8 Магнитомягкие материалы для работы на низких частотах

Сформулируем требования для работы магнитомягких материалов на примере работы трансформатора. На рисунке 44 показана простейшая схема трансформатора.

Рисунок 44

Пусть на первичную обмотку транс­форматора подается переменное напряжение, тогда напряжение на вторичной обмотке трансформатора определяется числом витков вторичной обмотки (W), площадью поперечного сечения магнитопровода (S) и скоростью изменения индукции в магнитопроводе (dB/dt). Полагая для простоты коэффициент трансформации равным 1, можно определить закон изменения индукции в магнитопроводе

,

дифференцируя, находим закон изменения индукции в магнитопроводе во времени

,

перед знаком синуса в этом уравнении стоит амплитудное значение индукции в магнитопроводе . Раскрывая круговую частоту через циклическую, находим выражение для действующего значения напряжения на обмотке трансформатора

Конструктор всегда заинтересован в том, чтобы получить заданное напряжение на вторичной обмотке трансформатора при минимальных W и S. Единственной возможностью сделать это является увеличение максимального значения индукции рабочего гистерезис-ного цикла при перемагничивании магнитопровода (требование1). Однако индукция рабочего гистерезисного цикла, который лежит внутри предельного цикла, всегда меньше индукции насыщения, поэтому для увеличения индукции рабочего гистерезисного цикла следует выбирать материалы с возможно большей индукцией насыщения (B_m↑ → В_s↑).

При перемагничивании магнитопровода трансформатора в нем происходят потери на гистерезис и вихревые токи (уравнения 3 и 4). Потери на гистерезис естественно должны быть минимальными (требование 2). Единственным способом уменьшения этих потерь является уменьшение коэрцитивной силы рабочего гистерезисного цикла, что, в свою очередь, можно получить, только уменьшив коэрцитивную силу материала (требование 2). Для того чтобы решить каким способом можно уменьшить величину коэрцитивной силы, следует обратиться к формуле коэрцитивной силы для материалов с многодоменной структурой (уравнение 13). Анализ формулы приводит к следующим выводам: необходимо выбирать магнитные материалы, у которых магнитострикция насыщения λ_s константа магнитной анизотропии К и уровень внутренних напряжений в материале Δ σ_i должны быть минимальными (требование 3). Добиться последнего можно рекристаллизационным отжигом магнитного материала. Поэтому все технологические операции по изготовлению магнитопроводов заканчиваются операцией отжига, что способствует уменьшению уровня внутренних напряжений и уменьшает величину коэрцитивной силы. Коэффициенты формы немагнитных включений и доли немагнитных включений (Р и α) также должны быть минимальными. Это значит, что магнитомягкие материалы следует выплавлять чистыми, содержащими как можно меньше немагнитных включений. Если же включений совсем не избежать, то их следует располагать относительно будущего направления намагничивания так, чтобы эти включения оказывали наименьшее сопротивление перемагничиванию материала.

Потери на вихревые токи также должны быть минимальными. Для того чтобы это выполнить, необходимо уменьшать толщину листа магнитопровода и увеличивать удельное электрическое сопротивление материала магнитопровода (требование 4). Первое дос­тигается шихтовкой магнитопровода, который набирают из сравнительно тонких (0,35 - 0,08 мм) пластин магнитомягкого материала, изолированных друг от друга электрически, для уменьшения длины цепей вихревых токов. В настоящее время сверхтонким прокатом считается прокат 2-5 мкм. Дальнейшее уменьшение толщины пластин магнитопровода нецелесообразно, так как разрушения поверхности начинают оказывать большие влияния на перемагничивание, чем вихревые токи. Магнитопроводы из сверхтонкого проката к тому же очень дороги. Удельное электрическое сопротивление повышают легированием магнито-мягкого материала элементами, образующими с основным компонентом (обычно железо или никель) твердые растворы замещения, что согласно общим представлениям сильно увеличивает рассеяние электронных волн в металлах.

В некоторых случаях от материалов требуется высокая коррозионная стойкость, в агрессивных средах (требование 5)

На рисунке 45 представлена классификация магнитомягких материалов, которые используются для работы в низкочастотных магнитных полях

Рисунок 45

Железо и низкоуглеродистые стали обычно применяют в постоянных магнитных полях. Железо выпускают нескольких типов, которые отличаются технологией получения и свойствами. Для применения в магнитопроводах выпускают электротехническую нелегированную сталь и электротехническую нелегированную тонколистовую сталь. Оба материала близки по свойствам технически чистому железу, из которого они и получаются.

Электротехнические тонколистовые стали являются в настоящее время основными материалами для работы в переменных магнитных поляк низкой частоты. Выпускают свыше 40 марок этого материала. Электротехническая тонколистовая сталь - это сплав железа с кремнием. Кремний растворяется в железе и увеличивает его электрическое сопротивление. При этом он мало влияет на индукцию насыщения (происходит некоторое уменьшение), но заметно снижает величину коэрцитивной силы. Усредненные свойства сталей приведены в таблице 2. Электротехнические тонколистовые стали выпускают горячекатанными (изотропными) и холоднокатаными (анизотропными), т.е. текстурованными. Обозначение марки состоит из 4х элементов: первый - вид проката, второй - содержание кремния в сплаве, третий - условное обозначение той или иной характеристики сплава, четвертый - порядковый номер разработки сплава. Горячекатаную сталь выпускают марок: 1211, 1212, 1412, 1561 и т.д.

