Электроэнергетический факультет Кафедра электроснабжения и эксплуатации электрооборудования Учебная дисциплина ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ТЕМА 5 Магнитные материалы Магнитные материалы ЛЕКЦИЯ 13 Свойства магнитных материалов

Учебные цели 1. Знать особенности поведения ферромагнетиков в переменных магнитных полях. 2. Знать свойства магнитомягких и магнитотвердых материалов.

Учебные вопросы Введение 1. Ферромагнетики в переменных магнитных полях. 2. Магнитомягкие материалы. 3. Магнитотвердые материалы. Заключение по дисциплине

Список рекомендуемой литературы 1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Пособие. СтГАУ, АГРУС, – 196 с. 2. Привалов Е.Е., Гальвас А.В. Электротехнические материалы: Пособие. СтГАУ, АГРУС, – 192 с. 3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ, АГРУС, – 196 с. 4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред. Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат Т.1,1986 – 308 с.;Т.2,1987. – 296 с.; Т.3,1988 – 728 с.

Введение Три группы магнитных материалов: 1. магнитомягкие; 2.магнитотвердые; 3.специализированные. 1. ММ обладают: малой силой коэрцитивной Н С ; высокой проницаемостью μ; свойством насыщения в слабых полях; узкой петлей гистерезиса; малыми потерями на перемагничивание. Применение. Магнитопроводы дросселей, трансформаторов и электрических машин.

2. Магнитотвердые материалы обладают большой коэрцитивной силой Н С и перемагничиваются только в сильных магнитных полях. Применение. Постоянные магниты ЭУ. У магнитомягких материалов коэрцитивная сила Н С 4000А/м. 3. Специальные магниты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) и магнитострикционные материалы, изменяющие размеры в магнитном поле и свойства при механических воздействиях.

1. Ферромагнетики в переменных магнитных полях Магнитные потери. Перемагничивание ФМ происходит с потерями энергии и нагревом. Потери на: гистерезис (ПГ); вихревые токи (ПВТ) и магнитное последействие (ПМ). 1. ПГ за один цикл пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери энергии (1) где η - коэффициент, зависящий от свойств ФМ; В т - максимальная индукция в цикле; п - показатель степени (1,6 – 2).

2. Вихревые токи в ФМ возникают из-за э. д. с. самоиндукции, которая пропорциональна частоте изменения магнитного поля f. Активная мощность ПВТ: (2) где V - объем магнита; ξ - коэффициент, пропорциональный удельной проводимости. Если энергия Э Г за один период изменения поля постоянна (в широком диапазоне частот), то энергия Э Т возрастает пропорционально частоте f (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость потерь на перемагничивание ФМ от частоты

Активная мощность потерь на гистерезис: (3) Вихревые токи возникают в плоскости перпендикулярной полю (рисунок 2, а). Для уменьшения ПВТ применяют ММ с сердечником из листов, изолированных друг от друга. Плоскости листов направлены вдоль линий индукции В (рисунок 2, б). 3. Потери на магнитное последействие происходят из-за отставания индукции В от изменения напряженности Е, т.к. спад намагниченности при отключении внешнего поля занимает время из-за магнитной вязкости доменов.

Рисунок 2 – Схемы распределения вихревых токов в поперечных сечениях сплошного (а) и сборного (б) сердечников ФМ

Поверхностный эффект. Вихревые токи размагничивающее действуют на сердечник и их распределение в сечении (рисунок 2, а) разное - в центре плотность токов максимальна. Индукция В минимальна в центре, т.к. вихревые токи экранируют сердечник от проникновения в центр основного тока. Вытеснение магнитного поля на поверхность сердечника тем сильнее, чем больше частота его изменения. Затухание поля в токопроводящей среде применяют в электромагнитных экранах для защиты схем автоматики ЭУ и измерительных приборов от внешних наводок тока.

2. Магнитомягкие материалы Требования к материалам: 1. Высокая магнитная проницаемость. 2. Малая коэрцитивная сила. 3. Большая индукция насыщения. 4. Минимальные габариты и масса. 5. Минимальные потери на гистерезис, вихревые токи и магнитное последействие. 6. Стабильность магнитных свойств при внешних воздействиях. Значительно изменяются при эксплуатации ЭУ магнитная проницаемость (особенно в слабых полях) и коэрцитивная сила магнитных систем.

Железо и низкоуглеродистые стали. Основной компонент магнитного материала - железо, свойства которого зависят от содержания примесей. Железо имеет индукцию насыщения 2,2Тл и содержит мало примесей (менее 0,05%). Из карбонильного железа делают прессованные магнитные сердечники. Магнитные свойства различных видов железа приведены в таблице 1.

Примеси не влияют на свойства железа, если их концентрация ниже предела растворимости. Вредные примеси - углерод, кислород, азот. Свойства железа зависят от структуры, размера зерен, механических напряжений в материале. Технически чистое железо не содержит примесей углерода, серы, марганца. Железо используют для изготовления магнитопроводов ЭУ с постоянным магнитным потоком.

