Магнитные материалы, основные характеристики,

Применение

Магнитный материал - материал, обладающий свойством ферро- или ферримагнетика.

По составу, свойствам, назначению и применению различают три группы магнитных материалов:

- магнитомягкие материалы (МММ);

- магнитотвердые материалы (МТМ);

- материалы специального назначения (МСН).

Основой для деления материалов на магнитомягкие и магнитотвердые является значение коэрцитивной силы Н с. Для МММ Нс = (0,4...800) А/м, а для МТМ – (4...800) кА/м.

Материалы специального назначения выделены в отдельную группу в связи с их особыми свойствами и областями применения. К ним относятся материалы для записи и хранения информации, ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты СВЧ, магнитострикционные и термомагнитные материалы.

Магнитомягкие материалы

МММ представляют собой весьма широкий набор материалов как по составу и свойствам, так и по назначению.

Возможная классификационная схема представлена на рисунок 5.6.

Рисунок 5.6 - Классификация МММ

МММ должны удовлетворять требованиям, согласно которым материал должен:

- легко намагничиваться и размагничиваться;

- обладать узкой петлей гистерезиса, т.е. малой Нс и большими μначи

μmax;

- иметь высокую индукцию насыщения Bs, т.е. обеспечивать прохождение максимального магнитного потока через единичное сечение магнитопровода, что уменьшает его габариты и вес;

- обеспечивать малые потери при работе в переменных полях, что снижает температуру нагрева изделия, габариты и вес, повышает КПД и рабочую индукцию;

- удовлетворять дополнительным требованиям, связанным с механическими свойствами, стабильностью во времени и при разных температурах, низкой стоимостью.

Наиболее широко применяемыми магнитомягкими материалами являются:

- технически чистое железо и его разновидности;

- листовая электротехническая сталь;

- сплавы Fe-Ni с различным содержанием Ni, называемые пермаллоями;

- сплавы Fe-Si-А1, называемые альсиферами;

- магнитомягкие ферриты.

К наиболее употребляемым к магнитомягким материалам относятся технически чистое, электролитическое и карбонильное железо. Наиболее применимой является низкоуглеродистая сталь - разновидность технически чистого железа. На основе карбонильного железа прессованием изготавливают ВЧ магнитные сердечники.

У чистого железа мало удельное объемное сопротивление pv, поэтому оно применяется редко. Электролитическое железо также редко применяется ввиду высокой стоимости.

Кремнистые стали представляют собой твердый раствор кремния в железе. Введение Si производят с целью повышения ρv. При этом возрастает μ и уменьшается Нс. Увеличение процентного содержания Si снижает механические свойства материала, поэтому обычно его доля не превышает 5%.

На основе кремнистых сталей изготавливают электротехнические стали различных марок, подразделяемых по содержанию Si, по способу изготовления, магнитным и электрическим свойствам. Они обладают высокой индукцией, малыми значениями Нс и потерями на гистерезис. Поэтому их широко применяют для изготовления статоров и роторов электрических машин, сердечников силовых трансформаторов, магнитопроводов различных аппаратов и устройств.

Низкокоэрцитивные сплавы – пермаллои - являются сплавами Fe и Ni с легирующими добавками хрома, кобальта, кремния, меди, марганца, которые изменяют количественные и качественные характеристики материала, а именно повышают ρvи μmax, улучшают механические свойства и температурную стабильность. Значительный интерес представляет сплав супермаллой, обладающий высокими магнитными свойствами в слабых полях.

Пермаллои выпускают в виде лент, прутков и подвергают специальной термообработке для получения и стабилизации необходимых магнитных свойств. Основные области их применения — это измерительные приборы, сердечники малогабаритных силовых и импульсных трансформаторов и дросселей, магнитные экраны, магнитные усилители и бесконтактные реле, катушки индуктивности и т.д.

Недостатками пермаллоев являются высокая чувствительность к механическим воздействиям, низкое значение ρvи зависимость магнитной проницаемости от частоты. Поэтому на повышенных частотах предпочтительнее низконикелевые пермаллои.

Алъсиферы - тройные сплавы Al-Si-Fe, обладающие хорошими магнитными свойствами. Однако они отличаются высокой хрупкостью, твердостью и теряют свойства при механической обработке. Поэтому детали из них изготавливают литьем. Альсиферы используют в виде порошков для изготовления ВЧ сердечников методом прессования.

Ферриты (оксиферы) представляют собой системы из оксидов железа и оксидов двухвалентных, а иногда и одновалентных металлов. Общая формула ферритов MeO·Fe2O3, где Me - символ двухвалентного металла. Обладая достаточно высокими магнитными свойствами, ферриты имеют высокое значение удельного сопротивления, поскольку это смесь оксидов. Поэтому они имеют малые потери и широко применяются на повышенных и высоких частотах.

Процентный состав оксидов играет существенную роль в получении необходимых магнитных свойств. По сути своей ферриты представляют собой магнитную керамику и технологический процесс их изготовления весьма схож с процессом получения керамики.

Основными операциями при изготовлении ферритов являются:

- приготовление шихты (смеси) по весовым компонентам; первый помол для получения однородной массы; предварительный обжиг при температуре меньшей, чем при окончательном обжиге;

- второй помол для улучшения степени однородности массы;

- прессование, выдавливание стержней, трубок, а также литье под давлением для изготовления мелких деталей с использованием пластификаторов;

- окончательный обжиг при температуре 1100... 1400 °С в окислительной среде чтобы избежать восстановления оксидов металлов.

Из-за сложности технологического процесса получение заданных свойств и их воспроизводимость требуют, как правило, изготовления предварительной партии, по которой корректируется состав смеси и сам техпроцесс.

По составу ферриты делятся на марганец-цинковые (MnO·Zn·Fe2·O3), никель- цинковые (NiO·Zn·Fe2·O3), литий-цинковые (Li2O·Zn·Fe2·O3)

По свойствам и применению ферриты делятся на:

- магнитомягкие низкочастотные ферриты с fгр = 0,2...20 МГц и высокочастотные c fгр = 20...300 МГц;

- магнитотвердые ферриты;

- ферриты с ППГ;

- ферриты СВЧ.

Чем выше начальная магнитная проницаемость, тем ниже граничная частота fгр, при равным 0,1.

На низких частотах потери на гистерезис и вихревые токи малы и tgδ

определяется в основном диэлектрическими потерями оксидов. На высоких частотах потери определяются всеми составляющими потерь, однако, основной вклад вносят потери в диэлектрике.

Магнитомягкие ферриты применяются для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, фильтров, магнитных антенн и отклоняющих систем телевизоров, статоров и роторов ВЧ микродвигателей и т.д.

Магнитодиэлектрики получают прессованием порошкообразного магнетика с изолирующей его частицы органической или неорганической связкой. Использование диэлектрической связки повышает ρvи позволяет применять материалы на повышенных и высоких частотах. В качестве основы применяют карбонильное железо, альсифер и другие порошкообразные магнетики, а диэлектрической связкой служат фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и т.д.

Таблица 5.1