Технические характеристики ферромагнитных материалов

Экспериментально получено, что в однородном магнитном поле свойства ферромагнитного материала описываются гистерезисной зависимостью, зависящей от предыстории намагничивания. Если материал предварительно размагничен, то при первом намагничивании (увеличение Н от 0 до Н_т) зависимости В (Н) соответствует кривая первоначального намагничивания (рис. 6.2.1, пунктирная линия). Уменьшение Н от значения Н_т приведет к уменьшению В, но по другому закону.

Рис. 6.2.1. Петля гистерезиса при циклическом перемагничивании.

При последующих циклических изменениях напряженности магнитного ноля, но синусоидальному закону магнитная индукция изменяется, но гистерезисной зависимости, которая на рис. 6.2.1 представлена петлей гистерезиса со стрелками, указывающими направления изменения. Если увеличивать амплитуду Н_т, то размеры петли увеличатся вплоть до предельной петли гистерезиса. При этом вершины семейства петель при разных амплитудах (рис. 6.2.2) располагаются на пунктирной основной кривой намагничивания, которая практически совпадает с кривой первоначального намагничивания.

Рис. 6.2.2. Семейство петель при разных амплитудах Н_т

Форма петли гистерезиса зависит от скорости изменения величин и вида зависимостей от времени. Если изменения очень медленные, то петля гистерезиса называется статической. Характерными параметрами симметричной петли являются (см. рис. 6.2.2) значения В = В_г (при Н = 0) — остаточная магнитная индукция и Н= Н₍ (при В = 0) — коэрцитивная сила. Качество ферромагнитного материала зависит от крутизны основной кривой намагничивания на участке от нуля до индукции насыщения (см. В₅ на рис. 6.2.1). Для описания крутизны характеристики используют понятие статической магнитной проницаемости р_гт = В/Н. Эти параметры используют в качестве характеристик материала и для их классификации.

Наиболее крупное подразделение ферромагнитных материалов при классификации проводится по значениям Н_г Если Н_с < 4 кА/м, то материал называют магнитно-мягким, в противном случае — магнитно-твердым.

Магнитно-мягкие материалы перемагничиваются при малых значениях напряженности магнитного поля. Как правило, они имеют небольшие значения В_г, т. е. незначительную остаточную намагниченность, небольшую площадь петли гистерезиса. Поэтому такие материалы используются для магнитопроводов. Магнитно-твердые материалы, напротив, имеют значительную остаточную намагниченность и применяются для изготовления постоянных магнитов.

Для магнитно-мягких материалов форма петли не имеет существенного значения, так как петля очень узкая. Поэтому они характеризуются (основной) кривой намагничивания и зависимостью удельных потерь энергии (площадь петли гистерезиса) от магнитной индукции.

К магнитно-мягким материалам относятся электротехнические стали, пермаллои и ферриты.

В устройствах, работающих на низкой частоте или на постоянном токе, используются детали из сортовой нелегированной (низкоуглеродистой) электротехнической стали. В обозначении марки этой стали первая цифра — класс по виду обработки давлением (1 — горячекатаная и кованая, 2 — калиброванная), вторая цифра — тип по содержанию кремния (0 — сталь нслегированная и т. д.), третья цифра — группа, но основному нормируемому параметру (8 — коэрцитивная сила), последние две цифры — значение основного нормируемого параметра. На рис. 6.2.3 кривая 1 представляет кривую намагничивания стали 10 895.

В большинстве ЭУ с переменными магнитными полями для уменьшения потерь энергии используются листовые электротехнические стали. Числовое обозначение марки стали содержит четыре символа. Первая цифра — классы структурного состояния и вида прокатки (1 — горячекатаная изотропная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная); вторая цифра — виды по содержанию кремния (0 — до 0,4%, 1 — от 0,4 до 0,8%, 5 — от 3,8 до 4,8%); третья цифра — группа по основной нормируемой характеристике (0 — р_и7/50 — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц в Вт/кг, 1 —р_{х 5/50}, 2 — р_10/400, 6 — В₀₄ — магнитная индукция в магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м, 7 — ?₁₀). Четвертая цифра — порядковый номер типа стали.

На рис. 6.2.4 представлены кривые намагничивания для горячекатаной стали 1512 (2) и для холоднокатаной стали 3411 (3). Из графиков видно,.

