Geum.ru

Учебное пособие к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности 140211 «Электроснабжение»

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


7. Магнитные материалы.
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9

7. Магнитные материалы.

7.1. Магнитомягкие материалы.

Металлические магнитные материалы – это в основном материалы на основе железа (низкоуглеродная сталь, листовая электротехническая сталь и др.), а также сплавы пермаллой, пермендюр, альсифер. По своим свойствам они относятся к магнитомягким и используются в остро динамических ситуациях в условиях быстро изменяющихся полей в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах, где нужно при наименьших затратах энергии достигнуть наибольшей индукции.

Точка Кюри железа = 770 оС. Чем чище железо, тем ниже коэрцитивная сила, выше начальная и максимальная магнитная проницаемость. Технически чистое железо (за рубежом его называют «армко-железо») содержит небольшие количества (в сумме 0,08 – 0,1 %) С, S, Mn, Si. Эти примеси ухудшают магнитные свойства. Магнитные свойства технически чистого железа значительно улучшаются при легировании кремнием и (или) алюминием. Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь содержит примесей больше, чем технически чистое железо: менее 0,04 % С и менее 0,6 % других примесей. Оно выпускается в виде листов толщиной от 0,05 до 4 мм. Особо чистое железо содержит примесей менее 0,05 %, получают электролитическим методом и методом карбонильной металлургии. Электролитический метод заключается в электролизе растворов солей FeSO4 или FeCl2 с железным анодом и катодом из мягкой стали, а карбонильный метод заключается в разложении паров карбонила железа Fe(CO)5 = Fe + 5CO. Однако чистота железа, полученного этими методами ниже, чем у монокристаллов. В таблице 7.1 приведены некоторые магнитные свойства железа различной степени чистоты.

Таблица 7.1.

Материал
Начальная магнитная проницаемость μн
Максимальная магнитная проницаемость μмакс
Коэрцитивная сила Нс, А/м

Технически чистое Fe
250
7000
64

Электролитическое Fe
600
15000
28

Карбонильное Fe

3300
21000
6,4

Особо чистое Fe, обработанное Н2
20000
340000
2,4

Монокристаллы чистейшего Fe, отожжённые в Н2
-
1430000
0,8



Основным магнитомягким материалом массового применения является кремнистая электротехническая сталь. Кремний (до 4%) в сталь вводят для повышения удельного сопротивления и, соответственно, снижения потерь на вихревые токи

Pf = ξ f2 B2max V, (7.1)

где ξ – коэффициент, зависящий от типа ферромагнетика и, главным образом, от его удельного сопротивления.

Кремний также увеличивает μн, уменьшает Нс и снижает потери на гистерезис, но, одновременно, ухудшаются механические свойства – растёт хрупкость, снижается точка Кюри с 770 оС до 740 оС. Магнитные свойства зависят от марки стали и толщины листа. Кроме того, поскольку эта сталь текстурирована и анизотропна, то механические обработки могут резко изменить свойства. Поэтому после изготовления изделия для восстановления магнитные свойства проводят отжиг.

Листовая кремнистая электротехническая сталь применяется для изготовления сердечников трансформаторов.

Пермаллои – это железоникелевые сплавы со структурой твёрдых растворов, обладающие большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей. Различают высоконикелевые (70 - 83 % Ni) и низконикелевые (40 - 50 % Ni) пермаллои. Наибольшее значение максимальной магнитной проницаемости имеет сплав, содержащий 78,5 % Ni: μн = 8000, μмакс = 100000. Это намного превосходит магнитную проницаемость электротехнических сталей и в несколько раз больше, чем у низконикелевых. Однако удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев примерно в 3 раза меньше, чем низконикелевых, поэтому при высоких частотах лучше использовать низконикелевые. Тем более, что стоимость пермаллоев определяется содержанием в них никеля.

