Магнитные материалы

Магнитные материалы в основном играют роль концентраторов, про­водников и источников магнитного потока. Они используются для произ­водства генераторов и двигателей, трансформаторов, аппаратов, электро­магнитов и т.п.

В общем случае все магнитные материалы подразделяются на две большие группы: магнитомягкие и магнитотвердые. Первые в основном применяются как проводники магнитного потока, а вторые — как источ­ники магнитного поля.

Основными характеристиками магнитных материалов являются: коэр­цитивная сила Н_с, индукция насыщения B_s, остаточная индукция B_r, мак­симальная напряженность магнитного поля Н_тах и магнитная проницае­мость µ_а. Эти характеристики могут быть определены по кривой (петле) магнитного гистерезиса для магнитного материала (рис. 14.1).

Магнитную проницаемость \х_а можно определить в любой точке кри­вой по выражению

μ_a = B/H. (14.5)

Следует отметить, что магнитная проницаемость бывает абсолютной ц_а и относительной ц. В технике наиболее часто используют величину относительной магнитной проницаемости, которую можно определять

для различных точек основной кривой намагничивания и при различных воздействиях, получая начальную, амплитудную, дифференциальную и др. значения ц соответственно.

У магнитомягких материалов коэрцитивная сила Н_с (Н_с < 4 кА/м) малая величина, а у магнитотвердых — большая (Н_с > 4 кА/м), поэтому магнитомягкие материалы применяют прежде всего для работы в пере­менных магнитных полях (или, говорят, «в динамических режимах»), а магнитотвердые — в статическом режиме.

Магнитомягкие материалы обычно подразделяют на группы:

технически чистое железо (менее 0,1 % углерода и других примесей в составе);

электротехнические листовые стали (менее 0,05 % углерода и 0,7— 4,8 % кремния в составе);

сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью и,;

сплавы с постоянной магнитной проницаемостью ц;

сплавы с большой индукцией насыщения В₅;

сплавы со специальными свойствами;

ферриты.

Технически чистое железо бывает двух типов — электролитическое и карбонильное. Электролитическое железо применяется в постоянных полях, когда требуется большая индукция насыщения В_{5 .} Карбонильное железо используется для изготовления магнитопроводов в высокочастот­ной электротехнике. Технически чистое железо в других устройствах практически не применяется из-за относительно низкого удельного элек­трического сопротивления р.

Листовые электротехнические стали подразделяются по способу про­катки (горячекатаные и холоднокатаные) и используются только в виде тонких (до 0,05 мм) листов, поверхность которых покрывается электро­изоляционным лаком.

В зависимости от содержания кремния в стали меняется область при­менения - для электрических машин, работающих в постоянном магнит­ном поле, или для машин переменного тока, а также для изготовления магнитопроводов трансформаторов.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях имеют в своем составе помимо железа другие элементы — никель, молибден, хром, марганец, кремний, алюминий. Наиболее известными материалами этой группы являются пермаллои — сплавы железа с нике­лем. Классический пермаллой имеет состав 78,5 % Ni и 21,5 % Fе. Сплав супермаллой имеет приблизительный состав 79 % Ni, 15 % Fе, 5 % Мо и 0,5 % Мп. К этой же группе материалов относятся альфенол (сплав железа с 15 % А1) и алъсифер (сплав железа с 10 % 31 и 5 % А1) и др. Сплавы

применяются для изготовления магнитопроводов малогабаритных транс­форматоров, реле, магнитных экранов и т.п.

Самым известным материалом с постоянной магнитной проницаемо­стью ц является сплав, называемый перминвар (45 % Ni, 30 % Fе, 20 % Со), и имеющий μ = 450. К этим же материалам может быть отнесен и пермаллой, легированный 2—3 % серебра.

Наибольшей индукцией насыщения В_! (до 2,4 Тл) наряду кремнистыми электротехническими сталями отличаются сплавы железа с кобальтом, легированные ванадием (49—70 % Со, 2 %Wn). Такие сплавы носят название пермендюр. Они достаточно дорогие, и применяются только в специализированной аппаратуре (осциллографы, репродукторы, мем­браны и др.).