Таблица 2- Свойства магнитомягких материалов для работы на низких частотах

Материал	µнач	µмах	Нс, А/м	Bs, Тл	ρ , мкОм·м
Технически-чистое железо	250-400	3500-4500	50-100	2,16	0,1
Электролитическое железо	600	15000	30	2,16	0,1
Карбонильное железо	2000-3000	20000	6,5	2,16	0,1
Монокристалли- ческое железо	20000	1430000	0,8	-	0,097
Электротехничес- кая листовая сталь	200-600	3000 -4000	10-65	1.95-2,02	0,25-0,6
Низконикелевые пермалои	1500-4000	15000-60000	5-32	1,0-1,6	0,45-0,9
Высоконикелевые пермалои	7000-100000	50000- 300000	0,65-5,0	0,65-1,0	0,16-0,85

Холоднокатаная электротехническая тонколистовая сталь должна содержать 3% кремния. При меньшем содержании не удается получить анизотропную структуру (текстуру) в стали, а при большем содержании кремния сталь не удается прокатывать в холодную, т.к. кремний придает сплаву повышенную твердость и хрупкость,, Поэтому сталь катают в горячую и при этом получается изотропная структура. Анизотропные стали имеют лучшие свойства при намагничивании по сравнению с изотропными, так как при этом удается намагничивать сталь в направлениях легкого намагничивания. Однако, для того чтобы реализовать преимущества анизотропных сталей, необходимо соответствующим образом подбирать форму магнитопровода. Обычно магнитопроводы делают витыми ленточными. Навивают из ленты, вырезанной в направлении, выгодном для намагничивания. Не подходят для изготовления из анизотропной стали Ш-образные броневые сердечники.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью. Основным недостатком электротехнических тонколистовых сталей является сравнительно низкие значения начальной и максимальной магнитных проницательностей. Этого недостатка лишены сплавы типа пермаллоев. Сплавы эти представляют собой, прежде всего, сплавы железа с никелем. На рисунке 46 представлены зависимости основных магнитных характеристик от состава сплава в системе железо-никель. Видно, что индукция насыщения изменяется в зависимости от состава сплава почти линейно. Исключение составляет сплав 75% железа + + 25% никеля, который не обладает ферромагнитными свойствами и имеет индукцию насыщения равную нулю. На рисунке 46 показаны также зависимости изменения таких магнитных характеристик от состава сплава, как λ_s, и К. Обе эти характеристики при содержании в сплаве 78 - 79% никеля проходят через нуль. Так как от них зависит величина коэрцитивной силы сплава, то очевидно, что когда эти характеристики близки к нулю, то мала величина коэрцитивной силы, т.е. петля гистерезиса очень узкая, а это означает, что велика магнитная проницаемость сплава. Причем увеличиваются одновременно как максимальная, так и начальная магнитные проницаемости. Железо-никелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью называют пермаллоями.

Рисунок 46 Рисунок 47

На рисунке 47 показаны изменения коэрцитивной силы Н_с удельного электрического сопротивления ρ, магнитных проницаемостей (M_н и М_max) от химического состава пермаллоев.

В технике применяют две группы пермаллоев: высоко-никелевые, содержащие 78-80% никеля, и низконикелевые с 40-50% никеля.

Первые имеют самые высокие значения магнитных проницаемостей, но одновременно и небольшое значение индукции насыщения. Когда по условиям применения от сплава требуется повышенное значение именно этой характеристики, то применяют низконикелевые пермаллои. Так как при содержании никеля 50% λ_s и K не равны нулю, то величина коэрцитивной силы сплавов значительно выше, а магнитные проницаемости ниже, чем у высоко-никелевых пермаллоев.

Пермаллои легируют еще и другими компонентами. Делают это с целью увеличения

удельного электрического сопротивления сплавов для уменьшения потерь на вихревые токи при перемагничивании.

Все пермаллои являются дорогими и дефицитными сплавами из-за повышенного содержания никеля. К тому же они требуют сложной термической обработки для получения необходимых магнитных свойств. Сложность заключается в том, что никель сообщает сплаву повышенную вязкость, что затрудняет получение необходимой формы пластин для магнитопроводов. Поэтому вырубку пластин для магнитопровода производят из предварительно нагартованных листов пермаллоев (т.е. упрочненных пластической деформацией), когда магнитные характеристики сплавов очень низкие. После этого требуется рекристаллизационный отжиг, который делают при высоких температурах (1000 - 1200°С) в течение длительного времени (до десятков часов). К тому же отжиг производится в вакууме или спе­циальной защитной атмосфере, что усложняет и удорожает производство пермаллоевых сердечников. Тем не менее, в приборостроении и радиотехнике пермаллои находят широкое применение, т.к. нет другого материала с такими высокими значениями начальной магнитной проницаемости, способными работать в слабых магнитных полях.

Марки низконикелевых пермаллоев: 45Н, 50Н, 5GHXC и др.

Марки высоконикелевых пермаллоев: 79НМ,80НХС,76НХД и др.