротивле-нием и емкостью обмотки пренебре­гаем). Сопротивление R эквивалентно всем видам потерь мощности в феррите. Из векторной диаграммы получим tgδ_m=R/(ωL)

Тангенс угла магнитных потерь в общем случае имеет составляющие потерь на гис­терезис, на вихревые токи и на магнитную вязкость. В слабых полях потери на гисте­резис малы, потери на вихревые токи в фер­ритах ничтожны вследствие их высокого удельного соп-ротивления. Таким образом, для ферритов в высокочастотном поле ос­новным видом являются потери на магнит­ную вязкость материала.

Удельные потери при перемагничивании тороидального ферритового сер-дечника в слабых полях измеряют в Вт/м³

Отсюда следует, что основное влияние на потери оказывают ве­личины индукции материала и тангенса угла потерь, приведенного к величине начальной магнитной проницаемости.

Среди низкочастотных ферритов наиболее широко используют ферриты марок 2000НМ, 600НН, 400НН, идущие на изготовление строчных трансформаторов, раструбов отклоняющих систем телевизоров, сердечников магнитных антенн радиовещатель­ных приемников и т. д.

Существенными преимуществами марганец-цинковых ферритов перед никель-цинковыми являются: в несколько раз меньше потери на гистерезис, более высокая индукция, значительно большая тем­пература Кюри и меньшее значение температурного коэффициен­та а п..

К недостаткам марганец-цинковых ферритов относится меньшее значение f_кр. При жестких требованиях к величине нелинейных ис­кажений марганец-цинковые ферриты лучше никель-цинковых, но последние имеют преимущества при работе в устройствах с подмагничиванием. При повышенных требованиях к термостабильности в широком интервале температур рекомендуется использовать мар­ганец-цинковые ферриты 1500НМЗ, 1000НМЗ, 700НМ1 и 700НМ, которые могут обеспечить и высокую добротность изделий. При по­вышенных требованиях к временной стабильности К_µ рекомендуется использовать марганец-цинковые ферриты 2000НМЗ и 700НМ1 в то время как для других марок этого феррита К_µ= = 5-15%.

Высокочастотные никель-цинковые ферриты предназначены для использования в слабых полях при частотах до 100 МГц, имеют малые потери и низкое значение µ_H в широком тем­пературном интервале. Временная стабильность µ_H этой группы ферритов высока и составляет десятые доли процента в год.

В зависимости от величины магнитной проницаемости никель- цинковые ферриты по назначению подразделяют на четыре группы:

Группа I — материалы с высоким значением µ_max ≥lOOO. Для них характерна высокая проницаемость, но низкая граничная час­тота. Невысокая температура Кюри определяет узкий диапазон ра­бочих температур. Материалы этой группы предназначены для из­готовления сердечников, используемых при частотах до нескольких сот килогерц.

Группа II — материалы со средним значением µ_max = 200—600, повышенным значением температуры Кюри и меньшими потерями, чем у материалов первой группы. Материалы этой группы можно применять на частотах до нескольких мегагерц.

Группа III — материалы с низким значением µ_max = 100—150, имеющие температуру Кюри до 400° С. Они предназначены для из­готовления сердечников, работающих в диапазоне нескольких де­сятков мегагерц.

Группа IV — материалы со сверхнизкими значениями µ_max = 10—50, имеющие незначительные потери и высокую термоста­бильность. Граничные частоты — до 200 МГц. Ферриты этой груп­пы применяют для изготовления сер-дечников высокочастотных ка­тушек, индуктивных катушек фильтров.

На основе ферритов реализован перспективный тип элементов — многофункциональные магнитные радиокомпоненты, осуществля­ющие одновременно трансформацию, стабилизацию, модуляцию и другие виды преобразования электрического сигнала.

-Альсифер—это тройной сплав алюминия (аль-), кремния (-си) и же­леза (-фер). Для магнитодиэлектриков применяют сплавы с содер­жанием кремния 9—11 % и алюминия 7,5%. Требования к точности поддержания состава спла­ва невысоки, так как свойства магнитодиэлектрика мало зависят от свойств исходного магнитного материала. Они определяются в основном размерами, формой и взаимным расположением частиц этого материала. Альсифер дешевый, недефицитный материал. Из­меняя содержание кремния и алюминия, можно регулировать вели­чину температурного коэффициента проницаемости ТК_µ и добить­ся практически нулевых его значений. Все это обеспечило альсиферу широкое применение при производстве магнитодиэлектриков.

-Пермаллой — сплав железа и никеля (45—82 % Ni). Может быть дополнительно легирован несколькими другими компонентами. Сплав обладает высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, почти нулевой магнитострикцией и значительным магниторезистивным эффектом. Благодаря низкой магнитострикции сплав применяется в прецизионных магнито-механических устройствах и других устройствах, где требуется стабильность размеров в меняющемся магнитном поле. Электрическое сопротивление пермаллоя меняется обычно в пределе 5 % в зависимости от силы и направления действующего магнитного поля. Пермаллой используется для изготовления трансформаторных пластинок, для элементов магнитных записывающих головок. Первоначально, пермаллой использовался для уменьшения искажения сигнала в телекоммуникационных кабелях как компенсатор их распределённой ёмкости. Магниторезистивные свойства пермаллоя используют в датчиках магнитного поля, в частности в микросхемах, как например в двухосном магнитометре HMC1002. Прокат пермаллоя применяется для экранирования от магнитного поля - помещений для МРТ, электронных микроскопов и некоторых других особо чувствительных приборов. Из пермалоя изготавливают защитные кожухи для микросшем, и катушек - особо чувствительных к магнитному полю.