Кремнистая электротехническая сталь - основной ММ материал. Si повышает удельное сопротивление и снижает ПВТ (сталь содержит не более 5% Si). Более 5% Si ухудшает механические свойства стали (из-за хрупкости и ломкости становится непригодной для штамповки). Легирование Si повышает стабильность свойств ММ при эксплуатации. Свойства стали улучшаются с образованием магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде.

Текстурованная сталь (ТС) Вдоль направления прокатки ТС обладает высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис. Свойства ТС ухудшаются при намагничивании под углом 55° к направлению прокатки, т.е. при трудном намагничивании. Применяют в ленточных сердечниках автоматики ЭУ, т.к. магнитный поток проходит по направлению легкого намагничивания ТС.

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и ленты с электроизоляционным покрытием и без него. Толщина листов стали 0, мм. Применяют в магнитных цепях аппаратов, трансформаторов, приборов и машин. Ленточные сердечники уменьшают массу и габаритные размеры магнитных систем трансформаторов. Малая толщина листов уменьшает потери на вихревые токи, но в тонких листах возрастает коэрцитивная сила, что увеличивает потери на гистерезис.

Низкокоэрцитивные сплавы Пермаллои - железоникелевые сплавы с большой магнитной проницаемостью и маленькой коэрцитивной силой в слабых магнитных полях. Производят пермаллои ВН - высоконикелевые (до 80% Ni) и НН - низконикелевые (до 50% Ni). Недостатки сплавов. Чувствительны к внешним механическим напряжениям при эксплуатации ЭУ. Свойства сильно зависят от состава и наличия инородных примесей.

Индукция насыщения ВН пермаллоев в 2 раза ниже, чем электротехнической стали, и в 1,5 раза ниже, чем у НН пермаллоев. Удельное сопротивление ВН пермаллоев в 3 раза меньше, чем у НН (при повышенных частотах используют НН пермаллои). Стоимость пермаллоев определяется содержанием никеля. Для придания сплавам требуемых свойств в состав пермаллоев вводят добавки (медь повышает удельное сопротивление).

Применение пермаллоев Из НН сплавов 45Н и 50Н делают сердечники малогабаритных трансформаторов, детали магнитных цепей автоматики ЭУ. Буквы: Н означает никель, М - марганец, X - хром, С - кремний, Д – медь. Цифра - процентное содержание никеля. Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюминием (9,5% Si; 5,6% Аl; остальное – Fe). Отличается твердостью и хрупкостью. Выпускают корпуса измерительных приборов методом литья и прессованные сердечники.

Высокочастотные ММ материалы (функции магнетиков при частотах выше 0,5 КГц). Ферриты - оксидные ММ, их спонтанная намагниченность доменов обусловлена антиферромагнетизмом. Материалы твердые и хрупкие (допускают шлифовку и полировку). Магнитные свойства. Благодаря низкой проводимости нет потерь на вихревые токи. В слабых магнитных полях малы потери на гистерезис. Не допускают механических нагрузок.

Электрические свойства Проводимость ферритов обусловлена процессами электронного обмена между ионами решетки. Обладают большой диэлектрической проницаемостью, зависящей от чистоты и состава. В слабых полях ферриты с начальной магнитной проницаемостью до заменяют пермаллои и электротехническую сталь. Применяют в качестве магнитных сердечников автоматики ЭУ: в импульсных трансформаторах, катушках индуктивности, магнитных усилителях.

Магнитодиэлектрики (МД) имеют малые потери и постоянную магнитную проницаемость при колебаниях Т 0 С (максимальная магнитная проницаемость у молибденового пермаллоя). МД пластичны и плохо размалываются в порошок. Предел рабочей Т = 120°С. МД обладают высокой стабильностью магнитных свойств (изменение начальной магнитной проницаемости до 2% в год).

3. Магнитотвердые материалы МТ материалы - магнетики с высокой коэрцитивной силой и большой площадью гистерезисной петли. Свойства материалов. Магнитные цепи с постоянными магнитами разомкнуты (имеют рабочий воздушный зазор) и характеризуются кривой размагничивания. При отсутствии внешнего магнитного поля макроскопические токи в материале отсутствуют.

Максимальная магнитная энергия Э 0 в рабочем зазоре: Э 0 = (B 0 H 0 / 2) V 0 (4) где V 0 - объем зазора (V 0 l 0 S 0 ). При значениях B D и H D энергия достигает максимального значения: Э D = B D H D / 2 = Э d макс Энергия Э D дает рабочую точку на кривой размагничивания с наилучшими параметрами магнита (площадь прямоугольника при значениях B D и H D ).

У металлокерамических магнитов магнитная энергия и остаточная индукция на 20% ниже, чем у литых магнитов, но по механической прочности превосходят литые магниты в 6 раз. У метало пластических магнитов свойства плохие из-за немагнитного связующего вещества и коэрцитивная сила по сравнению с литыми магнитами ниже на 15%, а остаточная индукция и запасенная магнитная энергия меньше на 60%.