46. Классификация магнитных материалов.

Магнитным материалом называют материал, применяемый в технике с учетом его магнитных свойств.

Принято выделять две основные группы магнитных материалов: магнитомягкие и магнитотвердые; в третью группу включают магнитные материалы специального назначения, имеющие сравнительно узкие области применения.

К магнитомягким относят магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т.п.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми с Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитотвердых материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1А/м, а в лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м.

Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают аналогично, но количественное соотношение процессов смещения границ и вращения различно. Процессы смещения границ требуют меньших затрат энергии, чем процесс вращения. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ, а в магнитотвердых — за счет вращения.

Термины «магнитомягкий» и «магнитотвердый» не являются характеристикой механических свойств материала. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и наоборот.

К группе магнитных материалов специального назначения можно отнести материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для СВЧ, магнитострикционные, термомагнитные и некоторые другие (например, с постоянной и в слабых полях).

47. Магнитомягкне материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей. Основные требования к материалам.

В зависимости от назначения материала возникают и различные требования к нему. Например, для магнитных экранов материал должен иметь высокие начальную и максимальную проницаемости, для импульсных трансформаторов существенной является скорость нарастания магнитной индукции и форма импульса и т.п.

Общие требования к магнитомягким материалам можно сформулировать следующим образом-

1. Материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, т.е. гистерезисная петля должна быть узкой, чему соответствует малое значение коэрцитивной силы и большое значение магнитной проницаемости (особенно начальной и максимальной). Выполнение этого условия определяет, например, величину тока холостого хода в трансформаторах. По этим параметрам лучшими материалами являются пермаллои.

2. Материал должен обладать большой индукцией насыщения, т.е. обеспечивать прохождение максимальной величины магнитного потока через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. При выполнении этого требования можно получить наименьшие габариты и вес устройства. Наибольшей индукцией насыщения обладают сплавы железа с кобальтом, технически чистое железо и электротехнические стали,

З.При работе в переменных полях Изделия из магнитомягкого материала должны иметь возможно меньшие полные потери, которые складываются из потерь на гистерезис, вихревые токи и дополнительные потери-Потери определяют рабочую температуру изделия, которая не должна превышать допустимой величины. Снижение потерь повышает энергетический к.п.д.„ а также позволяет при заданной температуре перегрева повысить рабочую индукцию, что дает возможность уменьшить вес и габариты устройства.

Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте перемагничивания. Так как для различных материалов Нс меняется в десятки и сотни раз, а Вr только в несколько раз, то в первом приближении потери на гистерезис, отнесенные к одному циклу перемагничивания, пропорциональны коэрцитивной силе, которая должна быть минимальной.

Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления магнитопровода, максимальной индукции и частоты перемагничивания. Для уменьшения этих потерь, увеличивают сопротивление магнито-провода, применяя материалы с большим удельным сопротивлением, а также шихтованные сердечники в виде пакета из тонких электрически изолированных друг от друга пластин. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой электрической изоляцией.

Определение составляющих потерь позволяет найти пути уменьшения полных потерь. Например, с повышением частоты повышается доля потерь на вихревые токи и, казалось бы, для уменьшения полных потерь нужно применять более тонкие пластины. Однако известно, что с уменьшением толщины проката сверх некоторого критического значения вызывает резкое увеличение потерь на гистерезис. Следовательно, применение очень тонких листов может вызвать не уменьшение, а даже увеличение полных потерь. Количественная оценка составляющих потерь в каждом конкретном случае дает возможность принять оптимальное решение.

Кроме перечисленных основных требований, к магнитомягким материалам предъявляют и другие требования.

От листовых и ленточных металлических материалов требуются высокая пластичность, обеспечивающая хорошее качество штамповок, хорошее качество поверхности (отсутствие ржавчины, отслаивающейся окалины, бугорков, вмятин и т.п.), отсутствие разнотолщинности; от листовых материалов, кроме того, - минимальная волнистость и коробоватость.

Выполнение этих требований позволяет повысить коэффициент заполнения, что обуславливает меньшие габариты изделия.

Магнитные свойства большинства магнитомягких материалов зависят от механических напряжений. Чем меньше эта зависимость, тем больше материал можно обжать при сборке сердечника, т.е. тем выше коэффициент заполнения.

Под влиянием механических напряжений сильно меняется начальная и максимальная проницаемости и коэрцитивная сила, но проницаемость в сильных полях и индукция насыщений зависят незначительно. Наиболее существенно механические напряжения влияют на свойства пермаллоев. Магнитные свойства материалов после механической обработки восстанавливаются путем термообработки (отжига).

В отдельных случаях существенными являются стабильность свойств от времени и температуры, линейность кривой намагничивания (на определенном участке), прямоугольность петли и др. При выборе материала необходимо учитывать его стоимость и дефицитность.