Рис. 6.23. Кривые намагничивания ферромагнитных материалов:

• 1 — литая сталь; 2 — листовая горячекатаная (углерод до 4,8%); 3 — листовая холоднокатаная; 4 — листовая горячекатаная (углерод до 1,8%); 5 — листовая горячекатаная (углерод до 3,8%);
• 6 — пермаллой

Рис. 6.2.4. Кривые намагничивания ферромагнитных материалов

в сильных нолях:

1 — литая сталь 10 895; 2— 1512 (листовая горячекатаная);^ — 3411 (листовая холоднокатаная) что сталь 3411 имеет большие значения магнитной проницаемости и магнитной индукции насыщения.

На рис. 6.2.5 изображены зависимости удельных магнитных потерь от амплитуды магнитной индукции р_м(В_т) для сталей 1511,3412 и 3413. Видно, что холоднокатаная сталь имеет меньшие магнитные потери.

Магнитные потери состоят из потерь на гистерезис (характеризуются статической петлей гистерезиса) и потерь, связанных с вихревыми токами. Последние зависят от частоты перемагничивания. Они могут быть снижены путем уменьшения удельной проводимости материала (легирование кремнием), уменьшением толщины листового материала, если плоскость контура вихревых токов располагается поперек листа.

В трансформаторостроении используют другой способ описания кривых намагничивания — с помощью зависимостей удельной намагничивающей мощности от магнитной индукции ?7_М(В"_?). На рис. 6.2.6 приведены зависимости для сталей 1511 и 3412 при толщине листа 0,35 мм.

Рис. 6.25. Характеристики удельных магнитных потерь:

1 — электротехническая сталь 1511; 2 — сталь 3413; 3 — сталь 3412

Рис. 6.2.6. Характеристики удельной реактивной мощности намагничивания

на частоте 50 Гц:

1 — сталь 1511 (0,35 мм); 2 — сталь 3412 (0,35 мм) Особую группу ферромагнитных материалов составляют прецизионные магнитно-мягкие сплавы. В зависимости от уровня магнитных свойств изготавливают материалы трех классов — с нормальными, повышенными и высокими магнитными свойствами. Условное обозначение марки этой группы содержит букву — сокращенное наименование компонентов: К — кобальт, М — марганец, Н — никель, С — кремний, X — хром.

Сплавы железа с никелем, железа с никелем и марганцем, легированные молибденом, хромом, называют пермаллоями. Основное их достоинство — высокая магнитная проницаемость при малых значениях напряженности магнитного поля (см. кривую 6 на рис. 6.2.3). Однако они имеют небольшое значение индукции насыщения. Кроме того, они дорогие. Прецизионные сплавы обладают специфическими магнитными свойствами, поэтому применяются в измерительных устройствах и устройствах автоматики.

Свойства магнитно-твердых материалов существенно зависят от формы петли гистерезиса. Обычно постоянные магниты в устройствах находятся в таких условиях, что магнитное состояние материала приближенно может быть описано участком, лежащим на кривой размагничивания петли гистерезиса или на прямой возврата, которая начинается на этой кривой. Поэтому основной для магнитно-твердых материалов является характеристика размагничивания — участок петли во втором квадранте между точками (#= 0, В = В,)и (Н= Н^В = 0).

Наиболее распространенными являются магниты из сплавов железа с алюминием, никелем и кобальтом (Альиико, марки ЮНД и ЮНДК). Наиболее энергоемкие постоянные магниты из сплавов с использованием редкоземельных элементов в соединении с кобальтом, а также железа с ниодимом и бором.

В измерительных устройствах и устройствах автоматики применяются также металлокерамические сплавы и ферриты, изготавливаемые методом порошковой металлургии.

Примеры кривых размагничивания для разных магнитно-твердых материалов приведены на рис. 6.2.7.

Рис. 6.2.7. Характеристики магнитно-твердых материалов:

• 1 — сплав ЮН13ДК25А; 2 — сплав ЮН1414ДК24; 3 — редкоземельный сплав КСП37А;
• 4 — бариевый феррит 63И20

Упражнение 6.2.1.

По кривой намагничивания на рис. 6.2.3 определите значение статической относительной магнитной проницаемости (р_г= р_ст /р₀) пермаллоя на линейном участке до значения В₃. Составьте список всех материалов в порядке убывания значения магнитной проницаемости.