Ферриты различных типов обычно применяются для изготовления магнитопроводов и работают в очень широком диапазоне частот. Досто­инством ферритов является то, что изменением состава и структуры можно управлять их свойствами.

В настоящее время активно применяются аморфные магнитомягкие сплавы для магнитных компонентов и устройств электротехники и элект­роники. Материалы характеризуются высокой магнитной проницаемо­стью μ, малым значением коэрцитивной силу Н_с, высокой индукцией насыщения В_S, высоким электрическим сопротивлением, твердостью, износостойкостью коррозионной и радиационной стойкостью.

Свойства аморфных сплавов

В зависимости от химического состава эти сплавы разделяют на три группы:

на основе железа (аморфные стали);

железоникелевые;

железокобальтовые.

Некоторые свойства сплавов приведены в табл. 14.11.

К основным недостаткам аморфных магнитомягких сплавов относится недостаточная термическая и временная стабильность, меньшие значе­ния индукции насыщения В₅ и температуры Кюри, чем у кристалличе­ских сплавов.

Магнитотвердые материалы имеют не только большую коэрцитив­ную силу H_с, но и высокие значения остаточной индукции. Среди этих материалов надо выделять:

легированные мартенситные стали. Они имеют названия в соответ­ствии с названиями легирующей присадки: хромовые (до 3 % Cr), воль­фрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). Используются для изготовления наименее ответственных постоянных магнитов;

сплавы типа алъни. Это сплавы железа с никелем (20-—-30 %) и алюми­нием (11—13 %). Могут быть также добавки меди и титана. Из них изго­тавливаются постоянные магниты литьем или методами порошковой металлургии, так как они очень тверды и хрупки;

сплавы типа альнико. Здесь в состав сплавов входят еще кобальт, медь, титан и ниобий. Эти сплавы дороже сплавов альни, но из них можно изго­тавливать постоянные магниты меньшей массы с теми же магнитными свойствами;

магнитотвердые ферриты. Коэрцитивная сила у них может достигать 240 кА/м, а остаточная индукция В_г невелика. Они изготавливаются короткими по оси магнита, но имеют большую площадь.

Контрольные вопросы

1. Какие основные электрические характеристики материалов вы знаете?

2.Как различают материалы по удельному объемному сопротивлению?

3.Назовите основные механические характеристики материалов.

4.Что такое нагревостойкость материала, и какие существуют классы нагревостойкости?

5.Каковы основные физико-химические характеристики материалов?

6. Какие электротехнические материалы относятся к проводниковым?

7. Почему медь заменяется алюминием?

8.Какие материалы высокого электрического сопротивления являются наиболее распро­
страненными?

9.Какое основное применение черных металлов в энергетике?

10.Чем эмали отличаются от лаков и компаундов?

11.Какие материалы называют лакотканями?

12.Что представляют собой керамические материалы, и на какие группы их разделяют?

13.Где применяются материалы, изготовленные на основе слюды?

14.Каковы возможности применения полимеров в качестве электроизоляционных мате­
риалов?

15.В чем заключаются основные достоинства аморфных магнитомягких материалов?

Литература для самостоятельного изучения

14.1.Электромонтажныеработы. В 11 кн. Кн. 9. Материалы: учебное пособие для ПТУ
/ СВ. Серебрянников; под ред. А.Н. Трифонова. М: Высшая школа, 1992.

14.2.Штофа Ян.Электротехнические материалы в вопросах и ответах: пер. со словац.
М: Энергоатомиздат, 1984.

14.3.Электротехническийсправочник в 4 т. Т. 1. / под общ. ред. профессоров МЭИ
В.Г. Герасимова и др. М.: Издательство МЭИ, 1995.

14.4.БогородицкиЙ Н.П., Пасынков В.В., Тарсев Б.М.Электротехнические материалы.
Л.: Энергоатомиздт, 1985.

14.5.Справочникпо электротехническим материалам: В 3 т. / под ред. Ю.В. Корицкого и
др. М.—Л.: Энергоатомиздат, 1986—1988.

Глава пятнадцатая