Для модификации пермаллоев в них вводят легирующие добавки – Mo, Cr, Cu, Si, Mn. Разработан супермаллой с очень высокой μн в слабых полях = 100000 и μмакс = 1500000, содержащий 79 % Ni, 5 % Mo, 0,5 % Mn и 15 % Fe. Точка Кюри пермаллоев в зависимости от состава изменяется от 360 до 450 оС. Пермаллои очень чувствительны к механическим напряжениям, поэтому после изготовления детали (сердечника) и термообработки – отжигу для снятия внутренних напряжений, деталь помещают в защитный каркас из пластмассы или дюралюминия, заполненный массой, обладающей малой усадкой, низким коэффициентом термического расширения и большой пластичностью, например, смазкой ЦИАТИМ-201, 202, 221.

Низконикелевые пермаллои (45Н, 50Н) используют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием, пермаллой 50НХС – для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот в режиме без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые пермаллои – 79НМ, 80НХС, 76НХД применяют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Железо-кобальтовые сплавы имеют самую высокую индукцию насыщения Вs из всех известных ферромагнетиков – до 2,43 Тл. У железа Вs не превышает 2,1 Тл. Сплавы, содержащие 50 – 70 % Со называются пермендюры. Наибольшее применение имеет сплав 50КФ2, (50 % Со). Однако железо-кобальтовые сплавы имеют невысокое ρv и высокую стоимость, поэтому их применяются только в специальной аппаратуре: - в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах, сердечниках магнитных линз электронных микроскопов и др.

Сплав 49КФ имеет также высокую магнитострикцию, что позволяет использовать его в качестве сердечников магнитострикционных преобразователей. В таблице 7.1 представлены некоторые свойства высококобальтовых сплавов.

Таблица 7.1

Сплав
Bs , Тл
ρ, Ом.м
μн
Нс , А/м
т. Кюри, оС

49КФ
2,35
0,4 . 10-6

800 – 1000
-
950

50КФ
2,4
0,26 . 10-6

50
128 – 160
980



Альсиферы – сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6 % Al, остальное – Fe. Магнитные свойства не уступают высоконикелевым пермаллоям: μн = 35500, μмакс = 120000, Нс = 1,8 А/м, ρ = 0,8 мкОм.м . Альсиферы обладают твёрдостью и хрупкостью, поэтому перерабатываются в изделия главным образом литьём. Благодаря хрупкости альсиферы можно размалывать в порошок и использовать, как и карбонильное железо, для изготовления выскочастотных магнитодиэлектриков.

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы, в которых дисперсионной средой служат диэлектрики (полимеры, стекло, керамика), а дисперсной фазой – порошкообразные ферромагнетики (альсиферы, карбонильное железо, аморфные магнитные сплавы и др.). Благодаря тому, что карбонильное железо имеет положительный температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКμ, а альсифер – отрицательный, удаётся создавать из их смеси материалы с необходимым уровнем и знаком ТКμ. Магнитодиэлектрики не обладают электропроводимостью, поэтому в них нет вихревых токов и их можно использовать при повышенных и высоких частотах. Используя в качестве дисперсионной среды (связующего) эластомеры или высокопластифицированные полимеры удаётся изготавливать эластичные магнитные материалы, применяемые, в частности, для защиты от электромагнитных излучении (ЭМИ).

Потребность в высокочастотных магнитомягких материалах побудило разработку ферритов, представляющих собой магнитную керамику с незначительной электронной проводимостью. Ферриты относятся к ферримагнетикам. Химический состав ферритов описывается общей формулой МеFе2О4, где Ме – символ двухвалентного металла. Чаще общую формулу ферритов изображают в виде оксидов МеО.Fе2О3, тем самым подчёркивая технологию их изготовления, заключающуюся в спекании соответствующих оксидов. Ферриты имеют кубическую кристаллическую решётку. Ферриты, обладающие наиболее интересными магнитными свойствами и нашедшие техническое применение, представляют собой, как правило, твёрдые растворы замещения нескольких простейших соединений, в том числе и немагнитных. Так, например, широко распространённый никель-цинковый феррит mNiO.Fe2O3 + nZnO.Fe2O3 + pFeO.Fe2O3 содержит в своём составе ZnO.Fe2O3 , не проявляющий магнитных свойств. Тем не менее, его присутствие улучшает магнитные свойства феррита, т.к. оптимально изменяет параметры кристаллической решётки твёрдого раствора. На рис. 7.1 представлена частотная область использования различных ферритов.

Рис. 7.1. Ориентировочная схема использования ферритов при различных частотах.

Точка Кюри различных марок ферритов лежит в диапазоне 110 – 630 оС.

7.2. Магнитотвёрдые материалы.

Магнитотвёрдые металлические материалы

Магнитотвёрдыми принято называть такие материалы, коэрцитивная сила которых находится в пределах 5.103 – 5.106 А/м, максимальная магнитная энергия WL = (ВН/2)макс = 0,5 – 100 кДж/м3, энергетическое произведение (ВН)макс = 1 – 200 кДж/м3. Магнитная проницаемость μ ниже, чем у магнитомягких материалов и тем меньше, чем больше Нс.

Наиболее простыми и доступными магнитотвёрдыми материалами являются легированные стали, закалённые на мартенсит. После мартенситной закалки сплавы выдерживают 5 - 12 часов в кипящей воде для достижения структурной стабилизации. Эти стали легируют элементами W, Cr, Mo, Co. Максимальная магнитная энергия WL таких материалов лежит в области 1 – 4 кДж/м3. Магнитные свойства этих материалов не высоки, зато они дёшевы и легко обрабатываются на металлорежущих станках.

Магнитотвёрдые материалы с повышенными значениями коэрцитивной силы и магнитной энергии представляют собой сплавы алюминия, никеля и железа ( Al-Ni-Fe альни), Al-Ni- Fe-Si – альниси, Al-Ni-Fe-Co – альнико. В насоящее время каждый такой сплав имеет свою марку. Разные элементы сплава обозначают следующими буквами: Ю -Al, H – Ni, Д – Cu, K – Co, T – Ti, Б – Nb, А – кристаллическая текстура. Цифра – это процентное содержание элемента в сплаве, буква которого стоит перед цифрой. Наибольшее применение имеют сплавы ЮНДК-4, ЮНДК-15, ЮНДК-24. Это – 80% всех магнитотвёрдых материалов, выпускаемых в России. Коэрцитивная сила этих материалов составляет (4 – 15).104 А/м, а магнитная энергия WL = (3,6 – 40 кДж/м3). На свойства этих сплавов большое влияние оказывает режим термообработки.

Более высокими значениями коэрцитивной силы, достигающей 2.105 А/м и максимальной магнитной энергии до 30 кДж/м3 обладают бариевые ВаО.6Fe2O3 и кобальтовые СоFe2O4 ферриты.

Наибольшей коэрцитивной силой и удельной магнитной энергией обладают платинокобальтовые сплавы и интерметаллические соединения кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ): церием Се, самарием Sm, празеодимом Pr, лантаном La и иттрием Y. Коэрцитивная сила этих материалов лежит в пределах 2,4 – 23,2 МА/м, а магнитная энергия ВН достигает рекордной величины в 300 кДж/м3.

Вопросы для самопроверки.

1.Как влияет степень чисоты металлических магнитных материалов на их магнитные свйства?

2. Сравните свойства магнитомягких металлических сплавов.

3. В чём преимущества и недостатки ферритов по сравнению с металлическими магнитными материалами.

4. По какому параметру отличают магнитомягкие материалы от магнитотвёрдых?


Рекомендуемая литература.

Основная литература

1. Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. Электротехнические материалы. Энергоатомиздат, Л, 1985 г.

2. Арзамасов Б.Н., Крашенинников А.И. и др. Научные основы материаловедения. М., Изд. МГТУ им. Баумана, 1994 г.

Дополнительная литература

1. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В. Корицкого и др. т.1., Изд. Энергия, Л.,1974 г.

2. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В. Корицкого и др. т.2., Изд. Энергия,Л., 1974 г.

3. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В. Корицкого и др. т.3., Изд. Энергия, Л.,1976 г.

Методические пособия и указания.
  1. Бычков Р.А. Учебное пособие к дисциплине. Компьютерная версия. М. МИЭЭ, 2007г.
  2. Бычков Р.А. Методические указания и задания к контрольной работе. Компьютерная версия. М. МИЭЭ, 2006